电动汽车用永磁同步电机控制策略研究

1、PAGE i摘要资源枯竭和能源短缺随着汽车工业的发展而出现了比较突出的问题，世界各国不得不花费巨大资金去研究新措施去解决汽车工业所带来的种种难题。从技术来讲，开发与利用新能源汽车是工业领域上可行的措施之一。而永磁同步电机具有高效节能、功率因数高；结构简单；调速精度高；效率曲线平直等特点，加上我国稀土资源开发甚优，电动车的永磁同步电机驱动系统应用更为广阔。所以性能高的电机控制系统的最优策略研究是非常重要的。本文首先分析了电动汽车用永磁同步电机研究的原理以及矢量知识，其中讲述了永磁同步电机的机械特性和磁场分析等。然后对永磁同步电机提出几种优化控制策略，并做出仿真系统图。最后介绍了永磁同步电机的设计

2、方案与测试。关键词：电动车；永磁同步电机；控制策略；研究Abstract The depletion of resources and energy shortage with the development of automobile industry and the appear of a more prominent problem. Countries all over the world have to spend huge money to study new measures to solve the problems caused by the automobile indus

3、try from a technical perspective, evolution and utilization of new vitality vehicle is one of the feasible of industry field. The permanent magnet synchronous motor with high efficient, work in well speed; constructing a simple; speed is very fast ; efficiency curve and other features of straight, r

4、are earth resources in our country is very excellent . the permanent magnet synchronous motor electric drive system application have good benefit. So the optimal strategies for motor control system with high performance is very important. This paper firstly studies the electric vehicle permanent mag

5、net synchronous motor and the theory analysis, which describes the permanent magnet synchronous motor mechanical properties and magnetic field analysis. Then the permanent magnet synchronous motor and to explain several optimization control strategy and make the simulation system. Finally introduces

6、 the design and experiment of permanent magnet synchronous motor.Keywords ： electric vehicles; permanent magnet synchronous motor; control strategy; study目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc387836477 摘要 PAGEREF _Toc387836477 h i HYPERLINK l _Toc387836478 Abstract PAGEREF _Toc387836478 h ii HYPERLINK

7、l _Toc387836479 1 绪论 PAGEREF _Toc387836479 h 1 HYPERLINK l _Toc387836480 1.1 课题背景及研究的目的和意义 PAGEREF _Toc387836480 h 1 HYPERLINK l _Toc387836481 1.2 国内外研究概况及其发展 PAGEREF _Toc387836481 h 1 HYPERLINK l _Toc387836482 1.2.1电动汽车概述 PAGEREF _Toc387836482 h 1 HYPERLINK l _Toc387836483 1.2.2电动汽车的发展现状 PAGEREF _T

8、oc387836483 h 1 HYPERLINK l _Toc387836484 1.3电动汽车用永磁同步电动机的应用与研究 PAGEREF _Toc387836484 h 2 HYPERLINK l _Toc387836485 1.4本章小结 PAGEREF _Toc387836485 h 3 HYPERLINK l _Toc387836486 2 电动汽车用永磁同步电机研究的原理及矢量分析 PAGEREF _Toc387836486 h 4 HYPERLINK l _Toc387836487 2.1永磁同步电机的构造和机械特性 PAGEREF _Toc387836487 h 4 HYPE

9、RLINK l _Toc387836488 2.1.1永磁同步电动机的结构 PAGEREF _Toc387836488 h 4 HYPERLINK l _Toc387836489 2.1.2永磁同步电机的机械特性 PAGEREF _Toc387836489 h 5 HYPERLINK l _Toc387836490 2.2永磁同步电机的原理与磁场分析 PAGEREF _Toc387836490 h 5 HYPERLINK l _Toc387836491 2.2.1永磁同步电机的原理 PAGEREF _Toc387836491 h 5 HYPERLINK l _Toc387836492 2.2.

