硕士学位论文：电动汽车永磁同步电动机控制策略研究

1、硕士学位论文：电动汽车永磁同步电动机控制策略研究 湖北工业大学 硕士学位论文 电动汽车永磁同步电动机控制策略研究 姓名：邴黎明 申请学位级别：硕士 专业：电机与电器 指导教师：李新华 20090501 湖北工业大学硕士学位论丈 摘 要 电动汽车作为人类解决能源和环境问题的汽车工业新技术，已成为国内外汽 车研发的热点。驱动电机是电动汽车中的主要部件，起着至关重要的作用。永磁 同步电动机具有高效、高功率密度以及良好的调速性能，成为电动汽车的首选驱 动电机。因此，研究永磁同步电动机计算机控制系统具有较高的理论和实际意义。 本课题以印度REVA公司电动汽车为背景，研究了电动汽车驱动用永磁同步 电动机矢

2、量控制系统。本文首先分析了永磁同步电动机矢量控制的数学模型以及 的控制策略进行了仿真，并对仿真结果进行了分析；其次，比较深入地研究了永 磁同步电动机的矢量控制策略，包括id 0控制、最大转矩电流比控制、恒磁链控 制、cos o 1控制、：弱磁控制等，并确定电动汽车处于启动、加速、爬坡等工况下 时，采用id 0控制，在高速路上或短时超车时，采用弱磁控制的策略；再次，对 永磁同步电动机起动方法、调节器设计、空间矢量脉宽调制技术 SVPwM 等做 了比较深入分析，在DSP开发环境CCS31下，采用以C语言和汇编语言混合编 程的方式编写了永磁同步电动机矢量控制算法程序，包括电机起动、SVPWM的产 生

3、、转速和位置计算、电流采样、PI调节器等系统程序；最后在软硬件设计的基 础上进行了驱动系统调试，取得了初步试验结果，为后续的研发工作奠定了良好 的基础。 关键词：电动汽车，永磁同步电动机，矢量控制，空问矢量脉宽调制，弱磁控制 湖北工业大学硕士学位论文 Abstract TheElectric isconsideredanew ofautomotive Vehicle EV ，which technology tosolvethe of and internationaland industry problemenergyenvironment，becomes national drivemot

4、or amain ofEV an focusThe being component importantpart plays ThePermanent has MagnetSynchronousMotor PMSM ，whichhighefficiency,hi曲 and thefirstchoicefortheEVdrive powerdensitygoodtimingperformance，becomes researchonthe control ofPMSMhasa theoretical motorSo，the computersystem high and practicalsign

5、ificance The ofthis iStheEVofREVA inIndiaThevector background subject company usedtodriveEVisstudiedinthe control ofPMSM system mathematicalmodelofPMSMvectorcontrolandcoordinatetransformationisanalyzed inthis simulationmodelbasedonMATLABSimulinkis the paperThe established，and control selectedis thes

6、imulationresultsare strategy simulated，and thecontrol ratio control，imum control， strategiesincluding趋 0 torquecurrent constant controlandfiled controlof control；cos magneticlinkage cp 1 weakening PMSMvectorcontrolarefurtherstudiedTheof control when id 0 strategy adopted and andfiled control whenont

7、he climbing starting，acceleration weakeningadopted and is expresswayovertakingdeterminedThirdly,thestarting VectorPulseWidth andSOonare designing，Space further control motor analyzedTheprogramincludingstarting，SVPWMgeneration， rotationand calculation，current and position sampling，proportionalintegra

8、lregulator SOonofPMSMare themethodof C and compliedusing mixinglanguageassembly under is basedonsoftwareand languageCCS31Lastly,thedrivingsystemdebugged hardware resultsare a designingThepreliminaryexperimentalobtained，whichlay foundationforthe researchand work good subsequent development Vector Key

9、words：ElectricVehicle，PermanentSynchronousMotor,VectorControl，Space Magnet PulseWidth control Modulation，filed weakening 溯业二案大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其它个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 !维论文作者签名：1郡黎明 日

