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1、 摘 要本文围绕电动汽车用永磁同步电动机(PMSM)调速系统展开工作，主要从控制角度研究扩展PMSM的调速范围。永磁同步电动机具有体积小、效率高以及功率密度大等优点，特别是内置式PMSM具有较宽的弱磁调速能力。上个世纪80年代以来，随着稀土永磁材料性价比的不断提高，以及电力电子器件的快速发展，永磁同步电动机的研究也进入了一个新的阶段。矢量控制理论是交流调速领域的一个重大突破。本论文详细讨论了永磁同步电动机的矢量控制，在推导其精确数学模型的基础上，分析了永磁同步电动机的几种矢量控制策略，包括了id=0控制、cos=1控制以及最大转矩/电流控制方式。弱磁控制是永磁同步电动机矢量控制的前沿课题。论文
2、分析了永磁同步电动机弱磁调速原理，提出了三种特殊转子结构的新弱磁方案。本文还围绕电动汽车用永磁同步电动机调速系统的硬件开发展开工作。以TI公司专用于电机控制的TMS320LF2407A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，并完成相应的系统硬件设计。最后对所设计的电动汽车用永磁同步电动机驱动系统进行了初步的实验验证，表明采用本文所提出的全速范围弱磁控制算法具有较快的动态响应速度，可以满足调速系统弱磁性能要求。关键词：永磁同步电动机；矢量控制；弱磁控制；控制器AbstractThis dissertation is devoted to the study
3、on Permanent magnet synchronous motor (PMSM) drive system for electric vehicle (EV) application. It is mainly to improve the control of motors, then expand the scope of the motor speed. PMSM has the advantage of small volume, high efficiency and power density, especially inner permanent magnet synch
4、ronous motor have the ability of wide field-weakened operation. Therefore there search on PMSM has entered a new stage since the 1980s with the improvement of ratio between the performance and the price of the rare earths PM material and the development of the power electronics devices. Vector contr
5、ol (VC) theory is a great breakthrough in the AC speed control field. Also details of the VC of PMSM is presented in the paper，and the analysis of several circuit control strategies of VC theory applied to the PMSM control，which include the id=0 control，cos =1 control and the max torque/current cont
6、rol. The paper discusses the theory of weaking flux speed control of PMSM which is a new development direction. Then it brings out three new weaking flux plans，which have special rotor structures. This dissertation is devoted to the study of hardware on PMSM drive system for EV application. Based on
7、 TI company DSP special-designed for motor control on TMS320LF2407A designs and develops a full-digital PMSM vector control system, and hardware of the system is accomplished. Finally, the experiment has been done for the drive which design in the paper. Result of the experiment indicate validity of
