沈阳工业大学
硕士学位论文
电动汽车用永磁同步电动机及传动控制系统研究
姓名：邢伟
申请学位级别：硕士
专业：电机电器
指导教师：唐任远
20040306
沈阳工业大学硕士学位论文
摘要
我国有着丰富的稀土资源，发展以稀土永磁电机为牵引电机的电动汽车具有得天独厚的优势。本文对电动汽车用永磁同步电动机和驱动控制系统的若干问题做了研究。归纳起来，本文的主要内容包括：
第一部分以提高材料利用率和电机的功率密度为目的，通过优化设计转子结构，开发出一台１８．５ｋＷ定子外壳水冷式电动汽车用永磁同步电动机。以电动汽车运行过程中受力分析为基础，确定了样机的定额和性能要求。在分析表面式转子结构的ＰＭＳＭ转子磁场基础上，提出了转子结构优化方案，提高了材料利用率和电机的功率密度。通过对转子极间结构的特殊设计减小了极间漏磁，降低了空载漏磁系数，提高了转子永磁体的利用程度。
第二部分开发了一个基于数字信号处理器ＴＭｓ３２０ＬＦ２４０７Ａ的电动汽车用永磁同步电动机直接转矩控制系统。给出了基于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的驱动系统的结构，给出了系统与电动汽车中各模块之间的ＣＡＮ通讯协议设计方案。
第三部分研究了直接转矩控制策略应用于电动汽车用永磁同步电动机需要解决的关键问题。主要包括零电压矢量在ＰＭＳＭＤＴＣ中的作用、电压空间矢量的选择原则、定子磁链的控制方式、系统动态性能的保证、ＰＭＳＭＤＴＣ系统的实现等问题，给出了系统的软件设计方法。从软、硬件设计上采取了措施，提高了定予磁链估算精度，从而提高了系统的低速性能，并进行了低速下的初步实验。
关键词：电动汽车，永磁同步电动机，电驱动系统，直接转矩控制
婆塑三些盔堂堡主兰垡！笙至一——
ＭｏｔｏｒａｎｄＤｒｉｖｅＳｔｕｄｙｏｎＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ
ＳｙｓｔｅｍｉｎＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
ＴｈｅｍｉＳａｂｕｎｄａｎｔｒａｒｅ—ｅａｒｔｈｓｔｏｒａｇｅｉｎＣｈｉｎａ．ＴｏＣｈｉｎａ，ｉｔｉｓａｎａｄｖａｎｔａｇｅｔｏｄｅｖｅｌｏｐＥ１ｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ正ⅥｗｉｔｈＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）ａｓｔｈｅｔｒａｃｔｏｒ．Ｔ１１ｉｓｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｄｏｎＰＭＳＭａｎｄｉｔｓｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｉｎＥＶａｐｐｌｉｅａｔｉｏｒＬＳｕｍｕｐ．ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｉｎｃｌｕｄｅｓ：ＡｉｍｉｎｇａｔｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＰＯｗｅｔｄｅｎｓｉｔｙｏｆｍｏｔｏｒ，ｔｈｅｆｉｒｓｔｓｅｃｔｉｏｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄａ１８．５ｋＷＰＭＳＭｃｏｏｌｅｄｗｉｔｈｗａｔｅｒｉｎＥＶａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｂｙｏｐｔｉｍｕｍｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｈｅｓｌａ＇ｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｒｏｔｏｒ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｂｅＥＶｉｎｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｉｔｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｅｒａｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｄａｔａｏｆｐｒｏｔｏｔｙｐｅＰＭＳＭ．ＯｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｒｏｔｏｒｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｏｆＳｕｒｆａｃｅＭｏｕｎｔｅｄＰＭＳＭｆＳＭＰＭＳＭ）。ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｕｔｆｏｒｗａｒｄａｎｏｐ＂ｍｕｅｄｒｏｔｏｒｓｔｒｕｃｔｕｌ℃．Ｗｉｌｌｌｓｐｅｃｉａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｅｔｗｅｅｎｒｏｔｏｒｐｏｌｅｓ．ｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅＰＭＳＭｒｅｄｕｃｅｄｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｓｍｌｅａｋａｇｅｂｅｔｗｅｅｎｐｏｌｅｓ，ｌｏｗｅｒｅｄｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｓｍｌｅａｋａｇｅｔｏｅ伍ｃｉｅｎｔ，ａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｈｅｕｔｉｌｉｚｉｎｇｄｅｇｒｅｅｏｆｒｏｔｏｒｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔ．
ｎｌｃｓｅｃｏｎｄｓｅｃｔｉｏｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｄｉｒｅｃｔｔｏｒｑｕｅｃｏｎｔｒｏｌ（ＤＴＣ）ｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｆｏｒＥＶｂａｓｅｄＯｉｌＤＳＰ耶订￥３２０ＬＦ２４０７Ａ．Ｉｎｔｈｉｓｓｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍ．ａｎｄａｓｃｈｅｍｅｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃｏｌｔｈｒｏｕｇｈＣＡＮｂｕｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｏｔｈｅｒｍｏｄｕｌｅｓｉｎＥＶｗｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
ＴｈｅｌａｓｔｓｅｃｔｉｏｎｓｔｕｄｉｅｄｏｎｓｏｍｅｑｕｅｓｔｉＯＩｌＳｉｎｖｏｌｖｅｄｉｎｔｈｅＤＴＣｓｔｒａｔｅｇｙｏｆＰＭＳＭｉｎＥＶａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．ＴｈｅｙｉｎｃｌｕｄｅｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｚｅｒｏｖｏｌｔａｇｅｖｅｃｔｏｒｉｎＰＭＳＭＤＴＣ．ｔｈｅｓｅｌｅｃｔｐｒｉｎｃｉｐｉｅｏｆｓｐａｃｅｖｏｌｔａｇｅｖｅｃｔｏｒ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓｔａｔｏｒｍａｇｎｅｔｃｈａｉｎ，ｔｈｅｅｎｈａｎｃｅｏｆｓｙｓｔｅｍｄｙｎａｍｉｃｐｅ哟Ⅱｎａｎｃｅ，ａｎｄｔｈｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＰＭＳＭＤＴＣｓｙｓｔｅｍ．１ＫｓｐａｐｅｒｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈｅＳｏｆｔｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＤＴＣｓｙｓｔｅｍ．Ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｔｌｏｗｓｐｅｅｄ，ｓｏｍｅｍｅａｓｕｒｅｓｗｅｒｅａｄｏｐｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｓｔａｔｏｒｆｌｕｘｅｓｔｉｍａｔｏｒｗａｓｉｎｃｒｅａｓｅｄ．ｎｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅＤＴＣｓｙｓｔｅｍａｔ１０Ｗｓｐｅｅｄｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．
