電動汽車永磁同步電動機弱磁調速研究畢業論文-資料下載頁

【導讀】制角度研究擴展PMSM的調速范圍。永磁同步電動機具有體積小、效率高以及。功率密度大等優點，特別是內置式PMSM具有較寬的弱磁調速能力。發展，永磁同步電動機的研究也進入了一個新的階段。領域的一個重大突破。本論文詳細討論了永磁同步電動機的矢量控制，在推導其。id=0控制、cosφ=1控制以及最大轉矩/電流控制方式。機矢量控制的前沿課題。特殊轉子結構的新弱磁方案。硬件開發展開工作。以TI公司專用于電機控制的TMS320LF2407A型數字信號。最后對所設計的電動汽車用永磁同步電動機驅動系統進行了。響應速度，可以滿足調速系統弱磁性能要求。課題背景及意義·················································&#

　　

【正文】 b) d、 q 軸電流與電磁轉矩的關系 最大轉矩 /電流控制 最大轉矩 /電流控制是在恒轉矩運行區域，電機輸出給定轉矩條件下，控制定子電流最小的電流控制方法，也稱作單位電流輸出最大轉矩的控制，它是凸極永磁同步電動機用得較多的一種電流控制策略，對于隱極永磁同步電動機，最大 轉矩 /電流控制就是 id=0 控制。最大轉矩 /電流控制的控制算法是根據電動機的電磁轉矩方程，滿足定子電流的條件極值下導出。 采用最大轉矩 /電流控制時，電動機 的電流矢量應滿足 ?????????????0)(0)(qsemdsemiiTiiT () 把式（ ）和 22 qds iii ?? 帶入上式，可求得 dqdffqdqqdffd LLLLLiLLi)1(2)1(4)(2)(4 2222222????????????????? () 把上式表示為標么值，并代入式（ ），可以得到交、直軸電流分量與電磁轉矩的關系為 ???????????))1(412(2)1(*2**3***qqemddemiiTiiT? （ ） 反過來，此時的定子電流分量 id*和 iq*可表示為 ?????*)(**)(*21emqemd Tfi Tfi () 由式 ()繪出的永磁同步電動機的轉矩交、直軸電流間的關系曲線如圖)所示。圖 )是 ?? 、 電動機定子合成電流與電磁轉矩的關系曲線，將其與 id=0 的控制方式相比較，逆變器輸出同樣大小的電流，獲得的電磁轉矩采用最大轉矩 /電流控制時較大。圖 7 是采用不同的凸極率計算出的曲線，永磁同步電動機的凸極率直接影響電動機定子電流和電磁轉矩的關系，凸極率越大，磁阻轉矩部分就越大，直軸 電流的貢獻增大。 圖 最大轉矩 /電流控制時 PMSM 定子電流與電磁轉矩關系曲線 a)交、直軸電流與電磁轉矩的關系 b)定子電流與電磁轉矩的關系 圖 電流與轉矩的影響 圖 因數與電磁轉矩的關系 電動機最大轉矩 /電流軌跡方程與電流圓交與 A 點（圖 ），通過 A 點的電壓極限橢圓所對應的轉速為 ω1。在最大轉矩 /電流軌跡的 OA 段上，電動機可以以該軌跡上的個點恒轉矩運行，且通過該點的電壓極限橢圓所對應的轉速即為在轉矩下的轉折速度，而交點 A 對應于 輸出轉矩最大時的轉矩速度。從圖上還可以看出，恒轉矩運行時的轉矩值越大，電動機的轉折速度就越低。由于電動機運行時電壓和電流步能超過各自的極限，故 A 點對應轉矩就是電動機可以輸出的最大轉矩，此時電動機的電壓和電流均達到極限值。 圖 定子電流矢量軌跡 聯立式（ ）和式（ ），可以得到電動機采用最大轉矩 /電流控制 且電流達到極限值時（即最大轉矩 /電流軌跡與電流極限圓相交時）電動機的直、交軸 電流為 ????????????????22l i m2l i m22)(4)(8dqqdqdffdiiiLLiLLi? () 當電動機的端電壓和電流均達到極限值式，由上式和電壓方程可推導出此時di qi 電流極限圓 電壓極限圓 最大功率輸出軌跡 最大轉矩 /電流軌跡 1A 1? 