10、期：2DD7年：石月Io日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：两芦黎明 指导教师签名： 同期：如听年6月10日 同期：乙1年易月e。日 丫 湖北工业大学硕士学位论文 第1章绪论 11电动汽车的发展现状 随着世界汽车产量的急剧增长，传统内燃机汽车带来的能源危机和环境污染 等问题同益严重，迫使人们不得不重新考虑未

11、来汽车的动力问题。电动汽车可以 实现零排放，因此成为当前汽车工业发展和研究的一个热点【1】。电动汽车主要分 为纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车三种类型【21。 纯电动汽车是指完全由电池提供动力的电动汽车。纯电动汽车被认为是未来 汽车工业的发展方向，世界各国目前正在大力研制和推广使用纯电动汽车。以日 本丰田公司、日本本田公司、美国蓝鸟公司为代表的电动轿车和客车已经上市， 已有数万辆电动汽车在英国使用。法国巴黎和拉罗舍尔已经建立了比较完善的纯 电动汽车充电站网设施p】。由于各种类别的电池普遍存在寿命短、价格高、充电时 间长等严重缺点，因此，纯电动汽车已一直仅限于某些特定的应用范围。

12、由于纯电动汽车长期以来都难以解决性价比的问题，难以与传统汽车竞争， 因此混合动力电动汽车得到了各大汽车公司的青睐。混合动力电动汽车按混合动 力的混合形式可分为串联式、并联式和混联式三种。混合动力电动汽车兼具纯电 动汽车效率高、排放低和传统内燃机汽车行驶罩程长、补充燃料快的优点。混合 动力电动汽车己成为当前解决节能环保问题切实可行的过渡方案。混合动力电动 上，并于2005年底在我国长春一汽进行组装生产【4】；R本本田公司开发的Insight 也已批量投放市场并有不错的销量。欧洲各大汽车厂商也相继推出了各自研制的 混合动力电动汽车。混合动力电动公交车已在美国近20个城市试验使用。 燃料电池电动汽车

13、是以燃料电池作为动力源的电动汽车。燃料电池是利用氢 气和氧气在催化剂的作用下经电化学反应产生电能的装置，只有水作为排放物， 具有无污染的优点。日本丰田公司与美国通用公司，德国BMW公司与西门子公 司分别组成研发联盟共同开发燃料电池电动汽车13】，以期达到优势互补的目的。由 于在车上存储大量压缩氢气的安全性还存在大量的技术与经济问题有待解决，因 此燃料电池的的应用还处于研发试验阶段。 在目前电池技术还未得到突破的背景下，电驱动技术作为电动汽车的核心技 术，已成为电动汽车技术的主要研究热点。电驱动技术的研究目的是提高电动汽 湖北工业大学硕士学位论文 车的驱动性能、行驶里程以及行驶可靠性等。电驱动技

14、术以驱动电机为核心，辅 以各种控制策略而展开。 12电动汽车中电动机及其控制系统的应用现状 电动汽车驱动电机的特性曲线如图11所示： 转矩 图11 电动汽车驱动电机的特性曲线 这条特性曲线分为两个区域：I区恒转矩区和II区恒功率区。电机在恒转矩区 运行时转矩保持恒定而功率随着转速的上升而线性增加；电机在恒功率区运行时 功率保持恒定而转矩随着转速的上升而呈双益线减小。当汽车起停和加减速时， 需要克服惯性阻力，对转矩要求比较高，因此电动汽车主要运行于I区中。而当汽 车车速较高，汽车行驶比较平稳时，主要用来克服行驶阻力，转矩消耗比较小， 因此电动汽车主要运行于II斟6。为了满足电动汽车的这种特性，电