ｖｅｈｉｃｌｅ（啪ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）
ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ
ｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｄｉｒｅｃｔｔｏｒｑｕｅｃｏｎｌｒｏｌ（ＤＴＣ）
．２．
独创性说明
本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。
签名：堑ｆ垒日期：兰丝墨乞
关于论文使用授权的说明
本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
（保密的论文在解密后应遵循此规定）
签名：生巨生导师签名：乞堑！垂些日期：垫熊主篁
————鲨堕三些查堂堡主兰堡．堕苎一——１绪论
１１课题背景及选题意义
自１９９４年起，我国就已成为纯石油进口国ｆ”，而且石油进口量逐年递增。可见我国对于能源进口有严重的依赖性。电动汽车是关乎未来国家安全与民族命运的重要产业。
汽车工业的发展不仅仅在汽车本身，它涉及许多产业部门的发展，以及与汽车相关的第三产ｊ肛的发展。据日本专家１９７６年统计．日本的汽车制造业及其相关的销售、加油站、出租、维修、保险等产业的就业人口达到３６０多万人，占［１本５０００万就业人口的７％。现在，一个国家的汽车产量和保有量已经成为国家经济发展水平与国家实力的标志之一。当今世界汽车的保有量达到了６．７亿辆，并且还在以每年几千万辆的速度增长着ｆ２】，汽车工业己经成为世界经济和各国经济发展的支柱产业。然而汽车Ｔ业的发展除带来了财富和便利之外，还带来了许多社会问题。其中，环境污染和能源危机便是困扰世界各国的两大难题。以我国为例，城市噪声的７０％来源于汽车的交通嗓声。燃油汽车排放的尾气中含有ＮＯｘ、∞、０姨、ｓ０２及碳氢化合物等有害气体，这些有害气体是光化学烟雾、酸雨以及地球温室效应等环境问题的主要原因。按每辆汽车年耗油量１０～２０桶石油制品计算，则全球汽车的年耗油总量将是６７～１３４亿桶ｌ鲫。根据有关专家的估计，地球上已探明的石油储藏量在５０年内可能耗尽１３，４１＂。
众所周知，中国在传统汽车制造技术方面与国际先进水平差距比较大，很难在短时间内赶超国际先进水平。然而．我国在电动汽车和混合动力汽车方面的研制水平与幽际先进水平差距相对比较小，甚至在某些方面已经达到国际先进水平，正如８６３计划电动汽车重大专项首席科学家万钢所说，在电动汽车这一新的领域，中国’ｊ国外处于相近的起跑线，技术水平与产业化的差距相对较小。所以，发展电动汽车有望迅速缩短我国与发达国家在汽车工业上的差距。
中国拥有占世界８０％储量的稀土资源，永磁同步电机系统是综合指标最优的电动汽车牵引电机［５－ｓ］ｏ中国发展以永磁电机为牵引电机的电动汽车具有得天独厚的优势，可以将我国的稀土资源优势转化为经济优势。
鎏堕．三些查堂堡主堂笪堡苎一一——
本课题是在沈阳市“ｔＪ五”科技计划重点项目资助下，以电动汽车的工程化研制为背景，开发出高性能的电动汽车用永磁同步电机及其传动控制系统，并针对电动汽车用永磁同步电机及其控制系统中的几个重要问题，如电机功率密度的提高，高可靠陛、高性能控制系统的实现等作了研究。
１＿２电动汽车的发展及现状
自１９６９年第一届国际电动车大会以来，由于环境压力日益增大，以及国家行为的干预，特别是近十几年来，现代电力电子、微电子、新材料、计算机技术的飞速发展为电动汽车的研究开发提供ｒ基础，众多国家的相关部门不断推出电动汽车概念车。一些符合特定市场要求的车型甚至已经实现了批量生产，并形成了一定的销售规模。
