电动汽车永磁同步电动机弱磁调速研究毕业论文(编辑修改稿)

电动汽车永磁同步电动机弱磁调速研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

田汽车公司在北京举行了混合动力汽车合作项目签字仪式 ，宣布双方在 20xx 年内，共同生产丰田 PRIUS 混 合动力轿车。 PRIUS 混合动力轿车将在同年进入中国市场。 继 PRIUS 混合动力轿车之后 ，丰田汽车公司还推出了 ESTIMA 混合动力汽车和搭载软混合动力系统的 CROWN 轿车。 丰田汽车公司在普及混合动力系统的低燃耗 、 低排放和改进行驶性能方面已经走在了世界的前列。 此外 ， 本田汽车公司开发的 Insight 混合动力电动汽车也已投放市场 ， 供不应求。 20xx 年 4 月，本田汽车公司在美国市场上投放了 Civic 混合动力汽车。 日产汽车公司于 20xx年向美国市场销售 Ahima 牌混合动力汽车，这是其于 20xx 年与丰田汽车公司签署联合生产混合动力汽车协议的第一个产品。 美国的汽车公司在电动汽车产业化方面比来自日本的同行逊色不少 ， 三大汽车公司仅仅小批量生产 、 销售过纯电动汽车，而混合动力和燃料电池电动 汽车目前还未能实现产业化，来自日本的混和动力电动汽车在美国市场上占据了主导地位。 美国能源部与三大汽车公司于 1993 年签订了混合动力电动汽车开发合 同 ，其中通用汽车公司投入 亿美元 ，福特汽车公司投入 亿美元 ，克莱斯勒汽车公司投入 8480 万美元 ，进行为期 5 年的研制开发工作 ，并于 1998年北美国际汽车展上展出了样车。 在此基础上 ， 现已推出三款混合动力概念车GM Precept、 Ford Prodigy、 Daimler Chrysler Dodge ESX3。 20xx 年 12 月 14 日， 通用汽 车公 司与戴姆勒 —克莱斯勒汽车公司对外宣布 ， 双方将在开发混合动力电动汽车的技术领域携手，共同推进此项技术的发 展。 与世界其他国家一样 ， 电动汽车研发工作在我国也正在如火如荼的进行着。 “ 十五 ” 期间，国家从维护我国能源安全 、 改善大气环境 、 提高汽车工业竞争力 、实现我国汽车工业的跨越式发展的战略高度考虑 ， 设立 “ 电动汽车重大科技专项 ” ，通过组织企业 、 高等院校和科研机构 ， 集中国家 、 地方 、 企业 、 高校 、科研院所等方面的力量进行联合攻关。 为此 ， 从 20xx 年 10 月起，国家共计拨款 亿元作为这一重大科技专项的经费。 我国电动汽 车重大科技专项实施 4 年来 ，经过 200 多家企业 、 高校和科研院所的 20xx 多名技术骨干的努力 ， 目前已取得重要进展。 燃料电池汽车已经成功开发出性能样车 ， 燃料电池轿车累计运行 4000 k m，燃料电池客车累计运行8000k m；混合动力客车已在武汉等地公交线路上试验运行超过 14 万 k m；纯电动轿车和纯电动客车均已通过国家有关认证试验。 燃料电池汽车。 均采用 电 —电混合驱动方案 ，在整车操控性能 、 行驶性能 、安全性能 、 燃料利用率等方面均已得到较大提高。 20xx 年 5 月在北京召开的世界氢能大会上，我国自主研发的燃料电 池轿车和客车样车与世界领先的奔驰公司样车同堂展出，引起了世界的惊赞。 在 10 月举行的必比登世界清洁汽车挑战赛上 ， 我国自主研发的燃料电池轿车在 7 个单项奖中获得 5 个 A ( 在高速蛇行障碍赛 、 噪音 、 排放 、 能耗 、 温室气体减排 5 个单项指标方面的最高等级 )的好成绩 ，燃料电池城市客车也以较高的技术性能和可靠性在挑战赛中取得了良好的成绩。 混合动力汽车。 