纯电动车中永磁同步电机的研究_丁娟

13
设计 · 研究
· Design Research
2.1
永磁同步电机的 纯电动车在起动
— —— 永磁体磁链 。 电机控制时 ， 主要基于稳态情况分析 ， 因此 ， 可 以 将 公 式 （ 1） 中 的 微 分 部 分 去 掉 ； 另 外 ， 电 机 定 子 电 阻 一 般 不 大 （毫 欧 级 别 ）， 尤 其 在 高 速 运 行 时 ， 定
2 2 2 i2 d+i q=I s≤I max
T， 再 结 合 当 前 电 机 转 速 n 时 对 应 的 转 矩 限 幅 值 Tmax， 确定电机的期望转矩值 T*； 然后 ， 逆变 器通过相应的
矢量控制策略对电流进行控制 ， 使得电机最终能够输 出转矩 T*。
（4 ）
以 id 和 iq 为 变 量 ， 可 以 看 出 电 流 限 制 边 界 是 一 个 圆 ， 定子电流必须落在圆边界内 。 另外 ， 电机能得到 的 最 大 定 子 电 压 us 由 电 池 电 压 Ubat 和 PWM 调 制 方 式 决定 。 对于 电压空间 矢 量 调 制 方 式 ， 最大相电压幅 值 为 Ubat ／ 姨 3 。 因 此 ， dq 轴 的 电 压 必 须 满 足下面的表达式：
图1 纯电动车动力系统结构图
工作原理 加速或者爬坡阶段， 需要的牵引力较大， 行驶速度比较低； 在 高速巡航时 ， 需要的牵引力较小 ， 行驶速度较高 。 针 对车辆的工况需求 ， 制定纯电动车用永磁同步电机的 控制方案 。 对车辆驱动的控制归根结底就是对电机输出转矩 的控制 。 加速踏板的开度仅反映了驾驶员希望电机输 出的转矩值 ， 但是对驱动电机本身而言 ， 在不同的转 速下 ， 能输出的最大转矩是受限制的 。 因此驾驶员的 期望转矩值与电机在当前转速下能输出的最大转矩 值 ， 这两者共同决定了电机的输出转矩 。 对 永 磁 同 步 电 机 的 控 制 过 程 如 图2所 示 ， 首 先 根 据 加 速 踏 板 的 开 度a查 表 得 到 驾 驶 员 对 转 矩 的 期 望 值
收稿日期 ： 2015-10-26 ； 修回日期 ： 2015-12-14 作者简介 ： 丁娟 ， 女 ， 工程师 ， 硕士研究生 ， 主要研究方向为汽车电子电器 、 电机控制 、 新能源汽车设计 。
原五华汽车起动马达厂高级技师愿为制造维修厂提供技术服务 。
甘国安 13035762378
汽车电器 ２０１６ 年第 １ 期
表1 性能及类型 转速范围 ／ （r ／ min ） 功率密度 电机质量 电机体积 可靠性 结构坚固性 控制器成本
Tesla 的示范效应 ， 国内外越来越多的汽车企业甚至互
联网企业开始进军新能源汽车制造这一领域 。 纯电动车作为新能源汽车的重要组成部分 ， 越来 越展现其强大的生命力 ， 纯电动车的销量在最近几年 实现了数倍的增长速度 。 随着电池技术的成熟 、 电池 成本的下降以及充电基础设施的逐渐完善 ， 在不久的 将来纯电动车必然会因为它的环保和低的使用成本而 进入千家万户 。
Research on PMSM for Pure EV
DING Juan ， ZHU Jiang-yuan ， CHANG Jiu-peng ， YAN Ming （Shanghai R&D center ， Weichai Power Co. ， Ltd. ， Shanghai 201315 ， China ） Abstract ： The PMSM for EV is studied ， and the motor control strategy is discussed on the basis of the simplified motor mathematical model ， and the key motor parameter is calculated and analyzed. Key words ： pure EV； PMSM （permanent magnetic synchronous motor）； motor control strategy； motor parameter calculation DOI:10.13273/j.cnki.qcdq.2016.01.007