电动汽车主要由三大模块组成：动力蓄电池组及其管理模块、电机及其控制系统、动力总成控制系统。电机及其控制系统是电动汽车的心脏，是提高电动汽车的驱动性能、续驶里程以及可靠性的根本保证。尤其是在目前蓄电池技术未取得突破的背景下，电驱动系统是保证电动汽车续驶里程，使之实用化的关键。
ｌ２１电动汽车中电动机的应用现状
目前，电动汽车的驱动电机主要有直流电动机、开关磁阻电动机、感应电动机、无刷直流电动机及永磁同步电动机，其中后三种应用更为广泛。
在感应电机系统与永磁电机系统应用于电动汽车的选择上，国外一些公司进行了有益的探索。美国ＧＭ公司与ＵｎｉｑｕｅＭｏｂｉｌｉｔｙ公司、德国西门予公司、臼本丰田公司等对相同功率的感应电机系统和永磁同步电机系统进行了实验比较，得到的结论是：永磁同步电机系统具有更高的效率（尤其是低速下）和功率密度：最大功率为ｌＯＯｋＷ的两种电机，分别采用滑差控制和相位超前控制时，永磁同步电机系统在重量减少４ｋｇ的情况下，最大功率时的效率比感应电机系统仍然高１０％。但是，永磁同步电机成本相对要高。不过，日本富士公司提出适于大规模生产的装配后充磁技术，永磁电机的价格有望不久可以降至与感应电机竞争的水平上来ｍ。
由于具有价格优势，感应电动机（Ⅱ以）目前仍大量应用于电动汽车中，尤其是在美国和欧洲国家。该种电动机结构简单、可靠性高、控制技术比较成熟。但与永磁同步电动机相比，感应电动机效率低，控制复杂。
．２．
沈阳工业大学硕士学位论文
无刷直流电动机（ＢＤＣＭ）具有转矩、功率密度大、位置检测和控制方法简单ｐ’，ｍ、效率高的优点。其不足之处在于存在一定程度的转矩脉动、振动噪声，控制精度稍低，但对应用于有减速系统和车速要求不高的电动汽车驱动不成问题。因此，ＢＤＣＭ系统在电动汽车驱动领域得到了广泛重视和普遍应用。
永磁同步电动机（ＰＭＳＭ）具有高效、高控制精度、高转矩密度、低噪声的特点１１１１，通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能，在电动汽车特别是高档电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，已经受到国内外电动汽车界的高度重视，并已在日本得至ｍＪＴ＂普遍应用ｆ巧～６１，是最具竞争力的电动汽车驱动电机１７］。国内对电动汽车用ＰＭＳＭ的研究较晚，尚无ＰＭＳＭ的系列生产厂家。目前，中科院电工所、哈尔滨工业大学、沈阳工业大学等单位正在进行相关研究。
１．２．２电动汽车用永磁同步电动机的发展现状
在目前蓄电池技术没有得到突破的情况下，电动汽车用永磁同步电动机的效率及功率密度是一个很重要的指标。为了满足电动汽车高速运行，弱磁性能是电动汽车用永磁同步电动机研究的另一个重要方面。
电动汽车用永磁同步电动机属于调速电机，供电电源是变频器。变频器非正弦供电下，一个突出的问题是电机的杂散损耗升高，电机效率下降。文献［３３】对非正弦供电下，电源的谐波分量以及谐波对电机性能的影响做了系统的研究。但该文献针对感应电机，许多结论尚需结合永磁同步电动机实际作进一步讨论。文献［３１】对异步起动永磁同步电动机内的谐波磁场，特别是由定、转子开槽引起的气隙磁导不均匀引起的气隙谐波磁场问题做了研究，并给出了减少负载杂散损耗的方法。但异步起动永磁同步电动机是电网供电，电流谐波极少，与电动汽车用永磁同步电动机不尽相同。
为充分利用电机的磁阻转矩、提高功率密度，电动汽车用ＰＭＳＭ多采用交、直轴磁路不对称转子结构。日本ＴＯＹＯＴＡ（丰田）公司的“ＰＲＩＵＳ”混合动力车中的两台永磁同步电机转子采用内置径向式结构旧。日本ＨＯＮＤＡ（本田）公司电动汽车——ＥｖＰＬＵＳ中的永磁同步电动机“ＧＥＮＩＩ”转子采用了表面插入式结构口…。并且，他们认为这种结构要优于内置式结构，原因在于由于转子中不存在磁路短路，可以充分利用永磁体。根据他们的实验，在产生同样转矩的条件下，表面插入式结构的磁钢用量可以减少
．３．
鲨堕三些查堂堡主塑丝墨——
４０％左右。在减少电机损耗方面，ＧＥＮＩＩ增加了永磁体与转子轭间的绝缘，杜绝转子冲片内的涡流通过永磁体表面金属镀层构成回路，减少了转子涡流损耗。