3? o 4A 3A 電壓極限橢圓 軌跡最大功率輸出 電流極限圓 1A 最大轉矩 /電流軌跡 di qi 1? 3? 3A 4A o 電動機的轉折速度 )(168)()( 222l i ml i mqddfqdfqbLLCLCLLiLpu????????? () 式中 2l i m22 )(8 iLLC qdff ?????? ? （ 1） id=0 控制是一種最簡單的控制方法，該方法無去磁效應，控制算法簡單， 電磁轉矩與定 子電流成正比。其主要缺點是隨著輸出轉矩的增大，功率因數下降較快。另外，電磁轉矩中的磁阻轉 矩部分未能利用，因而主要運用在對隱極永磁同步電動機的控制上。 （ 2） 1cos ?? 控制由于系統的功率因數恒為 1，使逆變器的容量得到充分的利用，但該方法的最大電磁轉矩很小。 （ 3） 最大轉矩 /電流控制策略可以是電動機輸出轉矩滿足一定要求的條件下，逆變器的輸出電流最小，這有利于逆變器的功率開關器件的工作，減小了電機的銅耗。在該控制方法基礎上，還可以方便的加入弱磁控制方法，改善電動機恒功率運行時的輸出轉矩的性能。因此，這是一種比較式和永磁同步電動機的電流控制方法。但是，該方法的缺點是 控制算法的開銷很大，普通的單片機的運算能力無法承擔，需要使用高速度的中央控制器。 永磁同步電動機的弱磁控制 永磁同步電動機弱磁控制的基本原理 永磁同步電動機弱磁控制的思想來源于他勵直流電動機的調磁控制。根據電機學知識，他勵直流電動機的電磁關系方程如下： ????????????feaaeeICRIUCEnnCE???? () 式中， E——直流電動機反電動勢 ； Ce——直流電動機電勢系數 ； Φ——直流電動機每相磁通 ； U——直流電動機定子電壓 ； Ia——直流電動機 電樞電流 ； Ra——直流電動機電樞電阻 ； If——直流電動機勵磁電流 。 從式 ()中可以看出，當他勵直流電動機的端電壓達到極限電壓值時，要使電動機能繼續恒功率運行于更高的轉速，應設法降低電動機的勵磁電流，以保證電壓的平衡。換句話說，他勵直流電動機可以通過降低勵磁電流而弱磁擴速。 與電勵磁的同步電動機不同，永磁同步電動機的勵磁磁動勢因由永磁體產生而無法調節，只有通過調節定子電流，即增加定子直軸去磁電流分量來維持高速運行時電壓的平衡，達到弱磁擴速的目的。永磁同步電動機電壓方程如下式 22 )()( fddqd iLiLu ??? ??? () 從上式可以發現，當電動機端電壓隨轉速升高到逆變器能夠輸出的最大電壓之后，若要繼續升高電機的速度，永磁同步電機將無法再作恒轉矩運行，而必須采取下述措施之一 (或兼而用之 )，以維持電樞繞組的電勢平衡，從而獲得一個新的調速范圍。 措施 1：對于可以進行電流相位控制的永磁同步電機，使直軸電流 0?di ，并起去磁作用，以消弱永磁場 (即所謂弱磁 )，且隨著速度的升高，起去磁作用的 id 分量要不斷增加，電勢平衡才能繼續維持。這種 弱磁能力的大小與電樞繞組的直軸電感 id 成正比。 措施 2：使電樞電流的交軸分量 iq 逐漸減小，從而減小其電樞反映的助磁作用及氣隙合成磁場 (這是一種等效弱磁 )，這種弱磁能力的大小與交軸電感 iq 成正比。 要特別指出的是，盡管這一等效弱磁措施能夠擴展電機恒轉矩調速范圍之外的調速范圍 (即弱磁范圍 )，但它以犧牲恒轉矩調速范圍和輸出轉矩為代價。因此，其能力的大小對電機的總調速范圍沒有多大影響。相反，隨著這種能力的增大 (Xq的增大 )，恒轉矩范圍變窄，弱磁范圍變寬，電機總的調速范圍會有所減小，電機的輸出轉矩特性會越來越軟。