8、 the field-weakening method which introduced in the paper.Key word : PMSM Vector control field-weakened operation controller目 录1 绪论31.1 课题背景及意义31.2电动汽车的发展现状及趋势51.2.1 国内外主要国家电动汽车发展情况51.2.2 电动汽车的发展趋势71.3 永磁同步电动机弱磁控制研究现状81.3.1从改进控制方法角度提高永磁同步电动机的弱磁能力81.3.2从电机结构设计提高永磁同步电动机的弱磁能力91.4 课题主要工作92 电动汽车永磁同步电动机弱磁
9、调速控制策略分析102.1 永磁同步电动及数学模型102.2 永磁同步电动机矢量控制原理152.3 永磁同步电动机矢量控制基本电磁关系162.3.1 电压极限椭圆162.3.2 电流极限圆182.3.3 恒转矩轨迹182.3.4 最大转矩/电流轨迹192.4 永磁同步电动电流控制策略192.4.1 id=0控制192.4.2 控制212.4.3 最大转矩/电流控制222.4.4三种电流控制策略的比较252.5 永磁同步电动机的弱磁控制262.5.1 永磁同步电动机弱磁控制的基本原理262.5.2 最大输入功率弱磁控制292.5.3 永磁同步电动机弱磁扩速能力的提高302.5.4 永磁同步电动机
10、弱磁扩速困难原因分析312.5.5 永磁同步电动机弱磁扩速方案322.6 本章小结343 电动汽车用永磁同步电动机的DSP控制343.2电动汽车电机调速系统主电路设计353.3 基于TMS320LF2407A DSP的电动汽车电机调速系统控制电路设计353.3.1 速度给定模块363.3.2 电机相电流检测电路373.3.3 位置检测接口电路383.3.4 PWM信号输出及动作保护电路393.4 软件控制简要说明403.5 转子位置与速度检测413.5.1 转子位置检测423.5.2 转子速度检测433.5.3 最小和最大转速计算431 绪论 1.1 课题背景及意义汽车自1866年诞生以来，应
11、用越来越广泛，技术不断发展，已经成为衡量一个国家物质生活和科学技术发展水平的重要标志，汽车工业己经成为世界经济和各国经济发展的支柱产业。汽车带给人们方便、快捷和舒适的现代生活的同时，也带来了日益增多的交通安全问题、日趋严重的环境污染和潜在的能源危机。汽车的发展时刻面临着安全、环保和节能三大主题。世界各国政府和科技工作者都在探索新途径，一方面控制汽车污染物的排放降低油耗，世界各大汽车公司均积极研发和应用排放新技术，如三元催化器、废气再循环、柴油机废气烟雾微粒过滤装置等，另一方面推进各种汽车清洁技术的开发和应用，各种超低排放汽车不断面世，如电动汽车、清洁燃料汽车等。电动汽车由于具有低排放甚至零排放
12、、低噪声和节能等优点，成为当今汽车研究、开发和推广应用的热点之一。现代电动汽车是融合了电力、电子、机械控制以及化工技术等多种高新技术的综合产品，是21世纪清洁有效的城市交通工具。它以电力为动力，可以解决石油资源日渐枯竭的问题。作为清洁、节能的新型交通工具，电动车具有无与伦比的优势，是唯一可以做到“零排放”的车辆。它在行驶过程中没有污染，热辐射低，噪音小，不消耗汽油，可应用多种能源，结构简单，使用维修方便，因此受到世界各国的欢迎。开发高性能、无污染的电动汽车得到各国政府、汽车制造商、科研院所的高度重视，纷纷制定电动汽车研制计划，掀起全球范围内的电动汽车开发热潮。各种电动汽车频频涌现，并迅速推上市
13、场。电动汽车的研制开发对我国具有更为重要的意义。我国机动车排放引起的环境污染日趋严重，极大地影响着人们的生活质量。中国是一个多煤少油的国家，自1994年起，中国已成为纯石油进口国。同时，电动汽车的发展可迅速缩短我国与发达国家在重要工业支柱产业汽车工业的差距，并可带动一系列相关产业和技术的发展。因此电动汽车的研究开发得到我国政府的高度重视。到“十五”末期我国在电动汽车的三大领域(电池、电机、电控系统)等方面取得了一定突破；己经具备了自主开发电机产品的基本能力，开发出包括交流感应、开关磁阻、直流无刷、永磁磁阻同步等各种类型电机，虽然在电机系统研究上取得了相应的进展，在整车控制器方面也积累了一定的经
14、验，但控制系统的结构和功能还有待于进一步的调整和完善。主要有:高性能动力电池系统的开发;高性能调速系统(包括多种电动机系统及内燃机系统)研制；整车性能优化及集成管理单元的开发等。电动汽车面临的主要问题有：续驶里程有限，蓄电池使用寿命太短，蓄电池尺寸和质量的制约，电动汽车价格昂贵，间接污染严重等。其中关键问题是一次充电续行里程和价格，目前在车载蓄电池技术未能突破的条件下，电动汽车调速系统是实现电动汽车基本性能和解决这一关键问题的重要因素。这要求电动汽车调速系统应具有尽可能高的转矩密度、良好的转矩控制能力、高的运行可靠性及在整个电动汽车调速范围内具有尽可能高的效率。电动汽车这一驱动功能的实现涉及电
