1、车用驱动电机原理与控制基础第1章 绪论21.1 1.1 电机的发展简史法拉第法拉第（1）“电机技术积累阶段”电机的技术起源可以追溯到1831年法拉第发明盘式电机，直至1866年大功率直流发电机研制成功之前的一段时间，可以称为“电机技术积累阶段”。（2）“直流电机的工业化应用”1866年德国人西门子成功研制自激和并激式大功率直流发电机，开启了大功率机械能向电能转换的序幕，进而引发了19世纪晚期的“电气化”革命。电机技术的发展也进入第一个黄金发展期：“电机技术成熟期”。（3）“交流电动机的发明” 进入十九世纪上半叶，各种交流电机不断发明和发展，开始了电机大量工业应用的第一个黄金年代。（4）“电力电
2、子应用于交流电机调速控制”功率半导体技术的发展极大地促进了交流电机调速技术的进步。图1-1 1831年法拉第圆盘发电机实物模型与电路原理图图1-2 斯特金电机原理图图1-3 斯特金电机原理图31.2 1.2 车用驱动电机的特点和常用类型因为车用的特殊应用需求，车用电机有其显著的技术特征，突出体现在如下方面：1）重量比功率高：量化对于整车的能效提高有直接的贡献，因此与固定设备的工业电机不同，车用电机普遍要求尽可能高的单位质量功率。2）体积比功率高：车用空间的优化是永恒的主题。电机系统越紧凑，就越容易满足整车的需要，实现更深度的“嵌入”设计，因此要求单位体积的电机功率要尽可能高。3）效率高：追求高
3、效率是所有电机应用的基本要求。车用电机的主要特点是，驱动电机的高效率区要宽，不只是在特定工作点上有较高的效率，而在较宽的转速、转矩范围内都有较高的效率，从而满足车辆各种行驶工况下的效率优化。4）调速范围宽：除个别车型采用多个速比的变速箱外，电动汽车基本都只有一个固定速比的减速器；为了满足车辆的高速行驶和低速爬坡需求，车用电机的调速范围要非常宽。5）转矩动态响应快：车用电机持续工作于变工况状态下，高的转矩动态响应既是驾驶员驾驶性主观体验的重要技术基础，也是与整车安全功能相关的核心关键指标。6）短时峰值功率大：汽车匀速行驶所需的持续驱动功率显著低于加速工况所需要的短时峰值功率，但加速工况的持续时间
4、较短，因此车用电机设计上（短时）峰值功率与（持续）额定功率相差可以达到一倍以上。7）长寿命、高可靠、环境适应性好和低成本。41.2 1.2 车用驱动电机的特点和常用类型（1）交流感应电机， 也称异步电机，其特点是结构简单、制造方便、坚固耐用、成本低廉、运行可靠、转矩脉动小、低噪声、不需要位置传感器、转速极限高。局限性是，它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率，因而调速性能略差。而且相对永磁电机而言，异步电机效率和功率密度偏低。（2）永磁同步电机，功率密度和效率是永磁同步电机的突出优势，此外，调速范围广、转矩控制性能好、结构简单和可靠性高等特点也很突出，是目前车用电机的首选类型。针对一些特
5、殊应用场合，比如扁平结构或轴向磁通结构电机，永磁电机的技术优势更加突出。根据转子上永磁体的安装位置不同可以分为面装式（SPM）和内置式（IPM）两大类，其中后者因为转子的凸极效应所产生的“磁阻转矩”可以有效提高电机的效率，在车用电机设计上更受青睐。对于反电动势为方波的永磁同步电机，有时也被归类为“直流无刷电机”（Brushless DC Motor，简称为BLDC）。车用驱动电机永磁同步电机感应电机面装式内置式图1-4 常见车用驱动电机分类51.3 1.3 车用驱动电机的典型应用ISG ISG 电机与P2 P2 电机ISG电机又称作P1电机，其具体的安装位置以及结构形式如图1-5所示，电机与发
6、动机直接连接，电机转子取代了传统的飞轮。此结构对传统汽车传动系统改动少，而且具有元件少、噪音低、起动迅速等优点，是目前最为简单、成熟的一种混合驱动方式。P2电机的安装位置位于变速箱的输入端，如图1-6所示。与ISG构型的本质区别在于发动机和电机之间增加了一个离合器（通常称为K0离合器）。所以P2电机驱动构型可以实现纯电驱动、内燃机驱动和混合动力驱动三种工作模式。与ISG构型的混合动力系统类似，不需要改变原来传统燃油汽车的发动机和变速器基本结构。图1-5 ISG电机构型布置和结构形式图1-6 P2构型安装位置和结构形式61.3 1.3 车用驱动电机的典型应用电机与变速箱的集成将内燃机和电机输出的