另外， 由于電動機相電流也有一定的限制，增加直軸去磁電流分量而同時保證電樞電流不超過電流極限值，交軸電流的分量就相應減小。因此，一般是通過增加直軸去磁電流來實現弱磁。 永磁同步電機弱磁時，隨著速度的增加，直軸電流 id 不斷增加 (直到 Ilim)，而交軸電流 iq 不斷減小 (直到零 )。 只要電流分量控制適當，就有可能獲得一個輸出恒定功率的調速范圍 (即恒功率弱磁范圍 )。在不打破電流限制 limIIs ? 的情況下，能夠獲得寬廣的弱磁范圍的條件是，直軸電流為 Ilim 時的直軸電樞反應去磁磁通能夠完全消弱磁通 (指基波分量 )。這時電機在理論上可以在任意的高速下進行弱磁運行，并輸出基本恒定的功率。這一條件可表述為 ： lim0 IXE d? () 式中， E0、 Xd 是電機在單位速度下的反電動勢和直軸電抗。電機能夠在寬廣的弱磁范圍內輸出盡可能大的功率的條件是 Id=Ilim 時的直軸電樞反應去磁磁通能夠正好抵消永磁通，或表述為 : lim0 IXE d? () 永磁同步電 動機的弱磁擴速控制可以用圖 所示的定子電流矢量軌跡加以闡述。圖中， A 點對應的轉矩為 Tem1，為電動機在轉速 ω1 時可輸出的最大轉矩 (電壓和電流均達到了極限值，故 ω1 即為電動機最大恒轉矩運行時的轉折速度 )。轉速進一步升高到 ω2(ω2ω1)時，最大轉矩 /電流軌跡與電壓極限圓相交于 B 點，對應的轉矩為 Tem2(Tem2 Tem1)，若此時定子電流矢量偏離最大轉矩 /電流軌跡，由 B電移至 C 點，則電動機可輸出更大的轉矩 Tem1，從而提高了電動機超過轉折速度時的輸出功率。從圖上還可以看出，定子電流矢量從 B 點移至 C 點 ，直軸去磁電流分量增大，消弱了永磁體產生的氣隙磁場，達到了弱磁的目的。 當電動機運行于某一轉速 ω 時，由電壓方程可得到弱磁控制時電流矢量軌跡 22l i m )()( dddfd iLuLi ??? ???? () 由電壓方程（ ）可以得出轉速的表達式 22l i m)()( qqddf iLiLpu???? ? () 圖 永磁同步電動機弱磁原理圖 當電動機端電壓和電流達到最大值，電流全部為直軸電流 分量，并且忽略定子電阻的影響時，電動機可達到的理想最高轉速為 )( limlimm a x iLp u df ??? ? () 最大輸入功率弱磁控制 當電動機的普通弱磁控制達到轉折速度后，在增加電機轉速，必須降低電機的電流，從而今年入最大輸入功率弱磁控制，此時定子電流矢量沿著電壓極限橢圓軌跡取值。電動機超過某一轉速后，在任一給定轉速下，在電動機電壓軌跡橢圓軌跡上存在著一點，該點所表示的定子電流矢量使電動機輸入的功率最大，相應地輸出功率也最大。某轉速下輸入功率最大時 定子電流矢量的求解過程如下： 電動機運行于某轉速 ω 而輸入功率最大時應為 1emT 2emT 恒轉矩軌跡 電流極限圓 電壓極限圓 最大轉矩 /電流軌跡 A B C O 1? 2? qi di 01 ?ddidP () 由電壓方程可把交軸電流分量表示為 qfddq LiLui 22l i m )()( ?? ??? () 把上式和式（ ）帶入式（ ）并忽略定子電阻，可得電動機輸入最大功率時的定子直、交軸電壓 ??????????????qddqddfdLiLuiiLi22lim )()( ?? () 式中 ?????????? ?????）（）（101)1(4 )()1(8)(2l i m22??? ??????ddffdiLui () 永磁同步電動機弱磁擴速能力的提高 經推導得轉折速度與凸極率、弱磁率之間的關系為 ??????????????????)1(11)1(]8)1[()1(161)(11*222???????? ffbCC () 式中， 22)1(811 ???????fC ，其對應的曲線如圖 所示。