一汽 、 东风 、 长安 、 奇瑞等汽车公司对此都投入了较大 的人力 、 物力。 各车型均已完成功能样车开发。 20xx 年 11 月 8 日，湖北省启动武汉电动汽车试验示范运行工作 ， 先后投入 6 辆由东风电 动车辆股份有限公司研制的混合动力客车 ， 已累计运行 14 万 k m，载客 15 万人次 ；混合动力轿车按 ECE城市工况与基本车型进行的对比试验显示 ， 其燃料经济性提高 40％左 右 ，达到了节油的目的。 长安汽车公司采用同轴 ISG 轻度混合方案 ， 成功开发了第二轮功能样车和第三轮性能样车，并在国内率先开展了混合动力专用发动机开发。 经过国家检测机构测试，动力性能接近参考车的水平 ， 综合油耗降低接近 17％，排放达到欧 Ⅲ 标准。 纯电动汽车。 目前纯电动轿车和纯电动客车均已通过国家质检中心的型式认证试验，各项指标均满足有关 国家标准和企业标 准的规定。 天津清源电动车辆有限公司等单位研发的纯电动轿车，其整车的动力性 、 经济性 、 续驶里程 、 噪声等指标已超过法国雪铁龙公司赠送的纯电动轿车和箱式货车，初步形成了关键技术的研发能力。 北京理工大学等单位初步完成了北京理工科凌电动车辆股份有限公司密云电动车辆产业化生产基地的建设 ，并于 20xx 年 12 月 30 日顺利通过北京市公共交通总公司组织的示范运行车组验收。 小批量研发生产的 4 种车型 、近40 辆公交车即将投入北京市奥运电动示范车队的示范运行。 电动汽车的发展趋势 1) 纯蓄电池驱动的超微型汽车 这种汽车降低 了汽车的动力性和续驶里程的要求 ，充电过程比较简单 ，车速不高 ，较适合于市内或社区小范围内使用。 由于多数采用了镍氢电池、镍镉电池 、 锂离子电池等高性能电池 ， 车辆性能较有保证 ， 已进入小批量试生产阶段。 比如 ， 日本的 Hypermini 采用了高性能锂离子电池 ， 最高时速为 90km，一 次充电可行驶 115km，是一款适合未来城市道路行驶的家庭轿车。 2) 驱动电机呈多样性发展 美国倾向于采用交流感应电机 ， 其主要优点是结构简单 、 可靠 ， 质量较小 ，但控制器技术较复杂 ； 日本多采用永磁无刷直流电机 ， 优点是效率高 ， 起动扭矩较大 ， 质量 较小 ， 但成本较高 ， 且有高温退磁 、 抗振性 、 较差等不足 ； 德国 、 英国等大力开发开关磁阻电机 ， 优点是结构简单 、 可靠 ， 成本较低 ， 缺点是质量较大 ， 易于产生噪声。 目前我国也研制成了稀土永磁无刷直流电机和开关磁阻电机。 电动机的使用尚无定论 ，有待今后在使用中考验。 3) 混合动力汽车 由于受到蓄电池性能的严重制约 ， 使纯蓄电池型电动汽车的产业化进程举步维艰 ， 于是混合动力汽车成了内燃机汽车和电动汽车之间的过渡产品，既充分发挥了现有内燃机技术优势 ， 又尽可能发挥电机驱动无污染的优势。 混合动力汽车将现有内燃机与一定的储能元器件通过先进 控制系统相结合，可以大幅度降低 油耗 ， 减少污染物排放 ， 同时技术成熟 、 价格便宜。 4) 燃料电池汽车 燃料电池汽车在成本和整体性能上 ， 特别是行程和补充燃料时间上明显优于其他电池的电动汽车 ， 并且燃料电池所用的燃料 (甲醇 、 汽油 、 柴油 、 天然气等 )来源广泛 ， 可实现无污染 、零排放等环保标准。 所以燃料电池汽车已成为世界各大汽车公司 21 世纪初激烈竞争的焦点。 永磁同步电动机弱磁控制研究现状 随着电机调速控制理论、电力电子和微电子技术的迅速发展以及永磁材料性能价格比的不断提高，永磁同步电动机的变频调速进入了深入研究 和广泛应用的阶段。 与此同时，对永磁同步电动机的调速控制性能也提出了更高的要求 ， 高性能的永磁同步电动机调速系统除了要有良好的转矩控制性能外，还应具有较宽的调速范围。 