7、旋转机械能在变速箱中通过不同方式耦合，即电机与变速箱集成是目前混合动力车辆的重要技术路线，这种将电机与变速箱集成后的变速箱又称作混合动力专用变速器DHT，其工作原理是通过集成一个或者多个电动机到变速器中形成带电动机的自动变速器系统，叠加发动机输入功率后即可实现混合动力驱动的功能。丰田公司的混合动力系统THS是比较典型的DHT变速器。可以看出该系统采用了发动机与双电机（MG1、MG2）3个动力源，并通过行星齿轮耦合构成电控无极变速器，根据车辆的不同工况实现发动机转速和转矩的双自由度调节。当电动机MG2纯电行驶时，发动机通过电动机MG1给电池充电；发动机也可以与电动机MG2（或者MG1）同时驱动汽
8、车。THS属于功率分流混合动力，通过电动机或发动机控制其转矩比例，从而实现传动比的无级调节，所以THS又被称为电动无级变速器。图1-7 第三代THS系统结构示意图71.3 1.3 车用驱动电机的典型应用三合一纯电驱动总成将电机、控制器和减速器集成起来的三合一电驱动总成系统由于其高集成度，是车用电驱动系统的重要发展方向，该种集成形式的电驱动系统的优势在于：1）集成式设计可以使驱动系统体积减小。驱动系统各部件被整合为一体，这无疑使整个系统更紧凑，使得车辆动力系统的布局可以更加灵活；2）集成式设计可以使驱动系统重量减小。随着主要零部件的高度集成，各部件间的连接线材大幅减少，系统重量也得到了优化，使车
9、辆能耗更低；3）集成化设计有效减小了各部件间的距离，优化了能量传输路径，有利于减低损耗，使动力总成效率更高。图1-8 “三合一”电驱动总成81.3 1.3 车用驱动电机的典型应用轮毂电机图1-9 轮边和轮毂电机驱动类型目前轮毂电机驱动方式主要有两种：第一种是所谓“轮边电机”，其典型拓扑结构为内转子外定子，其结构简图如图1-9左图所示，其工作原理是转子作为输出轴与固定减速比的行星齿轮减速器的太阳轮相连，车轮轮毂与其齿圈连接，通过较大的减速比来放大轮毂电机的输出转矩，所以该结构电机一般为高转速内转子电机。第二种是直接驱动轮毂电机，其典型拓扑结构为外转子内定子，结构简图如图1-9右图所示，其工作原理
10、是外转子通过固定装置直接与轮毂相连，当电机运转时，车轮与电机同步旋转，所以直接驱动轮毂电机一般为低速大扭矩外转子电机。车用驱动电机原理与控制基础第2章 磁场与磁路102.1 磁场的产生和度量 2.1.1 磁场及其度量1. 基本磁现象、磁感应强度、磁感线112.1.1 磁场及其度量2. 磁通量、高斯定理图2-2通过任意曲面的磁通量122.1.2 2.1.2 电流的磁效应1. 毕奥- -萨伐尔定律图2-3电流元产生的磁场(毕奥-萨伐尔定律)132.1.2 2.1.2 电流的磁效应2. 真空中磁场的安培环路定理图2- 4 闭合曲线包围载流直长导线142.1.2 2.1.2 电流的磁效应2. 真空中磁
11、场的安培环路定理图2- 5 无限长螺线管152.1.3 2.1.3 （电）磁力1. 洛伦兹力； 2. 安培力图2-6带电粒子在磁场中受力图2-7载流导线在磁场中受力162.2 2.2 电磁感应电磁感应2.2.1 2.2.1 法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律/ /楞次定律楞次定律172.2 2.2 电磁感应电磁感应2.2.2 动生电动势图2-9动生电动势182.2 2.2 电磁感应电磁感应2.2.3 感生电动势192.2 2.2 电磁感应电磁感应2.2.3 感生电动势202.3 2.3 磁介质2.3.1 磁介质 磁化强度212.3 2.3 磁介质2.3.2 磁介质中的安培环路定理图2-2 安
12、培环路定理222.3 2.3 磁介质2.3.3 铁磁材料、硬（永）磁材料图2-14 磁滞回线232.3 2.3 磁介质2.3.3 铁磁材料、硬（永）磁材料图2-15 不同铁磁性物质的磁滞回线a）软磁材料 b）硬磁材料 c）矩磁铁氧体材料242.3 2.3 磁介质2.3.4 磁场的储能图2-16 电缆中的磁能252.4 2.4 磁路、磁路基本定律 2.4.1 2.4.1 磁路的基本定律1. 磁路的概念、磁动势图2-17 变压器的磁路262.4.1 2.4.1 磁路的基本定律2. 磁路的欧姆定律图2-18 无分支铁芯磁路272.4.1 2.4.1 磁路的基本定律3. 磁路的欧姆定律282.4.2
13、2.4.2 磁路的并联和串联1. 磁路的基尔霍夫定律292.4.2 2.4.2 磁路的并联和串联2. 简单串联磁路302.4.2 2.4.2 磁路的并联和串联3. 简单并联磁路312.5 2.5 典型直流磁路 2.5.1 2.5.1 双线圈励磁、磁链1. 仅有线圈励磁的情况、自感图2-23 双线圈励磁的铁芯及其等效电路图322.5 2.5 典型直流磁路 2.5.1 2.5.1 双线圈励磁、磁链1. 仅有线圈励磁的情况、自感332.5.1 2.5.1 双线圈励磁、磁链2. 线圈和线圈同时励磁的情况、互感342.5.1 2.5.1 双线圈励磁、磁链2. 线圈和线圈同时励磁的情况、互感352.5.2