10、2永磁同步电机与磁场的关系 PAGEREF _Toc387836492 h 5 HYPERLINK l _Toc387836493 2.3永磁同步电机的数学模型 PAGEREF _Toc387836493 h 6 HYPERLINK l _Toc387836494 2.4 永磁同步电机的矢量分析 PAGEREF _Toc387836494 h 7 HYPERLINK l _Toc387836495 2.4.1 矢量坐标变换原理 PAGEREF _Toc387836495 h 7 HYPERLINK l _Toc387836496 2.5本章小结 PAGEREF _Toc387836496 h

11、8 HYPERLINK l _Toc387836497 第3章 永磁同步电机优化控制策略及仿真 PAGEREF _Toc387836497 h 9 HYPERLINK l _Toc387836498 3.2 定子电流的优化控制策略 PAGEREF _Toc387836498 h 10 HYPERLINK l _Toc387836499 3.2.1 恒转矩区电流控制方法 PAGEREF _Toc387836499 h 10 HYPERLINK l _Toc387836500 3.3 SVPWM 算法 PAGEREF _Toc387836500 h 13 HYPERLINK l _Toc38783

12、6501 3.31导通模式原理 PAGEREF _Toc387836501 h 13 HYPERLINK l _Toc387836502 3.3.2.算法的实现 PAGEREF _Toc387836502 h 14 HYPERLINK l _Toc387836503 3.4 仿真与结果分析 PAGEREF _Toc387836503 h 14 HYPERLINK l _Toc387836504 3.5 本章小结 PAGEREF _Toc387836504 h 15 HYPERLINK l _Toc387836505 4 永磁同步电机的设计方案与测试 PAGEREF _Toc387836505

13、h 16 HYPERLINK l _Toc387836506 4.1永磁同步电机的电磁设计 PAGEREF _Toc387836506 h 16 HYPERLINK l _Toc387836507 4.1.1定子绕组的设计 PAGEREF _Toc387836507 h 16 HYPERLINK l _Toc387836508 4.1.2转子绕组的设计 PAGEREF _Toc387836508 h 16 HYPERLINK l _Toc387836509 4.1.3永磁体的设计 PAGEREF _Toc387836509 h 16 HYPERLINK l _Toc387836510 4.2永

14、磁同步电机矢量控制设计 PAGEREF _Toc387836510 h 16 HYPERLINK l _Toc387836511 4.3永磁同步电机电流环设计 PAGEREF _Toc387836511 h 17 HYPERLINK l _Toc387836512 4.4永磁同步电动机的测试 PAGEREF _Toc387836512 h 18 HYPERLINK l _Toc387836513 4.5本章小结 PAGEREF _Toc387836513 h 18 HYPERLINK l _Toc387836514 5结束语 PAGEREF _Toc387836514 h 20 HYPERLI

15、NK l _Toc387836515 5.1总结 PAGEREF _Toc387836515 h 20 HYPERLINK l _Toc387836516 5.2展望 PAGEREF _Toc387836516 h 20 HYPERLINK l _Toc387836517 参考文献 PAGEREF _Toc387836517 h 21 HYPERLINK l _Toc387836518 致谢 PAGEREF _Toc387836518 h 22PAGE 201 绪论 1.1 课题背景及研究的目的和意义19世纪80年代世界上第一辆电动车辆在法国的世界展览会上诞生，留给了世人万受瞩目的眼光。之后英

16、国也相继研制出了一辆电动三轮车，为此欧美国家兴起了大力发展电动车辆的高潮。汽车的发展已成为了人类社会现代化程度的一个标志。电动汽车是一个国家或地区里不可缺少的交通工具，对社会的发展有着不可替代的作用。汽车的产业特征是规模效益显著、技术与资金密不可分以及产业发展大等。它在发展自身产业的同时也牵动了其它行业的经济发展。因此，电动汽车产业的发展一直是各国政府十分关注的焦点。在汽车行业迅猛的发展下同时给社会带来了不少负面影响,如:环境污染、能源短缺、交通堵塞等等，这都会给社会的安定以及公众的健康带来严重的危害。我国在汽车工业所面临的挑战也是十分严峻的，石油资源日益短缺，开采量也会慢慢减少，所以在电动汽

