混合动力电动汽车用永磁无刷直流电机设计与实现文.

1、混合动力电动汽车用永磁无刷直流电机的设计与实现讲演人方洁图3 控制系统组成原理图电流检测主禅板（1SP） （职或电路 （轴助，保护）v? n n vs H LLUIJA 已研制的混合动力电动 汽车用稀土永磁无刷直流电 机的控制系统为水冷结构形 式，采用模块化设计的数V 控制技术，具有体积小、输 出功率人，集电动控制、发 电控制、制动控制于一体的 特点，该控制系统的基本组 成原理如图3所示。2013-3-2682.3控制系统组成永磁电机本体的定子为 三相绕组星形连接，控制系 统由功率4电路和4” K板构 成,功率主电路是由IGBT大 功率模块构成三相逆变桥， 主控板是由电机控制专用的 DSP 芯

2、片 TMS320F240及辅 助电路和驱动电路等组成， 接收上位机的信号，由该控信 系统完成电动控制，发电控制 及制动控制等功能。2013-3-263电机本体设计分析 3.1结构优化设计图4优化设计基木框图本文以有限元法为基础，采用场路结合的优化设计方法，进行多 方案的计算比较和优化选择。其优化设计基本框图如图4所示。2013-3-26113.1结构优化设计具体是以电机有关儿何尺寸为设计变帚:，以电机有关电磁参帚:和性 能指标为函数约束，以电机的输出功率、效率、体积等为冃标函数， 进行准多目标优化设计,使得电机在可行域内,输出功率尽可能的 人，效率尽可能的高,而体积却尽可能的小c利用己有的优化

3、设计程 序，对该电机进行可行方案的寻优计算。图4优化设计基本框图2013-3-26112013-3-263.2电路分析数学模型假设电机三札1绕组完全对称，II. 认为感应电势的气隙磁场波形为 大-F1?O平顶卅府的梯形汕.则电机绕组的自感和互感可认为,k X常数，该电机答效电路町描述为如图5所示，R为和电阻，LM 为一相绕组等效电感,%、Cb、ec 分别为A、B、C相绕组反电势， 収、曲、Uc分别为A、B、C相 绕组端电压。n亠C - r tm- ic R 图5L-M电机等效电路3.2电路分析数学模型该电机等效电路的电压T：衡方程式可衣示为E A +( L M 雪 + s 心=f/b + (L

4、-M)学 + 勺 dzHtRic 4 (L M)+ 匕（1）且沐+订+论=0(2)电磁转矩为(3式中3为转子机械饬速度。132013-3-264控制系统设计分析 4.1电动运行控制在电动运行状态时，采用两相导通六状态的控制方式，任一时刻只有两只功率开关管导通,分别屈丁上半桥和下半桥,但不处丁同 桥恃，在调速控制时，只有下半桥功率开关管工作丁PWM状态。电动运行控制信号波形如图6所示。图6 电动运行控制侑号波形2013-3-26154.1电动运行控制以VI和V6导通的磁状态为例，工作回路为蓄电池正极V1A和 绕组一B相绕组V6-語电池负极。、”|忽略导通管的丿k降，结合图3 和图5町将该磁状态的

5、电动运行等效电路描述为如图7所示。2013-3-2616152013-3-264.1电动运行控制结合式可得该回路的电爪方程为u 心=(L M)务仃、一几)+ R(i 一八)+“ 一(4)令i=iA=-iB； Ud=uA-uB, 为电池电丿从eA-eB=2E, E为梯形波气隙磁场 波形平顶人丁 120。时的和电势。则回路电流为：1儿一2E2R式中：io =4.1电动运行控制电机的电磁转矩为T _ (匕仏+讥)=2EIU)0)(6)2013-3-2619|上位机u主控板DSP） （岷动电路 （细助/保护）对V6进行PWM控制，就町拎制电流的平均值，从而控制平均电 磁转矩。这里分析了60电角度的-个

6、磁状态，对于其他五个磁状态 可同理分析。2013-3-264.2发电运行控制在发电运行状态时，利 用上控板的控制信号将功率 主电路I:半桥的功率管VI、 V3. V5全关闭，而下半桥的 功率管V2、V4、V6分别按一 定规律进行PWM控制，这样, 因上半桥续流极管的存在， 其等效电路似同一个半控整 流电路。另外，因混合电动 汽车的电源是蓄电池，电机 在进入发电工作时，其发电 电压必须高于蒂电池电压图3 控制系统组成原理图 4.2发电运行控制才能输出电功率，所以发电运行的控制方法是采川半控整流的PWM升 压匸作原理，但是,在设计电机时应考虑到最高转速的发电输出电压 不人于蓄电池的额定电压Up则低

7、转速时的发电运行是让下半桥的功率管V2. V4、V6按规律作PWM 匚作产生泵升电压，当泵升电压 嵩丁蓄电池的端电压时就输出电 能，这过程全部111主控板控制。 发电运行控制倍弓波形如图8所示r2013-3-260 Mc 12U3 lW24(f图8发电运行控M侑号波形194.2发电运行控制(a)锂口山时间段X导通为了分析问题方便，选择与电动运行VI. V6导通刈W的磁状态位 置，在发电运行时并不是VI. V6导通，而是V4导通，且脉宽调制匚 作，取PWM的个脉冲周期T进行分析。设导通时间为,则截止时间 为结合图3和图5,当忽略V4. DI、D6的管压降时，V4在PWM 脉冲周期T内导通和截止的

8、等效电路如图9所示。图9 发电运行等效电路204.2发电运行控制在0山时间段V4导通，如图9(a)所示，此时属电机电感储磁场能 量的过程。由式,令uA-uB=O, i=-iA=iB,得回路电压方程为2 y4-2K/ (eA = 0(7)存储于电机电感2(L-M)的磁场能量为,ptWL =iu L d/ = (eA eb 2Ri)t(lf (8)：)o和 (t) ftlO.cJ时间段匕导通 2013-3-26214.2发电运行控制ffitpT时间段V4截|上，如图9(b)所示，为续流作用向蓄电池充 电，此时属电机电感释放磁场能战的过程。山式(1),令uA-uB=Ud, 5为涪电池端电爪，i=-i

9、A=iB,得回路电爪力程为Ut =-2(L-Af) 41 - 2Rz +(eUd,当然在丄控板中以闭环控制的方式自动调整PWM的占空 比a,满足Uar电压不超过蓄电池允许的最高充电电压，并满足发电电 流不超过蒂电池允许的最大充电电流。252013-3-264.3制动控制在制动状态时,其控制方法与发电运行时一样,不过这时候的发 动机不匸作，而是将乍辆的惯件动能转化为电能，通过电机电感的升 压作用，向蓄电池冋馈能量，此时由于电机电流方向与电动运行时相 反，故获得制动性质的电磁转矩，实现汽车的能屋回馈电气制动。这 种制动方式的平均制动强度与电机电流的平均值成正比，它可能达到 的瑕人制动强度与丰功率电路的限流值及乍速成正比。2013-3-26265实验结果对已研制的混合动力电动轿车用稀土永磁无刷苴流电机样机进行 了调试试验，其实测结果如卜： 额定电爪：336V 电动/发电功率：23kW/5kW 电机重虽比功率：1.38kW/kg 电机最高转速：5000r/min 系统故高效率：89% （电机和控制器） 电机重量：16.7kg 控制器重量：6.8kg （水冷）272013-3-266总结通过试验验证，