14、 2.5.2 永磁磁路的计算特点1. 永磁磁路及其特点图2-24 开有气隙的永磁磁路362.5.2 2.5.2 永磁磁路的计算特点1. 永磁磁路及其特点图2-25 永磁体的退磁曲线372.5.2 2.5.2 永磁磁路的计算特点2. 工作点的图解法图2-26 永磁体工作点的确定由于永磁体的退磁曲线不一定是直线，另外，磁路中还可能含有非线性的铁芯段，所以这是一个非线性问题，因此用图解法来求解比较方便。图解法的步骤为：382.5.2 2.5.2 永磁磁路的计算特点3. 永磁体最小体积的确定392.6 2.6 典型交流磁路单相变压器2.6.1 正弦（时间变）量的相量表示正弦（时间变）量的相量表示图2-
15、27 复数及相量图2-28 相量图、相量的超前与滞后402.6 2.6 典型交流磁路单相变压器2.6.1 正弦（时间变）量的相量表示正弦（时间变）量的相量表示本书区别相量和向量二者的联系是数学上都可以用复数表示，并都可以与二维复平面上的矢量对应，并满足相应的复数运算法则；二者的主要区别是相量仅仅表示以时间为自变量的正弦交流量，而向量还可以表示以空间坐标为自变量的空间（旋转）矢量。向量统一用加黑斜体表示，以区别于相量。此外，要注意区分最大值相量最大值相量和有效值相量有效值相量表示的差异，本书不特别说明，所指的相量均为最大值相量。412.6 2.6 典型交流磁路单相变压器2.6.2 2.6.2 单
16、相交流电路中的有功功率和功率因数图2-29功率三角形422.6.3 2.6.3 交流磁路的特点、变压器原理1. 交流磁路的特点;2.变压器磁路及其工作原理交流磁路的励磁电流是交流，为把交、直流激励区分，本书中对交流励磁电流以后称为激磁电流激磁电流。交流磁路中的磁动势及其所激励的磁通均随时间而交变，但每一瞬间仍和直流磁路一样，遵循磁路的基本定律。就瞬时值而言，通常情况下，可以使用与直流磁路相同的基本磁化曲线。交变磁通除了会引起铁芯损耗之外，还有以下几个效应：1）磁通量随时间交变，必然会在激磁线圈内产生感应（反）电动势；2）激磁电流与铁芯中的主磁通之间存在一定的相位差，因此激磁电流中除磁化电流外，
17、还有与铁芯损耗相对应的铁耗电流；3）磁路的非线性会导致激磁电流、磁通和电动势的波形产生畸变。本章以单相变压器为例介绍变压器运行时的物理过程，其中电势及磁势平衡方程式、相量图最为重要。并要注意它们是同一内容的不同表示方式，是相辅相成的。变压器是典型的交流磁路,变压器就是以磁场为媒介，利用电磁感应原理将绕组1中的电能传递给绕组2的一种静止的电能转换器。绕组1吸收电能，被称为一次绕组，有关一次绕组的各量均以下标“1”来表示。绕组2输出电能，被称为二次绕组，有关二次绕组的各量均以下标“2”来表示。432.6.4 2.6.4 变压器空载运行变压器空载运行1. 电势平衡方程式442.6.4 2.6.4 变
18、压器空载运行变压器空载运行2. 2. 主磁通的感应电势452.6.4 2.6.4 变压器空载运行变压器空载运行3. 3. 漏磁通的感应电势和电势平衡462.6.4 2.6.4 变压器空载运行变压器空载运行4. 4. 变压器的空载相量图图2-32 变压器的空载磁化电流相量图2-33 考虑铁芯损耗后变压器的激磁电流472.6.5 2.6.5 变压器的负载运行1. 1. 磁势平衡方程式482.6.5 2.6.5 变压器的负载运行2. 2. 负载后一次与二次侧的电势平衡方程式492.6.5 2.6.5 变压器的负载运行3. 3. 变压器的负载相量图车用驱动电机原理与控制基础第3 3章 机电能量转换与电
19、磁转矩的生成513.1 3.1 具有机械端口的电磁系统/ /直线电机模型自由电荷在磁场中受力自由电荷在磁场中受力图2-6 自由电荷在磁场中受力情况523.1 3.1 具有机械端口的电磁系统/ /直线电机模型直线电机模型直线电机模型图3-1 通电导线在磁场中受力情况533.1 3.1 具有机械端口的电磁系统/ /直线电机模型图3-2 通电导线中电荷运动合成及在磁场中受力合成543.1 3.1 具有机械端口的电磁系统/ /直线电机模型机电能量转换机电能量转换基本特点基本特点电机工作过程的机电能量转换过程比这个要复杂很多，但本质上是一样的，机电能量转换过程具有如下基本特征：1）洛伦兹力是机电能量转换