为了兼顾电动汽车的经济运行和高速运行，电动汽车用永磁同步电动机的设计一般理念是：基速（额定转速）时的反电动势与电源额定电压平衡；在转折速度以下作恒转矩运行，转折速度以上作弱磁恒功率运彳亍。但文献【８１提出了不同的设计理念：永磁同步电机采用表面式转子结构；电机的尺寸由所需的基本转矩来确定，定子绕组按最大转速下产生的感应电势与电源额定电压平衡设计；基速以下，电机效率与按一般理念设计的电机基本相同，基速以上，定子电流与速度成反比减小，因此定子铜耗与一般理念设计的电机相比显著降低。文献【８】所提出的这种电机尽管可以提高高速区的电机效率，但是由于电流定额的增大，逆变器成本会增加，逆变器中的损耗也会增加。对于经常处于高速区运行的电动汽车而言，这种设计方案尽管增加了逆变器成本，却可以节约能耗，提高续驶里程，是值得的。
永磁同步电机设计方面的成果还有：不同应用场合电机的极数选择【１８ｌ；外转子直接驱动ＰＭＳＭ减少转矩脉动的磁极形状优化【１９Ｊ：考虑饱和影响的电动汽车用内置式ＰＭＳＭ（ＩＰＭＳＭ）模型的建立和分析口ｏ］；基于电磁场有限元分析的电机设计雎”；ＰＭＳＭ的功率特性、弱磁能力分析口２五研、定子绕组换接眦６１等。
为进一步提高电动汽车性能，众多学者还致力于许多特殊结构电机系统的开发，如ＢｒｉａｎＪＣ．等提出的永磁磁阻混合同步电动机［２７１｛ＭｚｉｚｕｒＲ．等提出的永磁磁滞混合同步电动机”目；ＫａｔｓｕｎｏｒｉＮ等研究的永磁和电励磁混合励磁的同步电动机。这些新型电机系统结构新颖，各具特色，结构及控制复杂程度各异，但应用于电动汽车牵引传动的驱动效果及适用性还有待于进一步的研究。
１．２．３电动汽车用永磁同步电动机控制系统的发展现状
车辆传动系统的特性曲线如图ｌ１所示：
图１１车辆传动系统的特性曲线
．４．
————————————————————————————————————————ｐ————————————————————————————————————一一
沈阳工业大学硕士学位论文
这条特性曲线分为两个区域。Ｉ区为恒转矩区，功率随转速的提高线性增加。ＩＩ区为恒功率区，转矩随着转速的提高呈双曲线衰减。对于城市］＿＝况下和山区旅游用电动汽车，绝大多数时阃运行于Ｉ区中，转速小，汽车经常处于起、停和加、减速状态，转矩要求比较高，需要克服惯性阻力。而对于货车和长途客车而言，大多数时间处于ＩＩ区运行，车速高，汽车行驶比较平稳，没有特别大的加、减速情况，转矩消耗比较小，主要用来克服行驶阻力。电动汽车用电机传动控制系统要满足电动汽车的这种机械特性【２引。
电力电子技术是电动汽车用电动机控制技术发展的重要物质基础，发展非常迅速。
Ｍｏｄｕｌｅ—目前，电动汽车中电力电子器件主要采用智能功率模块（ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＰｏｗｅｒ
ＩＰＭ）。它在ＩＧＢＴ慕础上，集成了控制、检测、保护和自诊断等功能，由于采用了隔离技术，散热更均匀，体积更加紧凑。
在电动汽车驱动系统的控制器选择上，电机专用数字信号处理器（ＤＳＰ）占了主导地位。如美国ＴＩ公司推出的ＴＭＳ３２０Ｆ２４０ｘ是适于工业控制，尤其适用于电动机控制的专用芯片。应用ＴＭＳ３２０Ｆ２４０ｘ可以大大简化控制系统的硬件结构，以它为核心设计电机数字系统是目前系统最小、实时性最强的一种方案‘１４卫９ｔ３０１。其高速性可以使复杂控制策略得以实现并降低成本。
矢量控制是一般应用ＰＭＳＭ系统中采用的优良的控制方式。为扩展电机速度范围，许多ＰＭＳＭ系统采用弱磁控制策略，或采用与之本质相同的相位超前控制策略。高性能电动汽车用ＰＭＳＭ系统目前也采用矢量控制方式，采用弱磁控制策略扩展电动汽车的速度范围。但上述一般应用的ＰＭＳＭ系统控制技术应用于电动汽车需要进一步解决～些特殊的技术难题，如：保证汽车快速起动的动力学性能；提高车载蓄电池的有效利用以延长汽车一次充电续行里程；系统可靠性和鲁棒性的保证等。起动、加速等动力学性能的提高是加速电动汽车实用化的关键之～，直接转矩控制与矢量控制相比较具有更好的动态性能。目前，感应电机驱动的电动汽车用ＤＴＣ控制器已研制成功。把直接转矩控制应用于电动汽车用永磁同步电动机的控制中，一定可以进一步提高电动汽车的动力性能。
．５．
沈阳工业大学硕士学位论文
１．２．４永磁同步电机系统直接转矩控制技术发展现状
直接转矩控制（ＤＴＣ）是继矢量控制之后出现的一种新型交流调速技术，由德国的Ｄｅｐｅｎｂｒｏｃｋ教授在１９８５年提出，控制对象是感应电机Ｉ”。