17、车行业里采用先进技术研究、节能环保和利用可再生能源等措施是行之有效的。1.2 国内外研究概况及其发展1.2.1电动汽车概述电动汽车是一种用电能驱动电动机发生运转而提供动力能源的汽车。电动汽车有燃料电池汽车(FCEV) 、纯电动汽车（PEV）、和混合动力电动汽车(HEV)三类，目前市场上开发的燃料电池电动汽车基本上带有超级容量电容器辅助能源装置来加以稳固电动汽车的制动能量。电动汽车系统构造有三大部分：一部分为电力驱动系统，它的作用就是一种能量的转换，可以给电动汽车用来加速或者制动。电力驱动样式繁多，其中的机械驱动价格低，效率也低。而多电机系统尺寸精准，效益好；一部分为辅助子系统，功能是稳定汽车的

18、转向，来辅助动力源，给汽车驾驶员带来舒适。另一部分是电源子系统，也可以进行能量转换，这种转换与驱动系统的转换相反，这是汽车电源的一切来源。汽车在行驶过程中由蓄电池经过功率转换器向电动机供电。1.2.2电动汽车的发展现状在19世纪后期电动汽车就开始问世，但随着能源危机的不断加深，世上可用的石油资源也越来越少用了，在加上全球气温上升和大气污染等状况，世界各国政府已经意识到将来汽车产业的主要技术发展方向就是减少环境污染和节约能源。各国汽车企业将大力发展电动汽车行业，并与燃油汽车竞争发展而取代。在欧美国家或地区得到本国政府的大力支持，投入了大量的科研资金维持了电动车行业现代化技术的发展。如英、德、美等

19、国政府具有各种高深制造术和丰盛的开发资源，研制出各种各样的电动汽车，并加以研究，改善了电动汽车的部分问题。美国在2000年推出Precept概念车，百公里耗油量为3L，是世界上第一辆到达标准的汽车。奥巴马上台后，美国政府改变了汽车产业的发展方向，逐渐减少以前的燃料电池汽车的生产，加大力度研究纯电动汽车和充电式混合动力汽车的发展方向，开发生产量也在快速增加。德国在20世纪70年代就创建了城市电动车研究中心，用于开发电动车行业的新资源和新方向，在2009年独立研发出了一款创新混合动力概念车-奥迪Metroprojectquatto，峰值速度可达201 Km/h。法国雷诺在2012年采用了雷诺全新系

20、统的纯电动车，行驶里程可达210Km/h。我国的汽车发展时间相对较短，在燃料电池汽车工业上要落后汽车产业大国将近二三十年，但对于电动汽车研究发展方面我国与不少国家的技术水平和产业程度已经接近，这对我国政府来说，电动汽车行业是我国发展的一个重要机遇。我国在江泽民主席提出现代化建设发展新方向上，不少科研学士也致力于研究和开发电动汽车行业的工作，取得了发展的新趋势。2006年国家科研部相关电动车行业技术人员致力于研究新能源汽车的一些重大项目，随后几年里取得了重要性的突破，在电动车整车以及一些零件方面上达到几百项国内外专利。到2013年，国内电动车行业的发展不仅在产量上快速发展，在质量上也有实质性的突

21、破。如“御捷马”电动车也开始进入欧洲市场，销量也在突飞猛进。1.3电动汽车用永磁同步电动机的应用与研究永磁同步电动机控制是电动汽车的核心内容，对电机控制的研究对电动车的发展有巨大的意义。在电机的实际生产过程中,各类车量对驱动电机的要求都有明显的区别,不同的电机决定了电动汽车的各种性能。对于永磁同步电机的研究不断地采用新技术，开发效能持久的电机驱动系统。 当前世界所要解决的问题是能源问题。随着石油的产量越来越少，原油的价格不断攀升，节约能源的问题必须要解决。电机作为各行业大范围使用的电气设备，运行时间长，是节能的一个重点。我国作为一个稀土大国，稀土开发产量在世界排到第一位，我国开发的稀土永磁电动