15、机、电力电子、微处理器、蓄电池等多学科技术领域，是赶超世界汽车行业先进水平的关键。因此，对电动汽车调速系统的研究开发具有重要的社会意义和工程实际意义。目前，国内外电动汽车用电机系统涵盖了交流感应、永磁电机、开关磁阻等各种类型。其中永磁电机具有高效、高控制精度、高转矩密度、低噪声的特点，通过合理设计磁路结构能够获得较高的弱磁性能，在电动汽车特别是高档电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，作为电动汽车用永磁电机调速系统，可实现机电一体化和集成化，具有系统结构简单、操作方便、可实现制动能量回收、系统响应时间短、转矩控制准确等优点，改善了车辆的性能。因此，开发与电动汽车整机配套的永磁电机调速系统具有现实
16、可行的意义。此外，我国在稀土永磁材料领域具有得天独厚的资源优势。开发出一系列机电一体化集驱动、制动、测速、转向为一体的高度集成化的驱动模块，具有自主知识产权的高性能车用永磁电机系统，可以加快我国电动汽车的产业化进程。1.2电动汽车的发展现状及趋势1.2.1 国内外主要国家电动汽车发展概况一直以来 ，出于对能源危机和环境保护的关注及占领未来世界汽车市场的考虑 ，日本十分重视电动汽车的研制与开发。从目前世界范围内的整个形势来看 ，日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在混合动力汽车的产品发展方面，日本居世界领先地位。目前，世界上能够批量产销混合动力汽车的企业 ，只有日本的丰田和本
17、田两家汽车公司。1997年12月，丰田汽车公司首先在日本市场上推出了世界上第一款批量生产的混合动力轿车PRIUS。该轿车于2000年7月开始出口北美，同年9月开始出口欧洲 ，到2005年已经在全世界2 0 多个国家上市销售。目前推出的产品已经是多次改进后的第二代产品，其生产工艺更为成熟。根据丰田汽车公司的测试 ，PRIUS 轿车在城市工况下比同等排量的花冠轿车节油44.4%；在市郊节油29.7，综合节油40.5。有关统计数据显示 ，丰田汽车公司已占有全球混合动力汽车市场9 0的份额。2004年9月15日，一汽集团与日本丰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2005年
18、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。2002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2006年向美国市场销售Ahima牌混合动力汽车，这是其于2002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
19、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1.48亿美元 ，福特汽车公司投入1.38亿美元 ，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 。2004年12月1
20、4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2001年10月起，国家共计拨款8.8亿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2000多名技术
21、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。2004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
22、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。2003 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
23、，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2003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
24、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。1.2.2 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
25、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
26、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 。 1.3 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
27、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