将公式 （2） 代入公式 （5 ） 中 ， 并进行进一步化
90°的两相旋转坐标系 （dq坐标系 ） 中 。 对永磁同步电
机的控制而言 ， 通常采用转子磁链定向的矢量控制方 法 ， 就是将 dq 坐标系的 d 轴固定在电机转子永磁体上 ， dq坐标系跟着转子永磁体一起按照电机转速旋转 。 在 dq 坐标系中 ， 定子电压方程可表示为 ： di ud=Rsid+Ld d -ωr Lqiq dt （1 ） di uq=Rsiq+Lq q +ωr Ldid+ωr ψf dt —— 定子电阻 ； Ld、 Lq— —— d 、 q 轴 电 感 ； 式中 ： Rs— —— d 、 q 轴 电 压 ； id、 iq— —— d 、 q 轴 电 流 ； ψd、 Ud、 Uq— —— d 、 q 轴 磁 链 ； ωr — —— 电 机 旋 转 电 角 速 度 ； ψf ψq —
随着节能环保要求的不断提高 ， 国家已将新能源 汽车的发展列为战略发展产业 ， 通过税收优惠以及财 政补贴等形式鼓励新能源汽车的发展。 同时， 由于
前主要应用于纯电动客车上 ， 在乘用车上也有少量运 用 ， 如 Tesla 等 。 开关磁阻电机是一种新型电机 ， 结构 极其简单坚固 ， 转速范围宽 ， 功率密度高 ， 但其低速 性能差 ， 目前技术也不够成熟 ， 未进入大规模运用的 阶段 。 永磁同步电机是目前电动车使用最多的电机类 型 ［1］， 由 于 永 磁 同 步 电 机 运 用 了 稀 土 合 金 永 磁 材 料 ， 大大提高了电机的功率密度 ， 减小了电机的体积和重 量 ， 且运行效率高 ， 在国内外目前被广泛应用于电动 车中 。 本文就是基于永磁同步电机讨论的 。 表 1 是 4 种 电机的性能比较 ［2］。
图3 电压和电流限制条件
14
汽车电器 ２０１６ 年第 １ 期
· Design Research
设计 · 研究
限制 ， 为了车辆的动力性 ， 遵循输出转矩最大的原则 制定不同转速下电机的不同控制策略 。
见 图 4 中 的 BC 段 。 图 4 中 的 A 点 为 在 电 流 限 制 前 提 下 ， 转矩最大值时对应的 id和 iq； MTPA 控制时 ， 就是控制 id 和 iq在 A 点 ， 使其输出转矩最大 。
4 000~ 6 000
低 重 大 一般 差 低
12 000~ 20 000
中 中 中 好 好 高
4 000~ 10 000
高 轻 小 优良 好 高
>15 000
较高 轻 小 好 好 一般
2
纯电动车中永磁同步电机的控制策略 目前的纯电动车普遍没有匹配变速器 ， 直接采 用
固定速比的一档减速器来实现电机输出的减速增扭作 用 。 纯电动车的动力传动系统如图 1所示 。
4 种电机的性能比较
异步电机 永磁同 步电机 开关磁 阻电机
1
纯电动车驱动电机的选择 驱动电机是纯电动车的核心部件之一 ， 电机性能
直流电机
的好坏将直接决定纯电动车的驱动性能 。 在目前的纯 电动车中 ， 主要有以下几种电机 ： 直流电机 、 交流异 步电机 、 永磁同步电机和开关磁阻电机 。 直流电机主 要通过电压调节来 实 现 电 机 的 调 速 控 制 ， 成 本 较 低 ， 但是由于质量和体积巨大 ， 且换向电刷存在易损的问 题 ， 直流电机在早期的车型中有所运用 ， 在目前已经 应用很少 。 交流异步电机 、 永磁同步电机和开关磁阻电机是 目前比较理想的纯电动车用主驱电机 。 交流异步电机 技术成熟、 成本低、 可靠性高， 但是由于转子易发 热 ， 高速运转需要较大的冷却功率 ， 且控制复杂 ， 目
图2
永磁同步电机控制框图
2 d 2 q 2 s
2.2
永磁同步电机的数学模型 ［3］ 随着电力电子技术的发展 ， 对交流电机而言 ， 如 简为 ： （Lqiq）2+ Ld（id+
u +u =U ≤U ／ 3
2 bat
（5 ）
今采用矢量控制 ， 即将交流电机的各个控制变量从互 差 120° 的三相静止坐标系 （ abc 坐标系 ） ， 转化 为互差
姨
Ubat ψf 2 ） ≤ Ld 姨 3 ωr