22、机可达到目前世界上最高效率电动机的效率水平，比很多国家研究的电动机有明显的的节能效果。1.4本章小结 本章主要内容一开始介绍了课题的背景、研究的目的与意义。其次概述了电动汽车的定义及其研究与发展，介绍出我国与世界各国在研究电动汽车这块区域的差别与优势。最后讲了永磁同步电机研究在电动汽车运用中的重要性。2 电动汽车用永磁同步电机研究的原理及矢量分析2.1永磁同步电机的构造和机械特性2.1.1永磁同步电动机的结构永磁同步电机的主要构成部件：一个为定子，另一个为转子，在定子和转子中间还有一个比较小的空气隙。定子有比较充足的硬度和韧度，可以减少电动机运转时产生的铁耗。转子装有永磁材料，由叠片压制而成，

23、材料有硅钢片、铜导条和铝等。按照电动机转子上永磁材料的安装方式分类，永磁同步电动机的结构有表面式和内置式两种。下图2-1是转子磁路的两种表面式结构图： A) B)图2-1是转子磁路的两种表面式结构式 A) 突出式 B) 插入式转子磁路的三种内置式结构形式，如图2-2所表示： A) B) C）图2-2 内置式转子磁路结构的三种不同形式A) 混合式 B) 径向式 C）切向式2.1.2永磁同步电机的机械特性由于电动机效率对汽车的经济性有着十分重要的意义和影响，永磁同步电动机的等效率特性曲线就成为了汽车设计和控制的重要依据。其特点就是永磁同步电动机的最大转矩和最大功率随着转速的变化而相应变化，依据是无

24、等功率部分。因此永磁同步电动机在维持平缓的速率以及低转距运行时可以达到最优效益。2.2永磁同步电机的原理与磁场分析2.2.1永磁同步电机的原理 电动机在不运行时，由定子三相绕组供给三相对称电压，使电压作用于相对转子上的转子绕组内激发多相对称电流，进而出现转子旋转磁场。定子与转子的旋转磁场的转向、转速相同，共同作用就产生了转矩，加快了转子的速度。当电动机的转速n与定子旋转磁场的转速不一样时，就会有磁场切割产生，并在转子绕组中产生感应电动势，其频率f为，所以转子与定子的磁动势是一样的，都为同步转速。2.2.2永磁同步电机与磁场的关系永磁同步电动机在正常运行时，存在两种磁场：空载磁场和电枢反应磁场。

25、在空载磁场中永磁同步电机有一个相同的速度运行，加上电枢电流比较小，可知道电动机内有永磁体。当转子用同步转速运行时，在永磁同步电机中就会产生旋转磁场，得到气隙密度幅值为： 气隙磁通为： 在电枢反应磁场中，气隙磁场发生的变化比空载磁场要更为复杂，所以只考虑基波分量的变化。电枢反应在永磁同步电机中可以起到去磁、交磁的作用，还会在空间发生一些变化，其中电枢绕组的电流和电动势的方向是相反的，当主磁受力时，会形成一个电磁转矩。电枢反应的磁动势为;2.3永磁同步电机的数学模型永磁同步电动机的数学模型理论是在 d-q坐标系中进行的。其中的电压、电流以及磁链等变量的解耦而得到各分解的变量。永磁同步电动机的电磁转