20、的微观物理基础；2）磁场在机电能量转换过程中是重要的媒介，但磁能并不必然增加或减少；3）机电能量转换必要地要存在机械端口和电端口两个能量耦合端口，且端口上应作用有“有势量”：机械端口是力或转矩而电端口是电势或电场；4）感应电动势的存在是从电端口获得或回馈电能的必要条件。注意，在本例中假设工作磁场是恒定的，忽略了导线电流周围磁场影响。这没有反映实际电机工作情况。实际电机中存在电枢反应过程，气隙磁场是电枢磁场与转子磁场的合成磁场。553.2 3.2 电磁系统的储能：磁能与磁共能3.2.1 3.2.1 电机内部的能量转换过程概述图3-3 把损耗分离使系统成为“无损耗磁储能系统”563.2.2 3.2
21、.2 磁路的磁能与磁共能1 1单线圈励磁系统的储能图3-4双线圈励磁的铁心573.2.2 3.2.2 磁路的磁能与磁共能1 1单线圈励磁系统的储能图3-5磁路的-i 曲线583.2.2 3.2.2 磁路的磁能与磁共能2 2双线圈励磁图3-6 磁能的积分路径593.2.2 3.2.2 磁路的磁能与磁共能2 2双线圈励磁603.3 3.3 电磁转矩的生成和统一表达式3.3.1 3.3.1 电磁转矩的生成图3-7具有定、转子绕组和气隙的机电装置613.3 3.3 电磁转矩的生成和统一表达式3.3.1 3.3.1 电磁转矩的生成623.3 3.3 电磁转矩的生成和统一表达式3.3.2 3.3.2 机电
22、能量转换过程机电能量转换过程633.3 3.3 电磁转矩的生成和统一表达式3.3.3 3.3.3 磁阻转矩 图3-8 磁阻转矩的生成图3-9 定子绕组自感的变化曲线643.3 3.3 电磁转矩的生成和统一表达式3.3.3 3.3.3 磁阻转矩图3-9 磁阻转矩随转子位置变化规律 图3-8 磁阻转矩的生成653.4 3.4 机电能量转换的一般原理 3.4.1 拉格朗日-麦克斯韦方程电磁铁的电磁力图3-12 电磁铁车用驱动电机原理与控制基础第4章交流绕组及其磁动势674.1 典型交流绕组结构 4.1.1 交流绕组的分类和主要设计参数1. 1. 交流绕组的分类交流绕组的分类一般采用表面绝缘的铜材料导
23、体先绕制成多匝线圈（也称为线圈元件），将线圈放置在合适的定子槽中。一个线圈是由多圈导线绕制而成的多匝线圈，嵌在铁芯槽内的部分称为有效边，在铁芯两边的称为端部。684.1.1 交流绕组的分类和主要设计参数2. 2. 绕组绕组/ /线圈的主要几何参数线圈的主要几何参数名称名称符号符号公式表述公式表述定义定义相数相数 定子引出电端口相数极对数极对数 电机磁场极对数槽数槽数 定子开槽总数线圈节距线圈节距 线圈元件跨越的槽数极距极距（转子）每磁极对应的定子槽数每极每相槽数每极每相槽数每极下每相所占的槽区域槽距角槽距角相邻两个槽相差的空间电角度694.1.1 交流绕组的分类和主要设计参数2. 2. 绕组绕
24、组/ /线圈的主要几何参数线圈的主要几何参数704.1.2 三相分布绕组的设计1. 1. 单层分布绕组单层分布绕组名称名称符号符号数值数值相数相数3极对数极对数1槽数槽数6线圈节距线圈节距3极距极距3每极每相槽数每极每相槽数/相带相带1槽距角槽距角60o3相1对极6槽定子单层分布绕组参数表采用相带划分来设计绕组是一种常用的方法，主要步骤为：1） 绘出所有槽的圆图（逆时针为正方向）2） 划分相带（U、V、W，60o相带，并假设当前时刻1、2、3槽为N极，4、5、6槽为S极）3） 连接端部，构成线圈 （分别是A-X（U相）、B-Y（V相）、C-Z（W相），三个元件空间对称布置）4） 连接线圈，构成
25、绕组（线圈的末端X、Y、Z连接在一起，构成星形连接方式。）对于更复杂的绕组，“绕组展开图”可以更好地描述绕组的连接关系（如图4-4c所示）。6槽电机的铁芯利用率太低，提高铁芯利用率的手段之一是在定子铁芯上多开槽，增加嵌线匝数。槽数增加的直接效果是在其他设计参数不变的情况下每极每相槽数增加。图4-4 6槽单层绕组接线图和绕组展开图（m=3，Z=6，p=1，q=1，y=6）714.1.2 三相分布绕组的设计1. 1. 单层分布绕组单层分布绕组724.1.2 三相分布绕组的设计2. 2. 双层叠绕组双层叠绕组图4-7 三相双层绕组的槽电动势星形图734.1.2 三相分布绕组的设计2. 2. 双层叠绕
26、组双层叠绕组表4-3 各个相带的槽号分配（60度相带）极对相带AZBXCY1，2，34，5，67，8，910，11，1213，14，1516，17，1819，20，2122，23，2425，26，2728，29，3031，32，3334，35，36744.1.2 三相分布绕组的设计2. 2. 双层叠绕组双层叠绕组图4-8 三相双层叠绕组中A相绕组的展开图（Z=36，p=2，m=3，y=8，两极相组串联）754.1.2 三相分布绕组的设计2. 2. 双层叠绕组双层叠绕组/ /并联支路并联支路图4-9 A相绕组内12个线圈的连接（一条支路）图4-10 A相绕组内12个线圈的连接（两条支路）764.