15、动汽车驱动用 电机及其控制系统的要求为：在整个运行范围内具有较高的效率；有较强的过载 能力、快速的动态响应及良好的起动加速性能：调速范围宽，且低速运行时能够 提供大转矩；高可靠性、高功率密度、低成本17J。 目自订，电动汽车的驱动电机主要有直流电动机、开关磁阻电动机、异步电动 机、无刷直流电动机和永磁同步电动机 PMSM ，其中后三种应用更为广泛。 1 直流电动机 电动汽车驱动电机最早采用了直流电动机，其特点是成本低、控制简单、调 速方便。直流电动机通过脉宽调制技术改变供给直流电动机的端电压来控制电机 的转矩和转速。直流电动机的电刷和换向器限制了电机转速的进一步提高，换向 时产生的火花对电动汽

16、车控制系统所造成的干扰影响也非常大。近年来，随着电 力电子技术的迅速发展和交流电动机调速技术的逐步成熟，直流电动机在电动汽 车上的应用已越来越少，取而代之的是交流电动机。 湖北工业大学硕士学位论丈 2 开关磁阻电动机 由于开关磁阻电动机的转子上没有绕组、滑环和永磁体等，只是在定子上装 有集中绕组，因而开关磁阻电动机的结构比其它任何一种电动机都简单，具有较 高的可靠性。另外开关磁阻电动机在很宽的范围内都能够保持高效率，调速范围 宽，控制灵活。因此开关磁阻电动机比较符合电动汽车对驱动电机的要求。由于 开关磁阻电动机为双凸极结构，不可避免地存在转矩波动，导致噪声成为开关磁 阻电动机最主要的缺点【8】

17、【91。其次，由于开关磁阻电动机输出转矩波动较大，功率 变换器的直流电流波动也较大，所以在直流母线上需要放置一个很大的滤波电容。 3 异步电动机 异步电动机具有结构简单、可靠性高，控制技术相对成熟等优点。异步电动 机的控制方法主要有恒压频比控制、矢量控制和直接转矩控制等。恒压频比控制 的优点是控制方法简单，转速的改变可以通过控制电源频率实现；其缺点是动态 性能不好，在突加负载或转速给定突变时容易发生失步现象【l01。矢量控制的调速 范围宽，可以对转矩实行精确控制，从零速起对转速进行控制。直接转矩控制的 控制方法比矢量控制简单，系统动态响应速度快；但控制精度不如矢量控制高。 目前异步电动机系统在

18、电动汽车上应用存在的问题是功率密度较低，低速性能不 好，容易发热，电机参数及负载的变化对其有较大的影响。 4 无刷直流电动机 无刷直流电动机 BLDC 系统的优点是功率密度大，控制方法简单，效率高。 其缺点是换相时电流难以达到理想状况，所以会造成一定程度的转矩脉动及振动 噪声】，但对应用于对转速精度要求不高的电动汽车驱动不成问题。因此，BLDC 系统在电动汽车驱动领域得到了广泛的重视。BLDC不需要换向器和电刷，而是由 逆变器和位置检测器组成电子换相器。BLDC系统常采用PWM控制，控制系统由 31。 桥式变换器、位置传感器和方波永磁无刷直流电机等几部分组成【12】【1 5 永磁同步电动机 P

19、MSM具有控制精度高、转矩密度高、噪声低等优点。通过合理设计永磁磁 路能获得较好的弱磁性能，使得PMSM在电动汽车驱动方面具有很高的应用价值， 已受到国内外电动汽车界的高度重视，并己在日本得到了普遍应用。永磁同步电 动机被认为是最具竞争力的电动汽车驱动电机。PMSM的控制方法与异步电动机 基本相同，主要有恒压频比控制、矢量控制和直接转矩控制。 国外一些电动汽车性能参数如表11所示【14】。 湖北工业大学硕士学位论文 从表中可以看出，在同本，电动汽车驱动电机多采用永磁同步电动机，而在 欧美，则以异步电机居多。 13永磁同步电动机及其控制系统在电动汽车中应用综述 131永磁同步电动机在电动汽车中的