26、矩有两种形式，一种形式是永磁转矩，另一种形式是磁阻转矩。这种电磁转矩控制是一种d 、q 轴之间的电流控制。 永磁同步电动机的定子是三相绕组，在数学建模中有以下要求：a)定子中电枢绕组会有感应电动势产生，而且是一个正弦波，转子在气隙空间也是如此。b)转子的阻尼绕组可以忽略不计。c)定子的磁路线性，电感参数不变。d) 铁心涡流损耗与磁滞损耗可以忽略不算。由于a-b-c 坐标系下的数学模型是一个非线性的变量系统，因此同步电机在三相静止坐标下的磁链方程为:其中有：、三相绕组的磁链; 、 每相绕组自感、 每相绕组互感;、三相绕组匝链的转子每极永磁磁链;A、B、C坐标下的电压方程为：式子中, 2.4 永磁

27、同步电机的矢量分析德国是最先开始提出矢量控制理论的国家，随后欧美各国也开始关注这一理论思想。矢量控制的思想运用到电压、电流以及磁链等基本参数作为基准，然后对磁链中的电流进行矢量分化得到励磁部分和转矩部分，再通过电枢电流来影响磁链的相关部分而保持固有动态。2.4.1 矢量坐标变换原理 在交流电动机的理论中得知定子与转子的气隙间会有一个同步速度在运行，而矢量的坐标变换规则是变换前后功率或幅值一样。矢量坐标经过变化可以得到永磁同步电机的两种空间矢量图： 图2-3 永磁同步电机空间矢量图图a)中120空间差异程度的a-b-c坐标中，方向为a轴线方向。d 轴与 A 轴重合，并且d 轴落后q轴 90电角度

28、，d-q 坐标系与转子以相同转速旋转。 用Clarke变换表示为：2.4.2正弦脉冲宽度调剂正弦脉冲宽度调剂（SPWM）的理论是把正弦波看成一种控制信号，三角波信号看成一个载波，通过矢量调剂而得到SPWM波形。其中实现SPWM波形的最简单方法是等效面积法，主要是由公式计算出脉冲的宽度。还有一种方法是由正弦调剂波和三角波的交点算出脉冲宽度时间，得到SPWM波形，如图所示：自然采样法图形由图形得：还有一种方法是规则采样法，原理是用电压对三角波采样来得到SPWM波形。这种方法得到的SPWM波形比前面两种方法得到的SPWM更为精准，误差更小。如图所示：规则采样法图形2.5本章小结本章首先介绍了永磁同步

29、电机的结构特点与机械特性;在此基础之上,建立了永磁同步电机的数学模型并进行矢量分析。最后讲了矢量分析的几种控制策略。第3章 永磁同步电机优化控制策略及仿真矢量控制的手段是通过对定子电流的控制达到对转矩的优化控制。针对不同应用的场合，采用不同的控制策略对于电机本身能否发挥良好的性能尤为重要。对于电动汽车用电机来说，一般要求驱动电机能够频繁地起动停车以及突然加速减速等运行；而且对转矩控制的动态性能要求很高，即在爬坡低速运行时转矩大、高速运行时转矩小；由于电机本身具有很宽的调速区域，既能适合转矩的要求也能适合恒功率的要求，所以在电机这个调速区域内具有十分好的运转功效。这些都与电流能否被控制好有关，因

30、此选取良好的控制方法具有至关重要的意义。3.1永磁体性能对永磁同步电机的影响及优化策略3.1.1永磁材料的发展及其性能参数永磁材料发展至今已有很多种类，包活有碳钢、铝钢、高性能永磁材料、纳米复合材料等。人们最早使用的永磁材料是天然磁铁矿，永磁材料的发展到了20世纪的时候到了一个新的高潮。在上个世纪40年代先后开发了铝镍钴永磁材料和高性能永磁材料，并得到了运用发展空间，它们的特点有温度系数低、重量轻、稳定性好等。随后也开发了稀土永磁材料，在日本、美国及其中国等国家都得到了相当好的发展。永磁材料的性能参数基本有：剩余磁感应强度、磁能积、温度系数等。其中磁感应强度的磁滞回线如图所示：磁滞回线图3.1