28、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。1.3.1从改进控制方法角度提高永磁同步电动机的弱磁能力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
29、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/e=0。通过寻找S/e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
30、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。1.3.2 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。1.4 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，
31、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2.1 永磁同步电动及数学模型永磁同步电
32、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：
33、 (2.1)式中， ， ， 式中，A、B、C三相绕组电流;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; 转子永磁体磁极的励磁磁链;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 (2.2)磁
34、链方程 (2.3)电磁转矩方程 (2.4)机械运动方程 (2.5)式中，u 电压；i 电流； 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，；永磁体产生的磁链，可由求取，e0为空载反电动势，其值为每相绕组反电动势有效值的倍，即；J 转动惯量(包括转子
35、转动惯量和负载机械折算过来的转动惯量)；R 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 (2.6) a) 空间矢量图 b) 向量图图2.1 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图如图2.1a)所示。从图中可以看出，定子电流空间矢量与磁链空间矢量同相，而定子磁链与永磁体产生的磁链的空间电角度为，且 (2.7) 将上式代入式(2.4)的电磁转矩公式中 (2.8) 由上式可以看出，永磁同步电动机的输出转矩中含有两个分
36、量，第1项是永磁转矩Tm，第2项是由转子不对称所造成的磁阻转矩Tr。对凸极永磁同步电动机，一般LqLd，因此为了充分利用转子磁路的不对称所造成的磁阻转矩，应该使电动机的直轴电流分量为负值，即大于900。电机稳态运行时，电磁转矩可表示为 (2.9)电压可表示为 (2.10) 相应的输入功率 (2.11)电磁功率 (2.12)为了推导方便，对dq坐标系下的永磁同步电动机的方程标么化，上标*表示标么化以后的物理量。在永磁同步电动机分析中采用如下标么化处理方法： (2.13)式中，、和分别是转矩、电流、电压和电角速度的标么值。经过标么化处理后的转矩方程为 （2.14）式中，凸极率，其直接决定磁阻转矩的
37、大小。对于内置式转子结构，由于直轴磁路上有永磁体，所以LdLq(即)，表面式转子结构，Ld=Lq，因此不存在磁阻转矩。在内置式永磁同步电动机的矢量控制系统中，根据不同运行区域，灵活有效地利用这个磁阻转矩可以增加电动机的电磁转矩或扩大其调速的范围。而且，当转速恒定时，仅是一组常系数的线性微分方程。磁链与电流的关系也是线性关系。对于稳态时永磁同步电动机，在dq坐标系下的电压方程进行标么化处理后得 (2.15)从永磁同步电动机的相量图(图2.1b)，可得电动机的功率因数为 (2.16)并且，可以推导出电动机功率角占的正切 (2.17)2.2 永磁同步电动机矢量控制原理永磁同步电动机调速系统中，最关键
38、的问题就是实现电动机瞬时转矩的高性能控制。对于电动机转矩控制的要求可归纳为：响应快、精度高、脉动转矩小、系统效率和功率因数高等。从上一节中对永磁同步电动机的数学模型的分析可以看出，对永磁同步电动机的输出转矩的控制可归结为对交轴电流和直轴电流的控制。交、直轴电流的不同组合，将影响控制系统的效率、功率因数及转矩输出能力等。如何根据给定的转矩来确定交轴电流和直轴电流，实际上就是对定子电流矢量控制的问题。失量控制实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值的控制。从式(2.8)可以看出，当永磁体的励磁磁链和交、直轴电感确定以后，电动机的转矩便取决于定子电流的空间矢量is，而is的大小和相位又决定于id和iq