20、应用现状 PMSM按照转子结构的不同可以分为隐极式PMSM和凸极式PMSM。 隐极式转子结构中的永磁磁极易于被设计成能使电动机气隙磁密波形近似于 J下弦波的形状，可以显著提高电动机乃至整个传动系统的性能。这种转子结构的 4 湖北工业大学硕士学位论文 PMSM具有结构简单、制造成本低、转动惯量小、动念响应快等优点。日本本田 公司1997年研制的PLUS电动汽车就采用了这种转子结构的的驱动电机。但由于 这种磁极形状的电机功率密度低，弱磁调速范围小，所以与其他转子结构电机相 比，在电动汽车驱动方面没有优势。 凸极式PMSM可以充分利用转子磁路不对称性所产生的磁阻转矩，在励磁转 矩的基础上叠加磁阻转矩

21、，可以实现弱磁调速，扩大恒功率运行范围，并驱动电 机的功率密度。因此目前应用于电动汽车驱动的PMSM转子结构以凸极式为主。 按照永磁体在转子上位置的不同可以分为插入式PMSM和内装式PMSM。日本丰 田公司mw4电动汽车的驱动电机和本田公司PLUS电动汽车的第二代驱动电机都 采用可插入式PMSM。插入式PMSM的缺点是电机漏磁系数和制造成本都较大。 内置式转子结构又可以分为径向式、切向式和混合式，目前国内外电动汽车驱动 电机多采用径向式结构。日本丰田公司的P订us混合动力电动汽车中的驱动电机就 采用了内置径向式转子结构PMSM16l。近几年，日本电机工程研究实验室与其他 公司合作又推出采用双层

22、永磁体的内置式PMSM，这种转子机构提高了电机的交 轴电感 17】，使电机转矩增加10以上；最大效率区增加达到10，电机最大峰值 效率最高可达97【18】1191。 由于PMSM的性能优良，所以受到世界各国汽车公司的青睐。日本汽车公司 研制的电动汽车的驱动电机以PMSM为主，除丰田和本田两大汽车公司外，同本 的其他汽车公司也都采用弱磁控制的PMSM，提高了电机的最高转速【20】。在美国， 异步电动机的设计及其控制策略的研究较为成熟，因此电动汽车的驱动电机以异 步电动机为主。但近几年美国也对PMSM在电动汽车上的应用进行了研究，而且 成果卓著。SatCon公司研制的PMSM定子采用双绕组结构，这

23、种结构可以降低电 机绕组电流、提高系统的效率。欧洲各国对PMSM也进行了大量的研究并已在电 动汽车上得到了应用。德国奥迪第三代混合动力电动汽车的驱动电机就采用了 研制了用于4象限运行的新型混合动力电动汽车用永磁同步电动机【2引。 132永磁同步电动机控制系统在电动汽车中的应用现状 标变换控制”和德国西门子公司FBlaschke等提出的“异步电机磁场定向的控制原 理”奠定了矢量控制的理论基础【231。在经过许多学者和工程技术人员的不断完善 改进之后，形成已普遍应用的矢量控制变频调速理论。矢量控制的基本思想是： 在同步旋转坐标系中，把定子电流矢量分解为两个分量：一个分量与转子磁链矢 湖北5-业大学

24、硕士学位论文 量垂直，产生转矩，称为转矩电流分量打；另一个分量与转子磁链矢量重合，产 生磁通，称为励磁电流分量iM。通过控制fM和fT的大小即可实现交流电动机磁场 4|。 和转矩的完全解耦控制【2 后发展起来的又一种高性能交流变频调速技术【”】。直接转矩控制将检测到的定子 电压和电流，在定子坐标系下计算电动机的磁链和转矩，将反馈值与给定值的差 值通过砰砰控制选择电压矢量的状态，对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获 得转矩的高动态性能。因此直接转矩控制抛弃了矢量控制中解耦的思想，克服了 矢量控制中的复杂计算，控制性能受转子参数变化影响较大等缺点，它的控制系 统结构简单，转矩响应快，控制性能优良。