31、.2永磁体性能对永磁同步电动机的影响由于永磁材料在性能上的差异性，在给永磁同步电动机的生产制造增加了一定的难度性，也极大的影响了永磁同步电动机的性能。这也往往给永磁同步电动带来下列干扰：起动性能的影响在电机启动过程中，永磁体的制动转矩以及合成转矩是有相对固定变化的。在剩磁密度的不断上升中，发电制动转矩也不断跟着上升，而合成转矩则是相对应的下降。所以在起动的一开始，起动转矩和起动电流是比较稳定的。并没有受到制动转矩的变化而发生变动，而只是给最小转矩带来变动，最终给永磁同步电动机造成一些干扰。空载性能的影响在剩磁密度的上升过程中，空载交轴电流不受到影响，但是直轴和定子的电流呈现V行曲线变化，所以空

32、载电动势也是不断增大的。负载性能的影响在空载电动势的不断增大过程中，负载的电流和损耗也会发生相对应的变化。加之剩余磁通密度的增加，横轴电流跟着增加，q轴电流却在降低，所以定子电流总体为降低。定子电流在减小过程中影响到铜耗的变化，使之相应减小，也影响到杂质损耗减小，铁耗出现增大的状况。转矩的影响在剩磁密度的上升过程中，转矩也会发生变化，就是转矩越来越大，过载能力越来越强。结合之上描述得知:永磁体性能对永磁同步电动机的干扰很大，在剩磁密度的变动中，起动性能、空载、负载、转矩等都会受到一定的影响。3.1.3对永磁同步电动机性能的控制优化永磁同步电动机的性能优化是有很重要意义的。根据上文提到永磁体性能

33、对永磁同步电动机的干扰，永磁同步电动机的性能优化更加紧迫，只有更加高效有益的永磁同步电动机才能更好地带动电动车行业的发展。提高功率因数永磁同步动机的的额定负载一般为80V，用公式表示为：其中为额定相电压，为电动势，当电动势越高，就要用到的永磁体就会越多，就会消耗了更多资源，为了避免资源的浪费，更加有效的利用永磁体，一般要使略微小于。提高效率、扩大运行范围怎样去提高效率和扩大运行范围需要用到行之有效的的措施，就是降低损耗。损耗有不变损耗和可变损耗两种。不变损耗是指在永磁同步电机中工作中没有多大变化。可变损耗则相反。（1）降低不变损耗不变损耗在永磁同步电机运行时虽然影响比较小，但为了提高效率，这也

34、是对永磁同步电机改进的一个不可忽略的关键。永磁同步电机的不变损耗有机械损耗和铁耗两种。在电机的生产过程中，精炼操作水平，采用更熟练的技术可以减少机械损耗。减少铁耗需要用到更加精密的材料，也可以对定子的铁心进行调整，对其密度更加合理的去规划。（2）降低可变损耗降低可变损耗相对不变损耗来说需要等多的难度，但还是有方法的。永磁同步电动机有铜耗和杂质损耗两种可变损耗。铜耗是在定子绕组产生的，要降低铜耗就要对定子进行优化。如降低定子电流，提高功率因数。式子：从这表达式可以知道，要外加电压等于空载电压。而减少杂质损耗的措施有不少，如：采用正弦绕组、扩展气隙长度、合理设计槽配等。永磁同步电动机性能受外在因素

35、的干扰，会延缓电动机的工作性，对永磁同步电动机性能优化是要长期进行专研的。3.2 定子电流的优化控制策略3.2.1 恒转矩区电流控制方法 磁阻转矩和电磁转矩是永磁同步电动机的主要构成部分，磁阻转矩一般来说由d、q 轴电流耦合而成，电磁转矩则不同，是一条q 轴电流的线性函数，两者是有区分的。当永磁同步电动机采用id=0控制方法时，磁阻转矩的耦合电流就被忽视了，就影响了永磁同步电动机的转矩输出能力。所以为了永磁同步电动机更好的运行，就采用了最大转矩/电流（MTPA）的优化控制方法，也称作为电流最小控制法，就是转矩稳定的状况下，对d、q 轴的电流进行优化，达到电流矢量值最小。 电流最小控制法应遵循以