姨
姨
姨
2
（6 ）
以 id和 iq为变量 ， 可以看出电压限制边界是一个椭 圆 ， 并且椭圆边界跟转子转速 ωr 成反比 ， 定子电 流必 须落在椭圆边界内 。 随着转速越来越高 ， 椭圆边界越 来越小 ， id、 iq的值也随之越小 ， 电机能输出的转矩也 越来越小 。 电压和电流的限制 如图 3 所示 。 正因为 id和 iq 受到电流和电压的限制 ， 并且电压的限制边界与 电机转速相关， 所以电 机输出的最大转矩受到
（7 ）
显 然 ， id=0 的 控 制 简 单 ， 定 子 电 流 与 电 磁 转 矩 输 出成正比 ， 无弱磁电流分量 ， 电机的全部定子电流都 用来产生电磁转矩 ， 控制效率较高 。 但是， 当永磁同步电机作为电动车的驱动电机 时， 为了更加高效地利用电池的电能， 提高续航里 程 ， 最 常 用 的 是 最 大 转 矩 电 流 比 （ MTPA ） 的 控 制 策 略。 即通过转矩电流比最大的原则来控制定子电流， 使得电机转矩在满足要求的前提下定子电流最小 ， 从 而减小电机铜耗 ， 提高系统效率 。 而采用 id=0 控制时 ， 输出转矩达不到 Is条件下能输出的最大转矩值 。 在 恒 转 矩 区 ， 如 果 采 用 id=0 控 制 ， 定 子 电 流 全 部 在 q 轴方向 ， 完全无弱磁分量 。 采用 MTPA 控制时 ， 定 子电流中其实包含弱磁分量 （id） ， 只不过相对于恒功 率区来说 ， 弱磁分量的比重较小 。 如图5所示， 在基 速以下时 ， id 和 iq 仅 受 电 流限制， 定子电流能够 达 到 Imax， 为 恒 转 矩 阶 段。 如果想到电机持续 输出最大转矩， 采用
图4 弱磁的电流分配
Te 3p0 2 ［ψf + （Ld-Lq）id］ 姨I2 （8 ） = s-i d Is 2Is 从公式方面推导 ， MTPA 就是希望 Te ／ Is对于当前的 Is能取到最大值 。 也就是说肯 定 存 在 一 对 id 和 iq 在 满 足 2 i2d+i2 q=I s 的要求下 ， 使得 Te ／ Is 取得极大值 。 那么为了保 证在 某 个 Is 时 电 机 的 输 出 转 矩 最 大 ， 如 何 分 配 dq 轴 的
· Design Research
设计 · 研究
纯电动车中永磁同步电机的研究
丁 娟 ， 朱江源 ， 常久鹏 ， 闫 明 （潍柴动力上海研发中心电子电器所 ， 上海 201315）
摘要 ： 以纯电动车中永磁同步电机为研究对象 ， 在简化电机数学模型的基础上探讨电 机控制策略 ， 并对电机关 键参数进行计算分析 。 关键词 ： 纯电动车 ； 永磁同步电机 ； 电机控制策略 ； 电机参数计算 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1003－8639 （2016 ）01－0013－04 中图分类号 ： U463.142.1
子电阻压降所占定子电压的比重很小 ， 因此 ， 可以忽 略定子电阻压降的影响 。 则公式 （1 ） 可以简化为 ：
ud=-ωr Lqiq uq=ωr Ld id+ωr ψf
同步电机Biblioteka Baidu输出转矩表达式为 ：
（2 ）
Te=
3 p0［ψm+（Ld-Lq）id］iq 2
（3）
式中 ： p0— —— 电机极对数 。 从图 2 和公式 （3） 可知 ， 对电机转矩的控制本质 上就是对 dq 轴电流的控制 ， 而对 dq 电流控制的时候又 受到电流限制和电压限制 。 仅从电流本身而言 ， 定子 电流 Is 受 电 池 输 出 电 流 能 力 、 逆 变 器 通 过 电 流 极 限 和 电机定子承受电流极限等诸多因素限制 。 总的说来 dq 轴电流受到最大电流 Imax的制约 。
2.3 最大转矩电流比控制 （ MTPA， Maximum Torque Per Ampere ）
对永磁同步电机在低速时的控制而言 ， 国内外工 程技术人员普遍 采 用 id=0 的 矢 量 控 制 方 案 。 采 用 此 方 法时 ， 转矩公式 （3 ） 可以简化为 ：
Te=-npψmiq=-npψmIs