從圖中可以看出轉折速度和弱磁率、凸極率有明顯的關系。凸極率、弱磁率越大，轉折速度越低。由于最高轉速與凸極率無關，因此增加電動機的凸極率可明顯提高電動機的弱磁擴速能力。 定義永磁同步電動機的擴速倍 數為 kξ **m a xm a xbbk ????? ?? () Kξ的具體表達式為 ????????????????????)1(11)1(1]8)1[()1(161)(1222??????????ff CCk () 顯然，弱磁擴速倍數表示的是永磁同步電動機在空載且不計電機各種損耗時的弱磁擴速能力。 將式 ()繪制成曲線，如圖 所示。從如中可以看出，永磁同步電動機的弱磁擴速能力隨弱磁率的增加而提高，如果同時增加電動機的凸極率，則弱磁擴速能力會有更明顯的提高。 圖 轉折速度與 ξ、 ρ 的關系 圖 弱磁擴速倍數與 ξ、 ρ 的關系 永磁同步電動機弱磁擴速困難原因分析 上述永磁同步電動機的弱磁擴速都是從理論上進行分析的，實際上永磁同步電動機是難于弱磁擴速度的，原因就在于其磁路結構的特殊性。盡管永磁同步電機有多種多樣的轉子結構，但無論是并聯永磁路轉子還是串聯永磁路轉子，永磁體總是串聯在直軸磁路中，并占去交軸磁路的部分空間。因此，交、直軸磁路的等效氣隙都很大， Xd、 Xq 都較電勵磁電機的小很多，并有 XdXq，其后果是，建立同樣大小的電樞反應氣隙磁場，永磁同步電機要求比電勵磁 同步電機大得多的電負荷，而在正常的電負荷 (由熱負荷能力確定 )下，永磁同步電機的交、直軸電樞反應微乎其微。如果永磁體提供正常的勵磁磁場 (由永磁體的性能及定、轉 子鐵心飽和磁密決定 )，則額定電流產生的直軸電樞反應磁通只能消弱永磁通的極小部分，即弱磁率太低。用電勢關系表述即為 : Nd IXE ??0 () 所以，普通永磁同步電機不滿足產生寬廣恒功率弱磁調 速范圍的條件式 ()和式 ()。式 ()是普通永磁同步電機的固有 特性，是弱磁難的原因。 永磁同步電動機弱磁擴速方案 由于永磁同步電動機的固有特性，如果僅僅采用矢量控制的方式通過定子電流的直軸 分量來弱磁，將達不到很好的弱磁效果。本節從電動機本身出發，提出三 種特殊轉子結構的永磁同步電動機，使其更利于弱磁擴速。 (1) 轉子復合式永磁同步電動機弱磁方案 這種弱磁方案的定子 結構與傳統的永磁同步電動機的定子結構相同，轉子采用復合式結構 ——永磁段轉子 +磁阻段轉子 ，兩者之間有間隙，以防止漏磁 。其中永磁段是電機出力的主要部分，其設計思路基本上與傳統的永磁同步電動機相同 ； 磁阻 段是電機弱磁的主體部分。對于傳統的電激磁電機而言，弱磁控制是較容易實現的，但是對于永磁電機 (如永磁同步電機 )而言，永磁體一旦裝在電機里就不能夠拆卸下來，而且它所產生的磁場大小是恒定的，這個時候要想弱磁只有利用電機的電樞反應 :在高速時，通過電樞電流在電機中產生一個反向的磁場，部分或者完全抵消永磁場，從而實現高速下恒功率運行。為了抵消永磁磁場，要求高速下電樞反應磁場方向與永磁磁場方向相反，則要求電樞電流的 d 軸分量盡可能大，同時電機設計需保證有大的 Xd，以使得 XdLd 分 量盡可能大 (相對額定速度下的電機電樞電流希望 有盡可能大的交軸電流以產生一交軸磁鏈 )，同時在額定速以下不影響電機出力。轉子復合式 永磁同步電動機恰恰能滿足這個要求，磁阻段設計保證有一個大的 qd XX 。在低速時，電機電流控制角很小，交軸分量電流很大，直軸分量電流很小。如果采用 0?di 控制方式，則直軸分量