随着永磁同步电动机转速的增加，电机定子绕组的反电动势必然升高，当反电动势达到电机的额定电压或是逆变器的直流侧电压时，电机的输入电流将不能跟踪控制器的输出给定电流，电流调节器处于饱和状态。 此时，要设法减小永磁同步电动机的反电动势，即采用弱磁控制以达到扩速的目的。 由于永磁同步电动机的主磁场是由永磁体产生，不能像直流电机或感应电机那样弱磁，给永磁同步电动 机的高速恒功率运行带来了新的 问题。 弱磁控制可以实现永磁同步电动机在低速时能输出恒定转矩，高速时能输出恒定功率，有较宽的调速范围。 较强的弱磁性能能够在逆变器容量不变的情况下提高系统性能 ； 或者说在保持系统性能不变的前提下降低电机的最大功率，从而降低逆变器的容量。 因此对永磁同步电动机进行弱磁控制并且拓宽弱磁范围有着重要的意义。 永磁同步电动机的转子磁场由永磁体产生，因此，不可能直接被减弱。 其弱磁控制是利用直轴电枢反应使电机气隙磁场减弱，从而达到等效于减弱 磁场的效果。 针对以上基本思想，许多学者致力于这方面的研究，提出了众多方案。 六步电压法。 其主要思想是 ： 当电机弱磁运行时，通过控制电机的功率因数角，调整电机的输出转矩和减弱电机的磁场。 该方法可实现对逆变器直流母线电 压的最大利用 ； 采用电压模型计算电机功率因数角，受电机参数的影响相对较小。 基于虚拟瞬时功率的弱磁控制方法。 定义虚拟瞬时功率 S= |udiq+uqid|，电机处于最大转矩运行时， S/ωe=0。 通过寻找 S/ωe 的最优值实现永磁同步电动机的弱磁控制。 采用过调制技术，根据零电压矢量作用时间判断过调制起 始点，用查表法确定调制比，提高逆变器直流母线电压利用率，实现对永磁同步电动机弱磁运行区域的扩展。 采 用电流调节器实现永磁同步电动机的弱磁控制。 电流调节器包括前馈解耦环节和电压补偿环节。 定子交轴电流由电机角频率给定值与实际值之间的偏差决定，定子直轴电流由每安培最大转矩控制方案决定。 由于温升和直流母线电压引起的电压变化会导致电压补偿器工作不正常，严重时可能引起整个系统的不稳定，将直流母线电压作为一反馈量用于电压外环调节的改进方案，从而使系统工作在最大电压利用状态。 控制外环的电压可以确保电流调节器在任何工况下不至于饱和，从而取得较满意的控制效果。 从电机结构设计提高永磁同步电动机的弱磁能力 永磁同步电动机不同的电机参数将引起电压电流相量不同的变化轨迹，部分文献对于电机参数变化引起的功率特性曲线差异进行了研究和探讨并且提出了各种改进的电机结构。 主要 是 用复合转子结构的永磁同步电动机 和 漏磁路电机设计法 来提高弱磁能力。 课题主要工作 本课题主要围绕永磁同步电动机弱磁调速的研究，采用 矢量控制的方法研究弱磁调速， （ 1） 对永磁同步电动机的运行原理进行研究，分析永磁同步电动机的功率、转矩 特性，损耗及效率特性 ； 建立起精确的永磁同步电动机的数学模型，为控制策略的研究提供基础。 （ 2） 研究永磁同步电动机矢量控制的几种电流控制策略，对比其工作特性。 针对永磁同步电动机弱磁运行难的特点，本论文将以弱磁率和凸极率为参数对永磁同步电动机的弱磁原理进行深入的研究，并找出影响其扩速能力的因素。 （ 3） 采用 TI 公司专用于电机控制的 TMS320LF24O7A 型数字信号处理器(DSP)作为核心，开发了全数字化的 PMSM 矢量控制调速系统，并完成相应的系统软硬件设计。 （ 4）对所设计的电动汽车用永磁同步电动机驱动系统进行了实验验证。 2 电动汽车永磁同步电动机弱磁调速控制策略分析 永磁同步电动及数学模型 永磁同步电动机的定子与传统的感应电动机定子结构基本相同，有空间对称分布的 A、 B、 C 三相绕组，转子上安装有永磁体，永磁体的励磁磁场与定子绕组中电流产生电磁藕合作用，使电动机转动。 