36、下条件，即又因为电流最下控制法的电流有下面关系，为由以上两个公式可得知最大转矩/电流（MTPA）控制的电流矢量图，如图所示由图可观察到各种曲线轨迹基本落于第二、三象限，其中最大转矩/电流比轨迹接近于两个象限的中间，与其他轨迹曲线的交接出与圆心位置的距离最小。根据P点在图形中的位置，可知此时转矩最大。故d、q 轴电流关系可表示为：综上可得出最大转矩/电流（MTPA）控制的d、q 轴电流与电流矢量的关系图为：此图的绘出可以方便了解到各种转矩下的最优d、q 轴电流值，是永磁同步电动机更好的运行。3.2.2 恒功率区电流控制方法在图3-2电流矢量最优控制轨迹中可得出结论：各轨迹相交的A点处，转矩电压和

37、电流都为饱和状态，A点的转速将不再提升，此种状况下，电流最小控制法也是行不通的。这又必须得对永磁同步电动机再进行优化控制，即为恒转矩区对恒功率区的转变，这又称为弱磁控制。弱磁控制需要控制电流的变化作为消除磁场的一些磁作用来进行弱磁。但是一般的弱磁控制还达不到对永磁同步电动机的最优控制，其输出的转矩能力受到了限制。这又用到一种更加高效的控制策略最大输出功率弱磁控制。这种策略可以给永磁永磁同步电动机带来高速的运转。如图3-2所示，轨迹A点到轨迹B点的运行曲线就是弱磁的一部分区域，称为弱磁区。轨迹D点到轨迹E点的运行曲线被称为弱磁区。当轨迹向C点运行时，则转速会相应提高，转速值可以达到最大值。在恒功

38、率区域里的电流表达式为：由公式可以推导出最大输出功率弱磁控制的转速可以相当好的应用在电动车中。这时需要采用一种对恒转矩区电流控制到恒功率区电流控制的切换控制流程图，如图3-4所表示：3.3 SVPWM 算法 3.31导通模式原理SVPWM 算法有传统算法和新型算法两种，传统算法的导通模式缺乏新意，对定子电流的运算会有一些误差，本文主要以研究新型算法为例子。新型算法是在传统算法的基础上加以改进 ，把传统算法中的180导通模式变换为120导通模式，保持导通模式中的任意两个晶体管处于开通状态并进行环流作用的。这种环流作用可以消除直通的的短路现象，算法更加清晰。如图所表示：图3-5 混合矢量序列图3.

39、3.2.算法的实现在图 3-5 混合矢量序列序列图中，0表示下管开通，1表示上管开通，表示桥臂没有管子导，一共有12个非零电压矢量。从图得出相关结论：每个电压矢量把整个空间分成为12个扇区，每个扇区都为30。这就能实现电压前馈补偿计算出电压的结果，并能输出信号驱动。3.4 仿真与结果分析 由SVPWM 算法可以构建了永磁同步电机矢量的控制系统图和仿真模型图，如图所示。 图3-6 永磁同步电机矢量控制系统图图3-7 PMSM矢量控制总体仿真模块本实验的仿真系统由变换坐标模块、外环转速控制模块、内环电流调节模块、逆变器模块、SVPWM发生器模块以及电机模块等部分组成。3.5 本章小结 本章首先介绍

40、了永磁体性能的影响及其性能优化，然后在讲了两种优化定子电流控制策略并分析了SVPWM 算法，最后对系统构建仿真模型图。4 永磁同步电机的设计方案与测试4.1永磁同步电机的电磁设计永磁同步电动机由于永磁材料的影响需要对定子绕组、转子绕组以及永磁体进行明确的设计。4.1.1定子绕组的设计本文研究的定子绕组在永磁同步电动机中有双层叠绕组和三相单层绕组两种。双层叠绕组有两种不同的线圈，这些线圈可以串联或者并联。单层绕组的槽内只有一个线圈，没有层间绝缘。其中定子绕组线圈的短距比表达式为：线圈的串联表达式为：所以在定子绕组的设计中尽可能用串联支路，少用并联支路。4.1.2转子绕组的设计转子绕组要考虑起动性