ＤＴＣ问世以来得到了国内外学者们的强烈关注，发表了大量文章研究感应电机ＤＴＣ方法［３２，３４－３９］。目前，感应电机的ＤＴＣ技术已日趋完善，在德国已进入实用阶段，主要应用于大功率高速列车的主传动系统中。基于ＤＴＣ技术的通用变频器—一ＡＢＢ公司研制的ＡＣＳ６００也已经出现。感应电机驱动的电动汽车用ＤＴＣ控制器也已研制成功。
当前，与感应电机ＤＴＣ技术相比，ＰＭＳＭ的ＤＴＣ研究远远滞后。主要原闪是：由于转子结构的差异，ＰＭＳＭ系统不能照搬感应电机的ＤＴＣ理论，诸如零电压矢量的作用等理论问题还没有解决：ＰＭＳＭ系统从矢量控制到ＤＴＣ的简化程度远没有感应电机相应的简化程度大，因此ＰＭＳＭ的ＤＴＣ没有受到足够的重视。
近年来，国外学者开始将ＤＴＣ技术引入到ＰＭＳＭ中，英国、意大利、芬兰、美国、日本、澳大利亚、加拿大等国学者在ＰＭＳＭ的ＤＴＣ方式下的系统实现、弱磁、磁链选择、无传感器控制、降低转矩脉动、定子电阻辨识等方面进行了初步研究‘”州】。总的来讲，该方向的研究不多，更不够深入，没有出现实用化的成果。国内在该方向匕的研究极少，目前仅有南京航空航天大学、浙江大学、天津大学等几家单位刚刚开始相关的研究｛４５Ｊ。
ＤＴＣ方式的诸多优点决定了其在电动汽车用ＰＭＳＭ系统传动中有着非常实用的价值，将ＤＴＣ技术应用于电动汽车用ＰＭＳＭ系统，是全面提高电动汽车性能的又一条途径。
１．３本课题拟进行的工作
本课题围绕电动汽车电驱动系统的设计开发展开工作，本文的工作主要包括以下两大部分：
１）根据电动汽车的运行特点，设计一台电动汽车用永磁月步电动机
①围绕提高电机效率和功率密度，研究了变频器供电下永磁同步电动机内的时间
谐波磁场及损耗。
．６．
沈阳工业大学硕士学位论文
②根据电动汽车的结构参数、性能指标及动力学方程确定其驱动用ＰＭＳＭ定额及
性能参数。
③以提高功率密度为目的，研究确定转子结构。研究电机参数对性能的影响，并
完成样机的电磁设计。
２）设计电动汽车用永磁同步电动机驱动系统
①开发基于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＡＤＳＰ的全数字化驱动控制系统。控制策略采用直接
转矩控制
②对电动汽车用ＰＭＳＭＤＴＣ系统进行研究。主要包括电压空间矢量的选择原则、
定子磁链的控制方式、系统动态性能的保证、ＰＭＳＭＤＴＣ系统的实现等问题。
编写、调试ＰＭＳＭＤＴＣ系统的软件，并进行系统低速下的实验研究。
２电动汽车用ＰＭＳＭ的设计
电动汽车用ＰＭＳＭ的设计应首先根据车体的几何结构参数及电动汽车的性能要求和驱动方式确定其性能参数指标，这是以电动汽车运行过程中受力分析为基础的。依据所得的性能参数指标，选择ＰＭＳＭ的转子结构形式，优化设计电机参数。
电动汽车用电机的运行在有限能源供电下，而且运行工况复杂，所以电动汽车用ＰＭＳＭ的性能考核实验必须结合实际运行工况，而不能沿用常规ＰＭＳＭ的实验规程。２．１电动汽车的性能指标及其对ＰＭＳＭ的特殊要求
电动汽车运行于较宽的负载和转速范围及复杂的路况下，必须确保其在恶劣路面及气候、在大幅度变化的交通状况下的整体性能的优异、高效和可靠性，因此电动车的电机及其控制与传统的电机及其控制相比，其特殊要求如下：
（１）高的短时功率、转矩密度和宽调速范围。低速（恒转矩区）运行应能够提供大转矩，以满足起动、爬坡等要求；能够提供高转速，以满足汽车高速行驶及超车的要求。
（２）在整个运行范围内具有高效率。目的是增加电动汽车一次充电的行驶距离。
（３）有较强的过载能力、快速的动态响应及良好的加速性能。目的是适应路面变化及频繁起动和刹车等复杂运行工况。
（４）可靠性高，重量轻，体积小，成本合理。
电动汽车的性能指标主要包括【１ｌ：静加速度、经济车速、最高车速、爬坡度、续驶里程。
设计电动汽车用ＰＭＳＭ，必须首先对电动汽车不同运行工况迸行正确的受力分析及能量转换分析，依此确定驱动电机的性能指标。
２．２电动汽车电机的定额及性能参数的确定
２．２．１电动汽车受力分析及能量转换分析
Ｆ
图２．１电动汽车受力分析
１）电动汽车受力平衡方程式
直线行驶的电动汽车所受的阻力为：空气阻力Ｒ、滚动阻力取爬坡阻力Ｆｊ、加速阻力Ｂ，如图２．１所示。图中，脚：电动汽车质量㈣；ｇ＝９．８ｍ／ｓ２．．重力加速度：Ⅳ．地面对电动汽车的支撑力；只：电动汽车作用到车轮上的驱动力。在不打滑的条件下，彳亍＿驶中的电动汽车满足以下受力平衡方程式：