实际上这种祸合关系是十分复杂的，为了建立永磁同步电动机的数学模型，通常先做如下假设 ： (1) 电 机的磁路是线性的，不计磁路饱和、磁滞和涡流的影响 ； (2) 三 相绕组是完全对称的，在空间互差 1200，不计边缘效应 ； (3) 忽 略齿槽效应，定子电流在气隙中只产生正弦分布的磁动势，忽略高次谐波 ； (4) 不 计铁心损耗。 将定子绕组中 A 相绕组的轴线作为空间坐标的参考轴线 as。 再确定磁链和电流正方向后，永磁同步电动机在 A、 B、 C 坐标系下的定子方程为： ssss dtddtdiLRiu  () 式中 ，  TCBAs uuuu  ，  TCBAs iiii  ， SIRR CCBCABCBBAACABALMMMLMMMLL ， )32s in ()32s in (s infS 式中， CBA iii 、 ——A、 B、 C 三相绕组电流。 CBA uuu 、 ——A、 B、 C 三相绕组电压。 Rs ——电子绕组的电阻。 LA、 LB、 LC ——电机定子绕组自感系数。 MXY ——定子 X 绕组与 Y 绕组间的互感系数。 f ——转子永磁体磁极的励磁磁链。 θ——转子 d 轴超前定子 A 相绕组轴线的电角度。 从以上的公式中，可见在 A、 B、 C 坐标系中，永磁同步电动机的 模型方程不仅复杂，而且电耦 合程度还与转子位置有关，即方程是非常定的。 分析正弦波电流控制的永磁同步电动机最常用的方法就是 dq 数学模型，它不仅可用于分析正弦波永磁同步电动机的稳态运行，也可用于分析电动机的瞬态性能。 经过坐标变换得到 永磁同步电动机在 dq 坐标系下的数学模型 如下： 电压方程 qqqdddqddqdqddiRdtdiRdtdiRdtduiRdtdu2222221100 () 磁链方程 qmqqqqfmddmddddqmqqqqfmddmddddiLiLiLiLiLiLiLiLiLiL22222222 () 电磁转矩方程 )( qqddem iipT  () 机械运动方程  RTTdtdJ Lem () 式中 ， u ——电压 ； i ——电流 ； ψ ——磁链 ； d、 q ——下标，分别表示定子的 d、 q 轴分量 ； 2d、 2q ——下标，分别表示转子的 d、 q 轴分量 ； Lmd、 Lmq ——定、转子间 d、 q 轴互感 ； Ld、 Lq ——定子绕组 d、 q 轴电感， Ld=Lmd+L1， Lq=Lmq+L1； L2d、 L2q ——转子绕组 d、 q 轴电感， L2d=Lmd+L2， L2q=Lmq+L2； Ll、 L2 ——定、转子漏电感 ； if ——永磁体的等效励磁电流 (A)，当不考虑温度对永磁体的影响时，其值为一常数， mdff Li  ； f ——永磁体产生的磁链 ，可由 0ef  求取， e0 为空载反电动势，其值为每相绕组反电动势有效值的 3 倍，即 00 3Ee  ； J ——转动惯量 (包括转子转动惯量和负载机械折算过来的转动惯量 )； RΩ ——阻力系数 ； TL ——负载转矩 ； P =d/dt—— 微分算子。 对绝大多数正弦波调速永磁电动机来说，转子上不存在阻尼绕组，因而，电动机的电压、磁链和电磁转矩方程可简化为 ])([)(11qdqdqfmddqqdemqqqfmddddqdqqdqddiiLLiiLpiipTiLiLiLiRdtduiRdtdu () a) 空间矢量图 b) 向量图 图 PMSM 空间矢量图和向量图 如果把上式中的有关量表示成空间向量的形式，则 d、 q 坐标系下永磁同步电动机的空间向量。