27、2 4.2 正弦电流激励单相绕组的磁动势正弦电流激励单相绕组的磁动势 4.2.1 单相绕组的磁动势1. 1. 整距线圈的矩形波磁动势整距线圈的矩形波磁动势图4-11 单个线圈的磁动势a） 整距线圈所产生的磁场b）整距线圈的磁动势波函数774.2.1 单相绕组的磁动势2. 2. 单相绕组的合成磁动势单相绕组的合成磁动势784.2.2 余弦电流激励下单相绕组的（脉振）磁动势单相绕组的基波脉振磁动势波单相绕组的基波脉振磁动势波图4-13 不同瞬间，单相绕组的基波脉振磁动势波（驻波）794.2.2 余弦电流激励下单相绕组的（脉振）磁动势单相绕组的谐波磁动势单相绕组的谐波磁动势图4-14谐波磁动势的空间
28、分布804.2.2 余弦电流激励下单相绕组的（脉振）磁动势相绕组磁动势的时空关系相绕组磁动势的时空关系这里应特别强调由相绕组磁动势反映出的时空关系，也就是磁动势空间矢量的时空特征。第一，相绕组磁动势的实际波形（矩形波或梯形波）决定于空间因素，即仅决定于绕组的分布形式，而与激磁电流无关。第二，相绕组匝数和分布形式确定后，相绕组基波磁动势的幅值和方向仅决定于相电流（时间变量）的大小和方向；或者说，任意波形的相电流都可产生沿气隙中心线（余弦）分布的磁动势波，只是某时刻（基波）磁动势的幅值和方向决定于相电流的瞬时值。814.3 对称三相电流激励三相绕组的磁动势4.3.1 4.3.1 三相绕组的基波合成
29、磁动势三相绕组的基波合成磁动势824.3 对称三相电流激励三相绕组的磁动势4.3.1 4.3.1 三相绕组的基波合成磁动势三相绕组的基波合成磁动势图4-16不同时刻的三相基波图4-17旋转磁动势波834.3.2 电机的时空一致性、空间矢量图4-18电机轴向断面对应的空间复平面844.3.3 平面旋转磁动势的空间矢量表达图4-19 轴线圈及其对应的原理图、对应空间矢量图画法854.3.3 平面旋转磁动势的空间矢量表达864.5 定子电压、电流及磁链矢量4.5.1 4.5.1 定子电流矢量和电压矢量定子电流矢量和电压矢量图4-21 定、转子电流矢量与“轴线圈”等效874.5.1 定子电流矢量和电压
30、矢量电流矢量电流矢量884.5.1 4.5.1 定子电流矢量和电压矢量定子电流矢量和电压矢量电压矢量电压矢量图4-21 定、转子电流矢量与“轴线圈”等效894.5.2 4.5.2 定子磁链矢量定子磁链矢量图4-22A 相绕组产生的余弦分布磁场a) 余弦分布磁动势波b) 余弦分布磁场展开904.6 4.6 空间矢量的微分运算和线性变换空间矢量的微分运算和线性变换4.6.1 4.6.1 空间矢量的矢量变换空间矢量的矢量变换图4-23静止ABC 轴系与静止 轴系914.6.1 空间矢量的矢量变换924.6.1 空间矢量的矢量变换2 2静止静止轴系到任意同步旋转轴系到任意同步旋转DQDQ轴系的变换轴系
31、的变换934.6.1 空间矢量的矢量变换2 2静止静止轴系到任意同步旋转轴系到任意同步旋转DQDQ轴系的变换轴系的变换944.6.2 4.6.2 空间矢量的坐标变换空间矢量的坐标变换ClarkClark变换变换954.6.2 4.6.2 空间矢量的坐标变换空间矢量的坐标变换ParkPark变换变换964.6.3 等幅值线性变换前后的磁共能计算974.6.3 等幅值线性变换前后的磁共能计算车用驱动电机原理与控制基础第5章 永磁同步电机的空间矢量描述和磁场定向控制995.1 PMSM转子结构及物理模型插入式PMSM将永磁体嵌入或内装在转子铁芯内，在结构上增强了可靠性，可提高运行速度。特别的，因为永