25、 PMSM矢量控制系统和直接转矩控制系统都是基于电动机动态数学模型设计 的。从系统结构看，两者都对磁链和转速分别进行控制，在转速环内设置转矩坏， 用以抑制磁链变化对转速的影响，从而实现了磁链和转矩的解耦控制【261。因此， 两种控制系统的基本结构是相同的，理论基础是相通的，并且都能获得较高的动 静态性能。 但是，由于两者的控制方案又有所区别，因此控制性能上又各有特点。矢量 控制在每个电流采样周期内都改变一次电压矢量的输出状态，所以逆变器的开关 频率固定且可以较高，定子磁链轨迹逼近圆形，电流波形正弦，转矩脉动较小； 而直接转矩控制不是每个采样周期都改变逆变器的开关状态，逆变器的丌关频率 不固定，

26、定子磁链轨迹为正六边形，电流波形正弦性差、畸变率高，导致转矩脉 动较大。矢量控制系统存在电流环，可以对定子电流进行实时控制，在电机起动 时，用最大电流来产生电磁转矩，可以缩短电机的起动时间；直接转矩控制系统 没有电流环，在突加和突减负载时，将产生很大的冲击电流，尤其是电机起动时， 由于电机的反电动势为零，回路电感很小，因此只要逆变器输出一个电压矢量， 电机电枢回路就会产生很大的冲击电流。 比较看来，矢量控制技术更为成熟，并在PMSM中得到广泛的应用，而直接 转矩控制技术在PMSM低速性能、转矩脉动、电机起动等方面表现出来的问题有 待于进一步解决。 14永磁同步电动机的无位置传感器控制 高性能的

27、PMSM传动系统一般需要在转子轴上安装位置传感器，用于提供控 制系统所需的转子位嚣信号，但位置传感器也给传动系统带来一系列问题：首先， 6 湖北工业大学硕士学位论文 传感器增加了PMSM的转动惯量；其次，某些环境较恶劣的场合限制了位置传感 器的应用；最后，传感器及其辅助电路增加了控制系统的成本。为了克服上述这 些问题，无传感PMSM驱动系统成为当前的一个研究热点。 适用于PMSM转子速度和位置检测方法有状态观测器法、模型参考自适应法、 高频信号注入法和人工智能估算法等。根据PMSM运行在零速和极低速时转子位 置自检测方法的估算效果，可以把所有的无位置传感器控制方法分为两大类：不 适用于零速或极

28、低速的方法和适用于零速或极低速的方法。 那些依赖PMSM数学模型中与转速有关的量进行转子位置和速度估算的方法 都不适用于零速或极低速。因为电动机运行在零速和极低速时，有用信号的信噪 比很低，通常难以提取。另外，这类方法依赖PMSM的数学模型，不可避免地受 到电动机参数的影响，因此应用中常常需要结合电动机参数的在线辨识。所以这 类方法主要适用于中、高速调速传动系统。 基于状态观测器的估算方法需要用到PMSM的数学模型，此类方法会受到电 机参数变化的影响，而且存在稳定性问题。如全阶状态观测器在PMSM高速和低 速时必须采用不同的增益矩阵以满足系统的全局稳定条件，而且为了克服PMSM 参数变化对观测

29、器的影响，需要另外设计?个观测器来估计PMSM的参数，这样 使得估计算法非常复杂【27】；扩展卡尔曼滤波器需要许多随机误差的统计参数并需 要对矩阵求逆运算，也存在算法复杂、计算量大的问题；滑模观测器把控制回路 修改成滑模变结构的形式，不连续的开关控制会给电动机带来比较大的转矩脉动， 观测器本身就不利于电动机低速下的控制【281。模型参考自适应方法是基于稳定性 设计的参数辨识方法，存在白适应律的合理选择问题，如何替代广泛使用的PI自 适应律，在提高收敛速度的同时保证系统的稳定性和对参数的鲁棒性都还需要深 入研究【291。上述几种无位置传感器控制方法都有一定的局限性，不作特殊处理， 难以在低速和零