41、能、杂散损耗、以及转子槽等的影响，为避免感应电流过小，就得对转子槽数有标准的规定。其中转子槽数的表达式为：当然还要考虑起动转矩和端环强度的影响。4.1.3永磁体的设计永磁体的设计方案一个是充磁方向长度，另一个是总宽度。两个方案都有不同的要求，其中充磁方向长度的要求：永磁体在工作时要保证稳定的运行状态，同时磁动势也不能过大。永磁体的总宽度要保证每部分磁密能达到标准状态并且基波感应电动势要等于外加相电压，表达式为：4.2永磁同步电机矢量控制设计根据第二章矢量分析可以画出永磁同步电机的矢量控制结构图为：永磁同步电机的矢量控制过程中包括图中的四种调节器和两种变化，各有各的功能特点。在永磁同步电动机中输

42、入转速，通过速度调节器得到合适的数据，在进行电流调节器调节得到想要的电压，最后进行Park变换和Clarke变换得到所求的矢量。4.3永磁同步电机电流环设计电流环在永磁同步电动机的矢量中里运用得非常广泛，也是提高电动机系统控制策略的重要环节。对于电流环的优化需要用到逆变器的你变原理，其中表达式有：在式子里表示逆变器的直流输入电压，表示逆变器的频率其中f表示电流环节的传递系数，是反馈滤波环节的时间常数，是惯性环节的增益，所以电流反馈信号要作滤波处理。由数学模型分析得出结论:反电动势对定子电流作用不大，故知在电流环中也可忽视掉。电流环的结构包括有内调节器、逆变器、增益、反馈等，如图所示。4.4永磁

43、同步电动机的测试永磁同步电动机在电动汽车中的应用得到了快速的发展，但由于永磁磁场的原因，永磁同步电动机的性能和参数的测试会有一些差别，这就需要对永磁同步电机做出测试。4.4.1永磁同步电动机空载性能的测试电动机空载性能有空载电动势、空载电流和空载损耗三种。其中对空载电动势的测量可以用最小电流法，即在额定电压稳定的状态下对电压进行调节，使空载电流达到最小。空载电流以及空载损耗比空载电动势的调节更加严密，要求要有稳定的额定频率和额定电压，空载的运转时间运行比较充分，才能保证机械损耗达到稳定状况。4.4.2永磁同步电动机工作特性的测试永磁同步电动机的工作特性与输入功率、定子电流、功率因数等有关，可用

44、公式表示为：效率表达式为：在测量时要在温度差变化不大的情况下快速进行，并由负载的大小次序依次记录。4.4.3永磁同步电动机转矩-转速的测量转矩平衡方程表达式为：转矩的测量可以运用应变电测原理，根据物理参数来得知转矩。而转速的测量可以采用光电式检测，根据计数器的结果计算出转速。4.5本章小结本章一开始对永磁同步电机中电磁设计的定子绕组、转子绕组和永磁体进行了设计，然后再是永磁同步电机的矢量设计和电流环设计。最后是对永磁同步电机的空载性能测试和工作特性的测试。5结束语5.1总结本文是对电动车用永磁同步电机控制策略的研究，首先介绍了电动汽车的发展状况以及永磁同步电机在电动汽车中的运用与研究，对电动汽车在国内外研究做了了个概括，然后分析了电动汽车用永磁同步电机控制的原理，进而阐述磁场的关系以及矢量分析，并提出优化永磁同步电机控制策略的措施，通过SPWM算法构建矢量控制仿真图，且对其分析，最后提出永磁同步电机的设计方案与测试。由于本人知识点有限和经验不足，只完成了以下工作：1.对永磁同步电