39、，也就是说控制id和iq便可以控制电动机的转矩。一定的转速和转矩对应于一定的和，通过这两个电流的控制，使实际id和iq跟踪指令值和，便实现了电动机转矩和转速的控制。由于实际馈入电动机的电枢绕组的电流是三相交流电流iA、iB、iC，因此，三相电流的指令值、必须由下面的变换从和得到: （2.18）上式中，电动机转子的位置信号由位于电动机非负载端轴伸上的速度、位置传感器(如光电编码器或旋转变压器等)提供。通过电流控制环，可以使电动机实际输入三相电流iA、iB、iC与给定的指令值、一致，从而实现了对电动机转矩的控制。2.3 永磁同步电动机矢量控制基本电磁关系正弦永磁同步电动机的控制运行时与系统中的逆变
40、器密切相关的，电动机的运行性能要受到逆变器的制约。最为明显的是电动机的相电压有效值的极限值Ulim和相电流有效值的极限值Ilim要受到逆变器直流侧电压和逆变器的最大输出电流的限制。当逆变器直流侧电压最大值为Uc时，Y型接法的电动机可达到的最大基波相电压有效值 (2.19)而在dq轴系统中的电压极限值为。2.3.1 电压极限椭圆电动机稳态运行时，电压矢量的幅值 (2.20)将式(2.10)代入上式，可得稳态运行时电动机的电压方程 (2.21)由于电动机一般运行于较高的转速，电阻远小于电抗，因此电阻上的电压降可以忽略不计，上式可简化为 (2.22)以ulim代替上式中的u，有 (2.23)电流极限
41、圆电压极限椭圆ADEFO转速增加图2.2 电压极限椭圆和电流极限圆当时，上式是一个椭圆方程，当Ld=Lq时（即电动机为表面突出式转子磁路结构），上式是一个以(，0)为圆心的圆方程，下面以为例进行分析。将式(2.23)表示在图2.2的idiq平面上，即可得到电动机运行时的电压极限轨迹电压极限椭圆。对于某一给定转速，电动机稳态运行时，定子电流矢量不能超过该转速下的椭圆轨迹，最多只能落在椭圆上。随着电动机转速的提高，电压极限椭圆的长轴和短轴与转速成反比的相应缩小，从而形成了一组椭圆曲线。2.3.2 电流极限圆电动机的电流轨迹方程为 (2.24)式中，Ilim为电动机可以达到的最大相电流基波有效值，式
42、(2.24)表示的电流矢量轨迹为一以idiq平面上坐标原点为圆心的圆(示于图2.2中)。电动机运行时，定子电流空间矢量既不能超出电动机的电压极限椭圆，也不能超出电流极限圆。如电动机转速a时电流矢量的范围只能是图2.2中ABCDEF所包含的面积。2.3.3 恒转矩轨迹把电磁转矩公式(2.8)用标么值表示，当时可以得到 (2.25)式中电流基值为，转矩基值为。1 2 3 -1 -2 -3 最大转矩/电流轨迹 4.0 3.0 2.0 Tem*=1.0 Tem*=-1.0 -2.0 -3.0 -4.0 图2.3 永磁同步电动机恒转矩轨迹图2.3在、平面上给出了一组转矩标么值各不相同的转矩曲线。从图中可
43、以发现，电动机的恒转矩轨迹在、平面上不仅关于d轴对称，而且在第二象限为正(运行于电动机状态)，在第三象限为负(运行于制动状态)。2.3.4 最大转矩/电流轨迹在图2.3中，不论是在第二象限还是在第三象限，某指令值的恒转矩轨迹上的任何一点所对应的定子电流矢量均导致相同的电动机转矩，这里就牵涉到了寻求一个幅值最小的定子电流矢量的问题，因为定子电流越小，电动机的效率越高，所需的逆变器容量也越低。在图2.3中，某指令值的恒转矩轨迹上距离坐标原点最近的点，即为产生该转矩时所需的最小的电流空间矢量。把产生不同转矩值所需要的最小电流点连接起来，就形成了电动机的最大转矩/电流轨迹，见图2.3。对于凸极永磁同步
44、电动机的最大转矩/电流轨迹是关于d轴对称的一条曲线，且在坐标原点处与q轴相切，在第二象限和第三项向内的渐进线均为一条450的直线。这些清楚的反映了d、q轴电感不相等的永磁同步电动机的转矩特性，因为q轴代表永磁转矩，恒转矩曲线上各点是永磁转矩和磁阻转矩的合成。当转矩较小时，最大转矩/电流轨迹靠近q轴，说明永磁转矩起主要作用。当转矩增大时，与电流平方成正比的磁阻转矩要比与电流呈线性关系的用磁转矩增加得更快，故最大转矩/电流轨迹越来越偏离q轴。2.4 永磁同步电动电流控制策略永磁同步电动机用途不同，电动机电流矢量控制策略也各不相同。可采用的控制方法主要有：id=0控制、控制、恒磁链控制、最大转矩/电
45、流控制、弱磁控制、最大输出功率控制等，不同的电流控制方法有不同的优缺点，本节就几种常用的矢量控制方法进行分析。2.4.1 id=0控制id=o控制又叫磁场定向控制，这是一种比较简单的电流矢量控制方法，该方法电流算法的计算量小，很适宜用普通单片机作为主控单元的系统;另外，该方法没有电枢反应对永磁同步电动机的去磁问题，而且电动机正、反转运行期间都具有较高的效率和较高的功率因数。目前大多小功率的永磁同步电动机伺服系统都采用id=0的控制方法。id=0时时间向量图如图2.4所示，从电动机端口看，相当于一台他励直流电动机。定子电流中只有交轴分量，并且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，=900，电动机转矩中只有永磁转矩分量，其值为 (2.26) 故有，且有，功率因数 (2.27)图2.4磁场定向控制时的时间向量图正切角(2.29)由于电动机一般运行