32、磁铁的磁导率接近于真空磁导率，所以插入式转子结构的气隙是不均匀的，即转子为“凸极”结构，由此产生的磁阻转矩可提高PMSM电机的转矩/电流比，相同转矩需求下可降低永磁体励磁磁通，减小永磁体的体积，既有利于弱磁运行，扩展速度范围，又可降低成本。所以，车用PMSM电机以插入式为主。图5-1 面装式转子结构 图5-2 插入式转子结构1005.1.1 面装式PMSM电机物理模型取逆时针方向为转速和电磁转矩的正方向。对于面装式转子结构，由于永磁体内部磁导率很小，接近于空气，可以将置于转子表面的永磁体等效为置于转子槽内的励磁绕组，假设励磁绕组气隙中产生的正弦分布励磁磁场与两个永磁体产生的正弦分布磁场相同。a
33、）结构简图 b）转子等效励磁绕组 图5-3 二极面装式PMSM物理模型1015.1.2 插入式PMSM电机物理模型图5-4 二极插入式PMSM结构简图、等效物理模型a）结构简图 b）转子等效励磁绕组c）物理模型1025.2 空间矢量方程 5.2.1 定子磁链和电压方程1 1定子磁链矢量定子磁链矢量1035.2 空间矢量方程 5.2.1 定子磁链和电压方程1 1定子磁链矢量定子磁链矢量1045.2 空间矢量方程 5.2.1 定子磁链和电压方程2 2定子电压方程定子电压方程1055.2.2 电压矢量方程在同步坐标系下的分解定子磁链矢量定子磁链矢量分解分解图5-5 同步旋转的dq轴系将单轴线圈S分解
34、为dq轴系上的双轴线圈d和q，每个轴线圈的有效匝数仍与单轴线圈相同。1065.2.2 电压矢量方程在同步坐标系下的分解定子电压方程定子电压方程1075.2.2 电压矢量方程在同步坐标系下的分解图5-6内置式PMSM 的稳态矢量图(id 0)稳态稳态电压方程电压方程和空间矢量图和空间矢量图1085.2.2 电压矢量方程在同步坐标系下的分解面装式面装式PMSM稳态矢量图稳态矢量图图5-7 面装式PMSM稳态矢量图1095.3 PMSM磁共能和转矩模型磁共能的解析表达磁共能的解析表达1105.3 PMSM磁共能和转矩模型电磁转矩电磁转矩公式公式1115.3 PMSM磁共能和转矩模型电磁转矩电磁转矩公
35、式公式1125.3 PMSM磁共能和转矩模型恒转矩曲线恒转矩曲线图5-9 电流相平面上恒转矩特性曲线1135.4 永磁同步电机的磁场定向控制5.4.15.4.1永磁同步电机的矢量控制和磁场定向永磁同步电机的矢量控制和磁场定向1145.4.2恒转矩曲线和电流极限圆、MTPA图5-11最大转矩电流比的定子电流矢量轨迹1155.4.2恒转矩曲线和电流极限圆、MTPA图5-13电流极限圆和MTPA 曲线图5-12不同电流幅值下的矩角特性1165.4.3 电压极限椭圆、弱磁控制和MTPV1. 1. 电压极限椭圆电压极限椭圆1175.4.3 电压极限椭圆、弱磁控制和MTPV1. 1. 电压极限椭圆电压极限
36、椭圆图5-14电压极限椭圆1185.4.3 电压极限椭圆、弱磁控制和MTPV2. 转折速度和基速1195.4.3 电压极限椭圆、弱磁控制和MTPV3 3 弱磁控制方式弱磁控制方式在外特性曲线上, 基速是恒转矩运行与恒功率运行区的分界点。恒功率区运行的基本原理是增加d 轴去磁电流, 扩大电机运行区间, 因此, 恒功率运行区也称弱磁区。在部分特性(外特性以内) 曲线上, 基速工作点Brb (rb , temax ) 与空载基速工作点(rb0 , 0) 之间的连线为弱磁分界线。图5-16 恒转矩与恒功率运行(外特性) 曲线1205.4.3 电压极限椭圆、弱磁控制和MTPV3 3 弱磁控制方式弱磁控制
37、方式1215.4.3 电压极限椭圆、弱磁控制和MTPV3 3 弱磁控制方式弱磁控制方式1225.4.3 电压极限椭圆、弱磁控制和MTPV3 3 弱磁控制方式弱磁控制方式图5-17 弱磁控制与定子电流最优控制图5-16 恒转矩与恒功率运行(外特性) 曲线1235.4.4 永磁同步电机的制动基本原理驱动工况驱动工况图5-19永磁同步电机磁场定向控制下的矢量图a) 驱动1245.4.4 永磁同步电机的制动基本原理回馈制动和能耗制动回馈制动和能耗制动b) 回馈制动 c) 能耗制动图5-19永磁同步电机磁场定向控制下的矢量图车用驱动电机原理与控制基础第6章 感应电机的空间矢量描述和磁场定向控制1266.