Ｅ＝‘＋Ｅ＋巧＋Ｃ（２．１）式中各个力的定义如下：
Ｆ，：坐上（２．２）
ｒ
式中巧一电动机轴侧输出转矩（Ｎ．ｍ）；
轲一电动机输出轴至车轮之间的传动效率；
ｒ——车轮半径（ｍ）；
分——传动比。
，，＝ＧｆＣＯＳＯｒ（２．３）式中ｅ一电动汽车所受重力㈣，Ｇ＝ｍｇ
ａ——电动汽车的爬坡角
厂——地面滚动阻力系数，与路面种类、行驶车速以及轮胎的构造、材料、气压等有关，对中小型车辆来说可表示为：
』０．０１６５ｖ＜５０
，＝｛
。
【０．０１６５ｘ【１＋ｏ．０１×（ｖ一５０）】ｖ≥５０
．９．
式中，ｒ一电动汽车速度（ｋｍ／ｈ）。
Ｌ＝等（２．４）式中Ｃ矗～空气阻力系数，对中小型客车来说可取Ｏ．３６；
彳——电动汽车迎风面积（ｎ１２）。
Ｅ＝Ｇｉ（２．５）式中卜耙坡度，／＝ｓｉｎ口，根据电动汽车的运行路况，在设计时给定最大爬坡度。
乃＝丙５硎五ｄｖ（２．６）式中ｓ——电动汽车旋转质量转换系数，一般取１．１；
ｆ——时间（ｓ）。
综合式（２．１）～（２．６），电动汽车的受力平衡方程式为：
—Ｔ２７１］ｒ—ｉｇ＝Ｇ，ｃｏｓａ＋１ＣＤ而ＡＶ２＋．ｕ”ｚ．＋三１８ｄ出ｖ（２．７）２）电动汽车功率平衡方程式
式（２．７）两边分别乘以速度，并做适当的单位变换可得电动汽车功率平衡方程式：
Ｐｌ＝Ｐｆ’Ｐ。七Ｐｊ七Ｐ，
式中伤、毋、Ｒ、只、巴分别为电动机轴输出功率及转换到电动机轴侧的地面滚动阻力功率、空气摩擦阻力功率、爬坡阻力功率和加速阻力功率（单位为ｋＷ）。因此功率平衡方程式可以表示为下式：
ｐ２ｒ］ｒ－－忑Ｇｆ”Ｃ矿ＯＳａ＋业７６１４０＋竺３６００＋罴２９６０韭ｄｔ（２．８）
…～７
３６００１
２．２．２电动汽车用驱动电动机性能参数确定
根据电动汽车的性能要求及电动汽车的受力分析、制造成本等方面的因素，可确定驱动电机的性能参数。
参照２．１节所述电动汽车性能指标，电动汽车驱动电机应该满足以下几个方面：
１）最高转速，如。
婆塑王些奎兰堡主塑塑一一——
在电动汽车的最高车速Ｈ。确定后，根据变速箱的传动比，即可确定电动机的最高转速。电动汽车电机必须能够驱动汽车在最高车速ｖ，。下行驶，即要求电机的弱磁运行区至少扩展到”。。，同时这一转速下的电机输出转矩必须大于该车速下的阻力矩。该约束用公式可表示为嘲
疋＝仞％【妒ｒｉｑ＋（上ｄ—Ｌｑ）ｉｄｉｑ＞靠
（２．９）
式中璐一～电机的极对数：：ｆ。矗一定子电压空间矢量幅值的最大值；叼—嘈子永磁体磁链：白，Ｅ．ｒ—＿ｄ，ｑ轴电感；协ｊｒ—＿ｄ，ｑ轴电流；
刁——纠正，疋为电机的电磁功率；致—一此时归算到电机轴上的电动汽车的阻力矩
２）最大转矩死～、最大功率如一及转折转速ｎｂ
电机输出转矩的能力直接决定了电动汽车爬坡度、静加速度和加速时间等性能指标。理想情况下，电动汽车驱动电机应具有如图１．１所示的功率及转矩特性曲线，在转折转速ｍ以下作恒转矩运行，其上作弱磁恒功率运行。电动机的最大转矩乃。是指电机在过载运行时所能输出的最大转矩，受电机驱动器容量和电机散热条件的限制，对于ＰＭＳＭ而言，还要保证在电机输出最大转矩时，永磁体不会退磁。电动汽车的最大阻力矩可能出现于以下几种情况：１、爬坡同时加速起动；２、以最高爬坡速度匀速爬坡；３、以最高速度沿水平面匀速运行。所以，需要分别对以上几种情况下的电动汽车进行受力分析，比较计算结果来确定最大转矩。转折转速等于给定最大爬坡转速，最大功率Ｐ‰产死，№；另外，需要根据静止加速时间校算ｎ。及ｎｂ。静止加速时间廿可由下式计算：
ｒ，＝＂ｊ：石磊—瓦ａｎｙ赢／１２—９６０瓦赢ｄＶ（２ＪＧｆｖｃｏｓａ／３６０Ｇｉｖ／３６００ＣＡｖ／７６１４０ｏ）。ｊ昂己一一一Ｄ３’当ｖ一６时：
ｆ，＝７ｊ：藏ｊ百ｊ——ａ赢ｎｖ／１２９６０Ｇｆｖｃｏｓａｔ／３６０Ｇｉｖ／—３６０忑０Ｃ历Ａ赢ｖ／７６１４０ｄＶ（２．１１）’ｊ穆己。。Ｖ／％一一一Ｄ３…、……
沈阳工业大学硕士学位论文
当ｖｙ２ｖｂ时：
。２Ｊ瓦万忑丽丽丽丽而乏劢而¨（２．１∞＋”ｆ型！！！呈塑：ｄ，
。
ｌ昝Ｂ。一Ｇｆｖｃｏｓａ／３６００一Ｇｉｖ／３６００一ＣＤＡｖ’／７６１４０
