汽車電機及驅(qū)動技術(shù) 課件 第7章 永磁無刷直流電機和永磁同步電機

永磁無刷直流電機和永磁同步電機第7章7.1永磁無刷直流電機和永磁同步電機的對比應(yīng)用于電動汽車的無刷化永磁電機系統(tǒng)包括一臺永磁電機、一個電壓源功率變換器、一個電子控制器和電流、位置傳感器等。表面來看，BLDC和PMSM的基本結(jié)構(gòu)是相同的：1）它們都是永磁電動機，轉(zhuǎn)子由永磁體組成基本結(jié)構(gòu)，定子安放有多相交流繞組；2）都是由永久磁鐵轉(zhuǎn)子和定子的交流電流相互作用產(chǎn)生電機的轉(zhuǎn)矩；3）在繞組中的定子電流必須與轉(zhuǎn)子位置反饋同步；4）轉(zhuǎn)子位置反饋信號可以來自轉(zhuǎn)子位置傳感器。具體區(qū)別如下：1）反電勢不同。2）定子繞組分布不同。3）運行電流不同。4）永磁體形狀不同。5）運行方式不同。6）調(diào)制方式不同。7.2永磁同步電機的的基本結(jié)構(gòu)與原理7.2.1永磁同步電機基本機構(gòu)永磁同步電機的基本結(jié)構(gòu)主要包含一個裝有三相電樞繞組的定子和一個裝有永磁磁極的轉(zhuǎn)子。按照轉(zhuǎn)子永磁體磁路結(jié)構(gòu)的不同，永磁同步電機的轉(zhuǎn)子可以分為表面式轉(zhuǎn)子、內(nèi)置式轉(zhuǎn)子、爪極式轉(zhuǎn)子和盤式轉(zhuǎn)子四種。表貼式永磁同步電機，永磁體用環(huán)氧樹脂粘合劑黏貼在轉(zhuǎn)子表面，因此具備制造簡單的優(yōu)點。表面嵌入式永磁同步電機，永磁體被鑲嵌在轉(zhuǎn)子表面。徑向式內(nèi)埋永磁體的永磁同步電機，可以看出永磁體徑向磁化且埋于轉(zhuǎn)子內(nèi)部。轉(zhuǎn)子槽內(nèi)嵌有鼠籠式感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，這種永磁同步電機兼具感應(yīng)電機和永磁同步電機的特點。內(nèi)嵌切向式永磁同步電機，永磁體切向磁化且埋在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體結(jié)構(gòu)類似于輻條，因此也常被稱為輻條式結(jié)構(gòu)。爪極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)通常由兩個帶爪的法蘭盤和一個軸向充磁的圓環(huán)形永磁鋼組成。永磁鋼形狀結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，但是爪極及法蘭盤所占轉(zhuǎn)子體積的比例較大，與其他幾種結(jié)構(gòu)相比電機的重量增加，另外爪極中脈動損耗較大，效率低。7.2.2永磁同步電機的工作原理永磁同步電機的工作原理是基于正弦波反電動勢和正弦波電樞電流之間的相互作用。永磁同步電機具有平衡的三相正弦分布的氣隙磁通和正弦分布的電樞繞組。感應(yīng)出的三相反電動勢波形可以表示為7.2.3永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型永磁同步電機電樞磁動勢的基波對氣隙磁場的影響稱為電樞反應(yīng)，電樞反應(yīng)的性質(zhì)取決于電樞磁動勢和主磁場在空間的相對位置。假設(shè)電壓、電流和反電動勢均為正弦，而磁飽和、渦流和磁滯損耗均忽略不計，永磁同步電機模型的動態(tài)方程可以用相變量表示為7.3永磁同步電機的控制技術(shù)7.3.1永磁同步電機變換器及控制策略1.變換器電動汽車動力系統(tǒng)要求電機驅(qū)動具有四象限運行能力，即正轉(zhuǎn)電動、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)電動、反轉(zhuǎn)制動。

象限轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)電動I正正反轉(zhuǎn)制動II正負反轉(zhuǎn)電動III負負正轉(zhuǎn)制動IV負正輸入電壓是電池電壓