38、1 感应电机转子结构和工作原理6.1.1 6.1.1 三相感应电机转子结构三相感应电机转子结构a）鼠笼型绕组b）绕线式异步电机转子结构图6-1 感应电机转子结构示意图感应电机的定子结构与交流同步电机基本相同，主要差别在于转子结构和转子磁场的产生原理不同。感应电机的转子电磁结构主要包括转子铁芯和转子绕组两部分，常见的绕组类型为鼠笼型和绕线型两种。1. 鼠笼型绕组鼠笼型绕组鼠笼型绕组是一个自行闭合的短路绕组，它由插入每个转子槽的导条和两端的环形端环组成，如果去掉铁芯，整个绕组如一个“圆形鼠笼”，如图6-1所示，因此称为鼠笼型绕组。转子铁芯作为电机磁路的一部分，所用材料与定子一样，由硅钢片冲制、叠压
39、而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的槽，用来安置转子绕组。2. 绕线型转子绕线型转子绕线型转子的槽内嵌有绝缘导线组成的三相绕组，绕组的三个出线端接到装在轴上的三个集电环上，通过电刷与外电路连接，如图6-1所示，这种转子的特点是可以在转子绕组中接入外加可调电阻，以改善电动机的起动和调速性能。与鼠笼型转子相比较，绕线型转子结构稍复杂，价格稍贵，在车用电驱动系统中基本没有应用。1276.1.2 三相感应电机的工作原理和物理模型a）等效物理模型 b）等效轴线圈表示图6-2 三相感应电机物理模型定子为三相对称绕组，结构与三相同步电机相同。同时将转子也等效成三相对称绕组a-x、b-y和c-z，并将其短接起来，于
40、是就构成了基本的三相感应电机。1286.1.2 三相感应电机的工作原理和物理模型转差角频率和转差率转差角频率和转差率1296.1.2 三相感应电机的工作原理和物理模型两轴等效物理模型两轴等效物理模型图6-3 三相感应电动机的等效2轴物理模型1306.1.3 6.1.3 定子坐标系、转子坐标系和磁场同步坐标系定子坐标系、转子坐标系和磁场同步坐标系表6-1 三个坐标轴系下的电流矢量表示及变换关系1316.2 感应电机的矢量方程 6.2.1 感应电机定转子电感与磁链1. 1. 三相绕组自感和互感三相绕组自感和互感1326.2.1 感应电机定转子电感与磁链1. 1. 三相绕组自感和互感三相绕组自感和互
41、感1336.2.1 感应电机定转子电感与磁链1. 1. 三相绕组自感和互感三相绕组自感和互感1346.2.1 感应电机定转子电感与磁链2. 2. 定转子磁链空间矢量定转子磁链空间矢量1356.2.1 感应电机定转子电感与磁链2. 2. 定转子磁链空间矢量定转子磁链空间矢量1366.2.1 感应电机定转子电感与磁链2. 2. 定转子磁链空间矢量定转子磁链空间矢量图6-4 三相感应电动机内定、转子电流和各磁链矢量1376.2.2 静止轴系下的空间矢量方程1. 1. 定子电压方程定子电压方程1386.2.2 静止轴系下的空间矢量方程2. 2. 转子电压方程转子电压方程1396.2.2 静止轴系下的空
42、间矢量方程2. 2. 转子电压方程转子电压方程1406.2.2 静止轴系下的空间矢量方程2. 2. 转子电压方程转子电压方程图6-5 三相感应电机稳态矢量图1416.2.3 任意同步旋转DQ轴系矢量方程矢量方程矢量方程1426.2.3 任意同步旋转DQ轴系矢量方程矢量方程的坐标分解矢量方程的坐标分解1436.3 6.3 转子磁场建立过程及其定向转子磁场建立过程及其定向图6-7 转子磁场表示为气隙磁场与转子漏磁场的合成1446.3.1 运动电动势诱导的转子图6-8转子磁场幅值恒定时的转子等效电流矢量a）由转子导条电流构成的转子磁动势矢量b）导条中运动电动势和电流大小的空间分布1456.3.1 运
43、动电动势诱导的转子图6-8转子磁场幅值恒定时的转子等效电流矢量c）转子线圈电流磁动势矢量及其合成d）转子t轴伪静止线圈t1466.3.2 感生电动势诱导的转子m轴磁动势a）转子电流与转子磁动势 b）导条中变压器电动势和电流大小的空间分布图6-9 转子磁场幅值变化时的转子电流矢量电机在动态运行过程中，如果转子磁场幅值发生了变化，那么在转子各导条中会感生出变压器电动势。若在图6-9a所示时刻，转子磁场幅值正在增加，由楞次定律，各导条中的电动势便如图6-9a中所示。1476.4 转子磁场定向（MT轴系）矢量方程6.4.1 MT6.4.1 MT轴系的定义和特征轴系的定义和特征图6-10 转子笼型绕组等