30、速下应用。 适用于零速或极低速的方法能够实现电动机全速范围的转子位置和速度检 测。这类方法具有三个基本特征：利用电动机的凸极效应、注入高频激励信号和 需要高带宽的噪声过滤器。 凸极式PMSM的凸极率较高，而隐极式PMSM的凸极效应很不明显，因此适 用于零速或极低速的方法多应用于凸极式PMSM。然而，电机具有显著的凸极效 应只是这类控制方法成功的条件之一，如果电机存在多凸极效应，会对转子位置 的检测造成非常大的影响。利用PMSM的凸极效应检测转子位置，本质上相当于 提取PMSM定子电感中的转子位置信息，多凸极的耦合将会使电感中增加偶次谐 波成分。而建立的PMSM数学模型通常都忽略了这些偶次谐波成

31、分，所以会造成 湖北工业大学硕士学位论文 转子位置估计错误。由于磁路非线性以及制造工艺方面的问题，导致实际中多凸 极效应十分普遍。因此，需要对电机本体进行优化设计，尽量把附加凸极的幅值 压到最低甚至避免附加凸极的出现。 适用于零速或极低速方法的另一个基本特征是需要注入高频激励信号。这样 使得电动机运行在任何工况下都不受信噪比影响，均可通过跟踪凸极的办法找到 转子位置并估算转子速度。需要注意的是，选择的高频信号幅值必须对电动机功 率转换影响最小，也不能对环境产生很大的电磁噪声污染；选择的高频信号频率 也不能过高，否则增强了绕组的集肤效应，影响电动机的参数【301。 高频信号响应是高频注入信号被P

32、MSM的凸极调制的结果【311。为了获得高频 注入信号响应中的转子位置信息，必须设计能够滤除无用信息的滤波器和转子位 置观测器，这是适用于零速或极低速方法的第三个特征。 从上述的各种无位置传感器控制方法可以看出，要实现PMSM真正意义上全 速范围的无位置传感器控制，必须深入研究适用于零速或极低速的方法。该方法 需要深入研究的实际问题主要包括：如何使PMSM具有比较明显的凸极特性；如 何提高凸极识别的精度，提取有用信号，滤除干扰信号；如何优化设计跟踪观测 器。只有解决了这些实际问题，才能使PMSM无位置传感器控制在全速范围内都 有接近闭环控制的性能，从而开发出低成本、高性能的产品。 15课题研究

33、内容和论文安排 151本文研究内容 驱动电机及其控制技术是电动汽车核一15技术之一。本课题以REVA公司小型 电动汽车为对象，对其电机驱动系统进行研究与设计，主要研究内容包括： 1 电动汽车驱动电机及其控制方式的选择。 2 电动汽车驱动电机的数学模型分析及控制策略研究。 3 电动汽车电机驱动系统的硬件电路设计与调试。 4 电动汽车驱动控制软件设计与调试。 152论文安排 第一章主要介绍电动汽车的发展现状和前景，阐述了电动汽车驱动电机特点 及其控制策略，着重介绍永磁同步电动机及其控制系统在电动汽车中的应用现状。 第二章分析永磁同步电动机的数学模型，介绍永磁同步电动机在横转矩区和 恒功率区的不同控

34、制策略，并选择本系统相应的控制策略。 湖北工业大学硕士学位论文 第三章对系统的整体结构进行说明，简要概述永磁同步电动机驱动系统的硬 件设计。着重介绍系统的软件实现方法，给出关键软件流程图。 第四章给出系统的仿真模型、仿真结果以及试验调试结果，并对结果进行分 析。 最后对论文的研究工作进行总结，并指出有待进一步研究的工作点。 9 湖北工业大学硕士学位论文 第2章永磁同步电动机矢量控制基础及其控制策略 21永磁同步电动机矢量控制理论 211电动机的转矩控制 电力拖动系统的运动方程式 乙一正 罢?鲁 2-1 式中，为电磁转矩；孔为负载转矩；tl为电机转速；GD2为电机和负载的飞轮 矩。 从式 21