；直流輸入電流是雙向的；電機轉(zhuǎn)速依賴于定子頻率；極性取決于相序。當(dāng)電機驅(qū)動在第一象限做正轉(zhuǎn)電動運行時，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均為正，因而逆變器的輸入、輸出功率均為正。因此，若電池電壓為正，故逆變器的直流平均輸入電流必須為正。因為電機轉(zhuǎn)速為正，所以定子繞組的相序為正，即A-B-C。當(dāng)電機在第四象限做正轉(zhuǎn)制動時，轉(zhuǎn)速為正而轉(zhuǎn)矩為負，從而輸入、輸出功率均為負。因此，制動能量對電池充電，故平均直流輸入電流為負。因為電機轉(zhuǎn)速仍然為正，所以定子相序為正。

象限直流電流交流相序正轉(zhuǎn)電動I正正反轉(zhuǎn)制動II負負反轉(zhuǎn)電動III正負正轉(zhuǎn)制動IV負正2.控制策略（1）變壓變頻控制

變壓變頻控制又稱為恒壓頻比控制，是永磁同步電機轉(zhuǎn)矩控制策略中最簡單的一種，屬于開環(huán)、標(biāo)量控制，僅控制電機定子電壓信號的幅值。（2）直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制是在1986年至1988年日本I.Takahashi教授和德國魯爾大學(xué)的M.Depenbrock教授提出的，是繼矢量變換控制之后又一全新的電機控制策略。直接轉(zhuǎn)矩控制是直接對電機的電磁轉(zhuǎn)矩進行控制，要求實際轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)矩相等。通過選擇合適的空間電壓矢量，控制定子磁鏈的運動，達到快速控制電磁轉(zhuǎn)矩的目的。(3)矢量控制（4）基于現(xiàn)代控制理論的控制

PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)方便和可靠性好等優(yōu)點，同時也存在易受電機參數(shù)變化及負載擾動影響的缺點。基于現(xiàn)代控制理論的滑模變結(jié)構(gòu)控制、采用微分幾何理論的非線性解耦控制和模型參考自適應(yīng)控制等，都已經(jīng)被運用到永磁同步電機的控制系統(tǒng)中。人工智能化是電機控制的重要發(fā)展方向之一。（5）滑模變結(jié)構(gòu)控制

滑模變結(jié)構(gòu)控制（slidingmodecontrol，SMC）是非常有名的非線性控制方法之一。相較于常規(guī)的PID控制方法，滑模變結(jié)構(gòu)控制能夠有效地提高了系統(tǒng)的魯棒性和快速性，因而被應(yīng)用于永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)，但抖振現(xiàn)象的存在成為其實際應(yīng)用的主要瓶頸之一。7.3.2磁場定向控制永磁同步電機的FOC與感應(yīng)電機的FOC大致相近。考慮到整體系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量J和摩擦系數(shù)B，運動方程可以表示如下：7.3.3永磁同步電機的弱磁控制當(dāng)永磁同步電機達到基速時，端電壓達到額定電壓。因為反電動勢會隨著轉(zhuǎn)速上升而上升，轉(zhuǎn)速范圍只能通過削弱氣隙磁鏈來擴展。因此，轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速上升而下降，從而保持恒功率，也就是所謂的恒功率運行。7.3.4永磁同步電機的無位置傳感技術(shù)1.轉(zhuǎn)子初始位置檢測與起動控制方法的研究轉(zhuǎn)子初始位置檢測是永磁同步電機真正實現(xiàn)無位置傳感器運行的首要問題，也是實現(xiàn)電機順利起動的關(guān)鍵所在。轉(zhuǎn)子初始位置檢測和起動方法二者存在著緊密的聯(lián)系，根據(jù)起動方式不同，通?？煞譃殚_環(huán)起動和閉環(huán)起動。開環(huán)起動方法較為傳統(tǒng)，通常分為三個階段：轉(zhuǎn)子預(yù)定位、外同步加速和自同步運行。通過向定子繞組通入特定的直流電流產(chǎn)生恒定方向的磁場，將轉(zhuǎn)子永磁體的磁極拉至預(yù)訂位置；然后改變通入電流形式，采用升頻升壓方式，使得轉(zhuǎn)子能夠跟隨定子磁場加速旋轉(zhuǎn)；隨著轉(zhuǎn)速升高可以有效檢測電機反電勢，從而估計出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，進入自同步運行狀態(tài)。2.零速和低速時無位置傳感器控制技術(shù)的研究永磁同步電機的凸極性與電機轉(zhuǎn)速等運行狀態(tài)無關(guān)，零速和低速運行下永磁同步電機無位置傳感器控制技術(shù)，主要利用電機凸極性能夠產(chǎn)生定子電感變化的特點，獲取位置與轉(zhuǎn)速信息。（1）電感測量法