44、效为MT轴线圈图6-11 磁场定向MT轴系1486.4.2 定、转子磁链方程1496.4.3 定、转子电压方程1. 1. 动态电压方程动态电压方程1506.4.3 定、转子电压方程2. 2. 稳稳态电压方程态电压方程1516.4.4 6.4.4 定、转子电流方程定、转子电流方程1. 1. 励磁分量励磁分量1526.4.4 6.4.4 定、转子电流方程定、转子电流方程2. 2. 转矩分量转矩分量1536.4.4 6.4.4 定、转子电流方程定、转子电流方程2. 2. 转矩分量转矩分量图6-12 磁场定向后三相感应电动机磁链和电流矢量图a） 磁链和电流动态矢量图；1546.4.5 6.4.5 转矩
45、方程转矩方程用电流表达的转矩公式用电流表达的转矩公式1556.4.5 6.4.5 转矩方程转矩方程用磁链表达的转矩公式用磁链表达的转矩公式1566.4.5 6.4.5 转矩方程转矩方程用用坐标分量坐标分量和转差角频率和转差角频率来来表示的转矩公式表示的转矩公式1576.5 6.5 基于转子磁场定向矢量控制系统基于转子磁场定向矢量控制系统6.5.1 6.5.1 电压电压电流模型电流模型磁场定向是矢量控制中必不可少的。而在三相感应电机的矢量控制中，由于其转子磁场方向不可直接通过检测转子位置的方式检测，因此，感应电机较PMSM矢量控制更为复杂，需要对转子磁场方向进行估计。感应电机转子磁场定向是通过运
46、算（估计）来确定转子磁链矢量的空间位置，通常是通过一定的运算估计出转子磁链矢量，称为磁链观测法。磁链估计一般是根据定子电压矢量方程或者转子电压矢量方程，利用可以直接检测到的物理量，例如定子三相电压、电流和转速，通过必要的运算来获得转子磁链矢量的幅值和相位信息。常用的转子磁链估计方法主要有电压电流模型以及电流转速模型。在中、高速范围选择电压电流模型较合适，而电流转速模型适合于低速。也可以将两种模型结合起来，以相互弥补高频和低频的不足，在中、高速时采用电压电流模型，在低速时采用电流转速模型，但模型切换应快速而平滑。1586.5 6.5 基于转子磁场定向矢量控制系统基于转子磁场定向矢量控制系统6.5
47、.1 6.5.1 电压电压电流模型电流模型图6-13 电压电流模型1596.5 6.5 基于转子磁场定向矢量控制系统基于转子磁场定向矢量控制系统6.5.2 6.5.2 电流电流转速模型转速模型1606.5 6.5 基于转子磁场定向矢量控制系统基于转子磁场定向矢量控制系统6.5.2 6.5.2 电流电流转速模型转速模型图6-14 以定子电流和转速的实测值作为输入的MT轴系“电流转速”模型1616.6 转子磁场定向感应电动机控制实现6.6.1 6.6.1 转子磁场定向控制基本结构转子磁场定向控制基本结构图6-15 基于转子磁场定向的感应电机矢量控制1626.6.2 6.6.2 最大转矩最大转矩/
48、/电流比控制电流比控制1636.6.3 6.6.3 弱磁控制弱磁控制图6-16 感应电机全速度范围运行区域感应电机弱磁控制应以最大转矩输出为目标，考虑到电压、电流的限制条件，对电流进行合理分配。由于受到电压和电流的限制，在弱磁区感应电机输出的有效转矩减小。而在电压和电流有限制的情况下，为了充分利用驱动系统的最大转矩能力，需要对电压和电流进行最合理的利用。感应电机在整个速度范围可以分为3个区域：恒转矩区、恒功率区和恒电压区，如图6-16所示。当电机转速小于弱磁基速时，由于产生的反电动势小于逆变器输出的最大电压，电机运行仅受到电机允许通过的最大电流限制，可以输出的最大转矩保持不变，因此，该区域称为
49、恒转矩区。弱磁基速以上进入弱磁区，反电动势几乎等于逆变器输出的最大电压。电机运行要同时受到最大电流和最大电压的限制，但输出功率恒定，因此称为恒功率区；随着电机转速的继续升高，电流由于最大转差率的限制不能保持最大值，此时只受到最大电压限制，输出功率和转矩随着转速的上升而急剧降低，因此称为恒电压区。1646.6.3 6.6.3 弱磁控制弱磁控制第7章 车用电机驱动逆变技术1667.1 脉宽调制逆变器和空间矢量调制原理定子电压基矢量定子电压基矢量图7-1 定子电压矢量-绕组由逆变器供电1677.1 脉宽调制逆变器和空间矢量调制原理定子电压基矢量定子电压基矢量图7-2 定子电压矢量（100矢量）168
50、7.1 脉宽调制逆变器和空间矢量调制原理定子电压基矢量定子电压基矢量图7-3 基本电压空间矢量1697.1 脉宽调制逆变器和空间矢量调制原理伏秒等效原理和伏秒等效原理和SVPWMSVPWM图7-4 空间电压矢量的合成1707.1 脉宽调制逆变器和空间矢量调制原理伏秒等效原理和伏秒等效原理和SVPWMSVPWM图7-5 基本电压空间矢量1717.1 脉宽调制逆变器和空间矢量调制原理伏秒等效原理和伏秒等效原理和SVPWMSVPWM图7-6 定子参考电压矢量合成第二步，在确定扇区后，由组成该扇区的非零电压基矢量及零电压矢量，对电压指令进行合成。1727.1 脉宽调制逆变器和空间矢量调制原理伏秒等效原