35、可以看出，转矩的控制是电动机调速的关键。如果能快速准确地 控制转矩，使得传动系统在负载扰动时获得较小的动态速降和较短的恢复时间， 那么；调速系统就具有较高的动态性能。 对于他励直流电动机而言，电磁转矩公式： 乙 CrcllI。 2?2 式中，G为转矩常数；痧为气隙磁通；厶为电枢电流。 当励磁电流矗不变，即西不变时，转矩与电枢电流厶成正比。由于直流电动 机电磁转矩中的两个可控量斥和厶是相互独立的，当电流厶变化时，转矩可以快 速响应，所以他励直流电动机具有良好的动态控制性能。 对于交流电动机，由于定子侧的各物理量，如电压、电流、电动势、磁动势 等都是交流量，其空fBJ矢量以同步转速旋转，调节、控制

36、和计算均不方便。因此 如何将这些旋转空间矢量转换成静止空间矢量，就成了交流电动机控制的关键问 题。为了实现这一目标，可以借助坐标变换将各物理量从静止坐标系转换到同步 旋转坐标系，从同步旋转坐标系观察，电动机的各空间矢量就都变成了静止矢量。 212 PMSM坐标变换 -卡171永磁同步电动机 PMSM 是由电励磁式同步电动机发展而来的，它用永 磁体代替了电励磁，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，而定子与电磁式同步电 动机基本相同。按永磁体在转子上的安装形式分类，永磁同步电动机可以分为面 装式、插入式和内装式，永磁同步电动机转子结构如图21所示。 lO 湖北工业大学硕士学位论文 b 图21 永磁同步

37、电动机转子结构 a 面装式 b 插入式 c 内装式 对于PMSM来说，定义0【p坐标系的a轴与定子A相绕组轴线重合，p轴逆时 针超日订仅轴900空I日J电角度，由于A相绕组轴线是固定的，则Ct轴也是固定的，故 仅p举标系为静止坐标系。同时定义在空间随转子以电角速度CO，一起旋转的dq坐 标系，其中d轴与转子磁极轴线重合，q轴逆时针超前d轴90。空间电角度，d轴 与a轴的夹角为0，dq坐标系为旋转坐标系。ap坐标系和dq坐标系如图22所示。 PMSM矢量控制的基本思想是通过坐标变换，将静止坐标系中定子电流空间 矢量f；分解为dq旋转坐标系中的两个分量励磁电流分量fd和与之垂直的转矩 电流分量fq

38、，在调速过程中，通过调节fd和iq的大小，即可获得较好的动态性能。 坐标变换的基本原则是在不同坐标系下产生相同的磁动势。PMSM的三相定 子绕组中通入三相对称电流fA、fB、fC时，产生的合成磁动势为以同步转速CO，旋 转的圆形旋转磁动势。坐标变换的目的就是要确定iA、ia、赶和小fB以及妇、fq 之间的等效关系，使得ia、fB在ap静止坐标系和fd、岛在dq旋转坐标系下产生的 磁动势，与以、哦记在ABC静止坐标系下产生的磁动势相同。 湖北工业大学硕士学位论文 图220【B坐标系和dq坐标系 在三相ABC坐标系中，定子电流表示如下 0 COS i一 im 2万 2 COS 23 ： tB zm

39、 j 2万 2 COS + ZC Zm 3 采用Clark变换，将三相静止ABC坐标系下的电流转换到c【p静止坐标系下， 表达式如下 1 一! 一1 2 2 阡； o鱼一鱼 24 2 2 再将邮静止坐标系下的电流转换到dq旋转坐标系下，得 窆 。一csoisn0口cs。ins0口j。，ip口 c25， 这样，dq坐标系下的电流矢量就和PMSM转子同步旋转，在转子上观察，电 流矢量就是静止的。其中，id y-,j励磁分量，iq为转矩分量，且fd和fq相互独立且正 交，因此二者之间没有耦合。 由于ia、fp、id和fq并不是实际存在的，因此在进行控制时，需要将这些量变 还到ABC静止坐标系下，Park反变换和Clark反变换表达式如下 12 湖北工业大学硕士学位论文 川c咖ost9-si叫ntghid 泣6， 弦7， 口 23 C L 1