對于內(nèi)嵌式和內(nèi)埋式永磁同步電機而言，定子電感大小隨轉(zhuǎn)子位置改變呈正弦變化，測量出電感值大小，即可獲知轉(zhuǎn)子的位置。（2）電壓脈沖法

在估計的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的直軸電壓信號上，疊加電壓脈沖信號，通過檢測估計坐標(biāo)系的交軸電流變化量，獲取實際轉(zhuǎn)子位置信息。（3）載波頻率法

該方法利用電機定子電流信號中的載波頻率成分信號，從它的包絡(luò)線或?qū)λM行積分，提取所需的轉(zhuǎn)子位置信號，實現(xiàn)無位置傳感器控制。（4）低頻信號注入法

該方法不依賴永磁同步電機的凸極特性，僅利用基波模型就可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速估計，因此適用于內(nèi)埋式和表面式永磁同步電機。（5）高頻信號注入法

這類方法的基本原理是通過向電機定子繞組中注入一定形式的高頻電信號，利用電機本身存在的或者由高頻信號激勵產(chǎn)生的凸極性，它包含著轉(zhuǎn)子位置信息，并會反映在注入信號的響應(yīng)上。3．中速和高速時無位置傳感器控制技術(shù)的研究就本質(zhì)而言，中速和高速時永磁同步電機無位置傳感器控制方法，都是直接或間接從反電勢信息中獲得轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速，具體方法主要包括：基于電機數(shù)學(xué)方程的直接計算法、模型參考自適應(yīng)法、觀測器法和人工智能算法等。（1）基于電機數(shù)學(xué)方程的直接計算法

該方法的基本出發(fā)點是電機的數(shù)學(xué)方程，通過檢測定子電壓和電流，采用直接計算的方法得到轉(zhuǎn)速和位置信息。根據(jù)選用的數(shù)學(xué)方程不同，分為反電勢估計法和磁鏈估計法。（2）模型參考自適應(yīng)法

模型參考自適應(yīng)法（modelreferenceadaptivesystem，MRAS）是較為常見的無位置傳感器控制方法。它主要包括三個基本要素：參考模型、可調(diào)模型和自適應(yīng)算法。（3）觀測器法

觀測器法本質(zhì)在于系統(tǒng)狀態(tài)重構(gòu)，構(gòu)造一個與實際系統(tǒng)等價的估計系統(tǒng)。估計系統(tǒng)的輸入信號是實際系統(tǒng)中被檢測的信號，在一定的條件下，它的輸出信號可以等價于實際系統(tǒng)的狀態(tài)。該方法具有適應(yīng)性好和穩(wěn)定性高等優(yōu)點，但是，該算法較復(fù)雜，計算量大。目前，常用于永磁同步電機無位置傳感器控制的主要有：全階狀態(tài)觀測器、降階狀態(tài)觀測器、滑模觀測器（sliding-modeobserver，SMO）和擴展卡爾曼濾波器（ExtendedKalmanFilter，EKF）。（4）人工智能算法

人工智能算法在永磁同步電機無位置傳感器控制中的應(yīng)用處于起步階段，它通過模仿、跟隨或?qū)W習(xí)等手段，對非線性系統(tǒng)動靜態(tài)特征進行辨識，具有較高的自適應(yīng)能力，但也存在著控制算法復(fù)雜、計算量大等問題，離實用化尚有一段距離。4．全速度范圍內(nèi)無位置傳感器控制技術(shù)的研究復(fù)合控制方法的難點在于如何實現(xiàn)兩類方法的平滑切換，確保切換區(qū)間內(nèi)不出現(xiàn)估計轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速跳變的現(xiàn)象，維持控制系統(tǒng)穩(wěn)定。這需要根據(jù)被控電機的反電勢大小，選擇最佳轉(zhuǎn)速切換點或者切換區(qū)間，切換方法主要有滯環(huán)切換和加權(quán)算法切換。7.4永磁無刷直流電機的基本結(jié)構(gòu)與原理7.4.1永磁無刷直流電機的基本結(jié)構(gòu)將永磁同步電機的磁場和反電勢盡量設(shè)計為方波即可得到永磁無刷直流電機（BLDC）。7.4.2永磁無刷直流電機的極槽配合電機轉(zhuǎn)矩脈動一直是制約永磁無刷直流電機性能提高的一個重要瓶頸，影響電機在性能要求更高領(lǐng)域的進一步發(fā)展，主要包括齒槽轉(zhuǎn)矩脈動、換相轉(zhuǎn)矩脈動、非理想反電動勢引起的轉(zhuǎn)矩脈動。齒槽轉(zhuǎn)矩和換向轉(zhuǎn)矩脈動是永磁無刷直流電機轉(zhuǎn)矩脈動的主要分量。齒槽轉(zhuǎn)矩是電機電樞繞組沒有電流時永磁體與定子鐵心相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，定義為電機不通電時磁場能量相對于位置角α的負倒數(shù)，即：2）本電機使用的是矩形永磁體，且永磁體采用平行充磁方式，因此任意θ角對應(yīng)的永磁體磁化方向的長度相等，即為一常數(shù)