值得注意的是，在相同电机最大功率下，降低转折转速，可提高电机的低速转矩，从而提高电动汽车的低速爬坡能力，减少静止加速时间；或者说，给定静止加速时间及低速爬坡能力，降低转折转速，可减小电机最大功率，从而降低逆变器容量，降低系统体积、重量及制造成本。但是，电机的体积将增大。图２２为一电动面包车给定ｌｌｋＷ最大功率、静止加速至３０ｋｍ／ｈ时加速时间与转折车速之间的关系‘”。
ｌ６＿司—矿“
簇ｏＩＯ∞３０４０５０∞
吒／ｌｅａ．ｈ－１
图２．２最大功率（即转折功率）一定时静止加速时间与转折车速之间的关系
电动汽车驱动电机设计应在保证电机满足上述性能参数的基础上具有良好的性能指标，即具有尽可能高的转矩密度、尽可能高的效率。
２．２＿３电动汽车用驱动电动机定额的确定
１）额定转速聊
电机的额定转速由电动汽车的经济速度根据传动比反推得到。
２）额定电压【，Ⅳ
电动汽车用驱动电机定子绕组一般采用Ｙ接，此时电机驱动器的逆变器向电动机可提供的线电压最大值只能达到直流供电电压珥，也就是线电压正弦波幅值最大只能达到职。所以，电机的额定电压为
％＝Ｕｃ／４２（２．１３）
特
加
∞
埔
Ｏ¨≥
达里王些盔堂堡主塑！！苎——
３）额定功率ＰⅣ
ｍ上－－，ｌ、节推得的最大转矩，结合ＰＭＳＭ的过载倍数如，额定转速，可以计算出电机的额定功率（ｋｗ）
Ｂ＝意带专Ｑ－Ｈ，过载倍数妇受电机驱动器的容量和电机的散热条件限制，与转子结构（凸极率）有关，一般在电动汽车用ＰＭＳＭ中可以取为３。
４）额定效率．『７Ⅳ，额定功率因数ＣＯＳ≯：
参照同规格的ＰＭＳＭ或根据经验，额定效率可以初步定为０．９３，额定功率因数为０．９５。
５）额定电流知
在前面的基础上，可以计算出额定电流知
１Ｎ２面羔面＠－５’
～３ｕｗＩｆⅪＬｕ３妒
２．２．４本课题所设计的电机的定额
本课题研制的ＰＭＳＭ拟应用于旅游景点用微型面包车。由于旅游景点，特别是山区，路况复杂，对电机要求更高。这种应用场合要求电动汽车爬坡度大，电机过载能力大，机械特性硬，电机控制系统动态响应快。
电动汽车性能指标如下：爬坡度：０．２；经济车速：４０ｋｍ／ｈ最高车速：８０ｋｍ／ｈ：静加速时间：从静止起动，１５ｓ内加速行驶完成ｌＯＯｍ；最大爬坡速度：４８ｋｍ／ｈ。
车体数据：车的质量：５００ｋｇ；载员：８人（７５ｋｇ／Ａ）：车体宽：１．５ｍ：车体高：１，７ｍ；有效面积系数：０．８；车轮半径；０．２５ｍ：传动效率：０．９５：传动比：４．５。
电池数据：２４节；电压：２８８Ｖ：容量：１００Ａｈ；质量：２５０ｋｇ。
电机质量：６０ｋｇ。
由以上数据可以计算得到电机的额定数据和性能指标如表２．１所示：
．１３．
方便改变极弧系数，更容易实现反电动势的正弦性。但是，内置式结构特别是内置切向式结构易于做到更大的凸极率，提高磁阻转矩。
２．３．２电机转子结构的优化及提高功率密度的一个措施
提高电机的功率密度的途径有两条：一是提高电机的线负荷和气隙磁密，从而提高有效材料的利用程度；二是减少有效材料的质量。
研究发现表面插入式结构的转子有效材料并没有充分利用。表面式转子结构的ＰＭＳＭ空载磁场分布如图２．３所示：
图２．３表面式转子结构电机的空载磁场分布
如图中箭头所示，转子磁极下以磁极几何中心线为对称轴的区域内，磁密非常低。对于转子磁路来说，这一区域的铁基本不起作用。从提高有效材料的利用角度出发，可以去掉这部分铁心，而且对转子磁路影响不大。形成的孔可以作为通风孔，以加强转子的散热能力。
（ａ）转子改进后的电机截面图（ｂ）电机的空载磁场分布
．１５—
婆堕三些盔堂堡主堂壁丝塞——
（ｃ）额定负载时ｄ轴磁场分布（ｄ）额定负载对ｑ轴磁场分布
图２．４转子改进后的截面图及磁场分布
转子改进后的电机截面图及电机的空、负载磁场分布如图２．４所示：
２．３．３电机外形尺寸的确定
目前，ＰＭＳＭ尚未实现系列化。为了降低生产成本，电机定子冲片尽量从现有Ｙ系列感应电动机的定子冲片中选取。所以，一旦定子冲片选定，电机的定子内、外径，以及齿、槽尺寸便确定了。只有不得已的情况下才修改定子齿槽尺寸。本设计中，我们通过大量计算发现，定子冲片采用Ｙ１３２Ｍ－－８型感应电机的定子冲片可以满足设计要求。只要再确定电机的长径比，电机的外形尺寸便确定了。
电机的长径比对电机的有效材料峰值功率密度的关系嘲如图２．５所示。由此可以看出，适当地增大长径比可以提高电机的有效材料的峰值功率密度。但是，电机的轴向长度太大，将会使得铁耗增大。
罐一
图２．５长径比与有效材料峰值功率密度之间的关系
－１６．