。對

、

兩式進行傅里葉展開，并對

求一階導(dǎo)數(shù)，得到齒槽轉(zhuǎn)矩的解析表達式：另外，輪轂電機要求軸向長度較小，要盡量減小繞組的端部長度，因此采用集中繞組的形式是很有必要的，這種繞組形式一個線圈只繞在一個齒上，大大縮短了繞組端部，使電機的軸向尺寸減小。采用分數(shù)槽集中繞組的電機要滿足以下條件：

,

，

在定子繞組線圈矢量星形圖中選取適當(dāng)個數(shù)的矢量槽號，平均分給三相，構(gòu)成定子繞組，選取原則如下：1）由于實際上只有51組線圈。2）由于同一個槽號的正負兩個線圈矢量，代表同一個線圈的兩種不同方向的電流（正電流和負電流）。因此，同一相繞組同一號碼的正負線圈矢量只能選取其中一個。3）為獲得較高的繞組分布系數(shù)，提高繞組的利用率，每相所選的線圈矢量比較集中。4）每相繞組求出其合成磁動勢后，磁動勢大小相等，而且在相位上相差120°電角度，以保證三相繞組對稱。7.4.3永磁無刷直流電機的運行原理永磁無刷直流電機的工作原理和永磁直流電機相同，都是磁場中的通電線圈會受到安培力。永磁無刷直流電機為了實現(xiàn)無電刷換相，首先要把一般直流電動機的電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上。為了能產(chǎn)生單一方向的電磁轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，無刷直流電機還要有電子換相器來使定子繞組產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永久磁場在空間上保持90°的平均電角度。這樣就使得這兩個磁場產(chǎn)生最大平均轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動電機不停地旋轉(zhuǎn)。7.4.4永磁無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型與永磁同步電機傾向于采用d-q坐標(biāo)變換進行建模不同，永磁無刷直流電機傾向于采用狀態(tài)空間方程進行建模。假定：1）三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場也對稱分布；2）忽略齒槽、換向過程和電樞反應(yīng)等的影響；3）電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；4）磁路不飽和，不計磁滯損耗和渦流損耗；5）不計電機轉(zhuǎn)動時的機械損耗和阻尼損耗。永磁無刷直流電機模型的動態(tài)方程可以表示為7.5永磁無刷直流電機的控制技術(shù)7.5.1逆變器與開關(guān)策略現(xiàn)有兩種永磁無刷直流電機的開關(guān)策略：兩相120°導(dǎo)通策略三相180°導(dǎo)通策略區(qū)間（°）導(dǎo)通器件相A，B，C0~60S1，S6+，0，-60~120S2，S60，+，-120~180S2，S4-，+，0180~240S3，S4-，0，+240~300S3，S50，-，+300~360S1，S5+，-，0區(qū)間（°）導(dǎo)通器件相A，B，C0~60S1，S5，S3+，-，+60~120S1，S5，S6+，-，-120~180S1，S2，S6+，+，-180~240S4，S2，S6-，+，-240~300S4，S2，S3-，+，+300~360S4，S5，S3-，-，+7.5.2提前角控制當(dāng)永磁無刷直流電機的速度超過基速時，相電流難以滿足需要，其原因在于所施加電壓與反電動勢之間存在微小差別。在此速度下，相電流可能只是達到所需水平，然后在導(dǎo)通周期結(jié)束時關(guān)斷。而通過有意識的提前控制相電流的導(dǎo)通角，稱為提前角控制，相電流能夠具有充足的上升時間，在高速運行時保持相電流與反電動勢同相位。7.6輪轂電機技術(shù)7.6.1輪轂電機的研究背景輪轂電機內(nèi)置于車輪內(nèi)，直接驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)而無需復(fù)雜的傳動系統(tǒng)，最大化提升了電動汽車可利用空間，能大幅提高傳動效率。簡化的動力系統(tǒng)，有利于電動汽車輕量化設(shè)計，增加電動汽車?yán)m(xù)駛里程。而且多個輪轂電機協(xié)同驅(qū)動，線控動力系統(tǒng)可以靈活分配車輪轉(zhuǎn)矩，徹底避免了傳統(tǒng)機械式差速器的缺點，大幅提高車輛的操控性能。7.6.2輪轂電機的研究現(xiàn)狀Colt電動汽車是由日本三菱公司推出的多臺輪轂電機驅(qū)動的純電動汽車。法國TM4公司設(shè)計制造的一體化輪轂電機。德國舍弗勒公司與美國福特汽車共同推出了eWheelDrive輪轂電機。國內(nèi)廣汽集團給傳祺汽車開發(fā)的輪轂電機。輪轂電機雖然具有其突出的優(yōu)點，但也帶來新的技術(shù)挑戰(zhàn)，主要包括：1）輪轂電機系統(tǒng)集驅(qū)動、制動、承載等多種功能于一體，優(yōu)化設(shè)計難度大2）車輪內(nèi)部空間有限，對電機功率密度性能要求高，設(shè)計難度大；3）電機與車輪集成導(dǎo)致非簧載質(zhì)量較大，惡化懸架隔振性能，影響不平路面行駛條件下的車輛操控性和安全性，輪轂電機將承受很大的路面沖擊載荷，電機抗振要求苛刻；4）在車輛大負荷低速爬長坡工況下，容易出現(xiàn)冷卻不足導(dǎo)致的輪轂電機過熱燒毀問題，電機的散熱和強制冷卻問題需要重視；5）車輪部位容易積存水和污物等，導(dǎo)致電機被腐蝕破壞，電機壽命、可靠性會受影響；6）輪轂電機運行轉(zhuǎn)矩的波動可能會引起汽車輪胎、懸架以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)產(chǎn)生振動和噪聲，以及其他整車聲振問題。7.6.3輪轂電機的特點分析集中電機驅(qū)動具有以下優(yōu)點：1）以電子差速控制技術(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎時內(nèi)外車輪以不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，而且精度更高2）取消機械差速裝置有利于動力系統(tǒng)減輕質(zhì)量，提高傳動效率，降低傳動噪聲；3）有利于整車總布置的優(yōu)化和整車動力學(xué)性能的匹配優(yōu)化；4）多個冗余電機分布驅(qū)動，具有故障備份功能，可靠性高。輪轂電機方式具有明顯的優(yōu)點，主要包括：1）可以完全省略傳動裝置，整體動力利用效率大大提高；2）輪轂電機使整車總布置可以采用扁平化的底盤結(jié)構(gòu)形式，車內(nèi)空間和布置自由度得到極大的改善；3）車身上幾乎沒有大功率的運動部件，整車振動、噪聲和舒適性得到極大的改善；4）輪轂電機方式便于實現(xiàn)四輪驅(qū)動形式，有利于極大地改善整車的動力性能；5）輪轂電機作為執(zhí)行元件，具有響應(yīng)速度快和準(zhǔn)確等優(yōu)點，便于實現(xiàn)包括線控驅(qū)動、線控制動以及線控整車動力學(xué)控制在內(nèi)的整車動力學(xué)集成控制，提高整車的主動安全性。7.7混合勵磁電機技術(shù)7.7.1混合勵磁電機的優(yōu)點混合勵磁電機是一種永磁和電磁共同提供磁場的電機，采用具有“三高”磁特性即高剩磁感應(yīng)強度、高矯頑力和高磁能積的稀土永磁材料勵磁，使電機比功率增大；主要靠永磁提供磁場，勵磁繞組電流小，勵磁損耗少，電機的效率提高，并且具有良好的弱磁擴速和電壓控制性能。7.7.2混合勵磁電機的研究現(xiàn)狀1.永磁極與電勵磁極串聯(lián)磁勢結(jié)構(gòu)的混合勵磁電機該電機是將永磁同步電機的一部分或全部永磁磁極用鐵磁磁極代替。2．永磁極與電勵磁極間隔排列的混合勵磁發(fā)電機3.雙凸極結(jié)構(gòu)的混合勵磁電機4.順極結(jié)構(gòu)混合勵磁電機5.轉(zhuǎn)子磁分路切向磁場混合勵磁電機