混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用永磁無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)文.

1、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用永磁無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)講演人方潔圖3 控制系統(tǒng)組成原理圖電流檢測(cè)主禪板（1SP） （職或電路 （軸助，保護(hù)）v? n n vs H LLUIJA 已研制的混合動(dòng)力電動(dòng) 汽車用稀土永磁無刷直流電 機(jī)的控制系統(tǒng)為水冷結(jié)構(gòu)形 式，采用模塊化設(shè)計(jì)的數(shù)V 控制技術(shù)，具有體積小、輸 出功率人，集電動(dòng)控制、發(fā) 電控制、制動(dòng)控制于一體的 特點(diǎn)，該控制系統(tǒng)的基本組 成原理如圖3所示。2013-3-2682.3控制系統(tǒng)組成永磁電機(jī)本體的定子為 三相繞組星形連接，控制系 統(tǒng)由功率4電路和4” K板構(gòu) 成,功率主電路是由IGBT大 功率模塊構(gòu)成三相逆變橋， 主控板是由電機(jī)控制專用的 DSP 芯

2、片 TMS320F240及輔 助電路和驅(qū)動(dòng)電路等組成， 接收上位機(jī)的信號(hào)，由該控信 系統(tǒng)完成電動(dòng)控制，發(fā)電控制 及制動(dòng)控制等功能。2013-3-263電機(jī)本體設(shè)計(jì)分析 3.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)圖4優(yōu)化設(shè)計(jì)基木框圖本文以有限元法為基礎(chǔ)，采用場(chǎng)路結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行多 方案的計(jì)算比較和優(yōu)化選擇。其優(yōu)化設(shè)計(jì)基本框圖如圖4所示。2013-3-26113.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具體是以電機(jī)有關(guān)兒何尺寸為設(shè)計(jì)變帚:，以電機(jī)有關(guān)電磁參帚:和性 能指標(biāo)為函數(shù)約束，以電機(jī)的輸出功率、效率、體積等為冃標(biāo)函數(shù)， 進(jìn)行準(zhǔn)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì),使得電機(jī)在可行域內(nèi),輸出功率盡可能的 人，效率盡可能的高,而體積卻盡可能的小c利用己有的優(yōu)化

3、設(shè)計(jì)程 序，對(duì)該電機(jī)進(jìn)行可行方案的尋優(yōu)計(jì)算。圖4優(yōu)化設(shè)計(jì)基本框圖2013-3-26112013-3-263.2電路分析數(shù)學(xué)模型假設(shè)電機(jī)三札1繞組完全對(duì)稱，II. 認(rèn)為感應(yīng)電勢(shì)的氣隙磁場(chǎng)波形為 大-F1?O平頂卅府的梯形汕.則電機(jī)繞組的自感和互感可認(rèn)為,k X常數(shù)，該電機(jī)答效電路町描述為如圖5所示，R為和電阻，LM 為一相繞組等效電感,%、Cb、ec 分別為A、B、C相繞組反電勢(shì)， 収、曲、Uc分別為A、B、C相 繞組端電壓。n亠C - r tm- ic R 圖5L-M電機(jī)等效電路3.2電路分析數(shù)學(xué)模型該電機(jī)等效電路的電壓T：衡方程式可衣示為E A +( L M 雪 + s 心=f/b + (L

4、-M)學(xué) + 勺 dzHtRic 4 (L M)+ 匕（1）且沐+訂+論=0(2)電磁轉(zhuǎn)矩為(3式中3為轉(zhuǎn)子機(jī)械飭速度。132013-3-264控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 4.1電動(dòng)運(yùn)行控制在電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，采用兩相導(dǎo)通六狀態(tài)的控制方式，任一時(shí)刻只有兩只功率開關(guān)管導(dǎo)通,分別屈丁上半橋和下半橋,但不處丁同 橋恃，在調(diào)速控制時(shí)，只有下半橋功率開關(guān)管工作丁PWM狀態(tài)。電動(dòng)運(yùn)行控制信號(hào)波形如圖6所示。圖6 電動(dòng)運(yùn)行控制侑號(hào)波形2013-3-26154.1電動(dòng)運(yùn)行控制以VI和V6導(dǎo)通的磁狀態(tài)為例，工作回路為蓄電池正極V1A和 繞組一B相繞組V6-語電池負(fù)極。、”|忽略導(dǎo)通管的丿k降，結(jié)合圖3 和圖5町將該磁狀態(tài)的

5、電動(dòng)運(yùn)行等效電路描述為如圖7所示。2013-3-2616152013-3-264.1電動(dòng)運(yùn)行控制結(jié)合式可得該回路的電爪方程為u 心=(L M)務(wù)仃、一幾)+ R(i 一八)+“ 一(4)令i=iA=-iB； Ud=uA-uB, 為電池電丿從eA-eB=2E, E為梯形波氣隙磁場(chǎng) 波形平頂人丁 120。時(shí)的和電勢(shì)。則回路電流為：1兒一2E2R式中：io =4.1電動(dòng)運(yùn)行控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為T _ (匕仏+譏)=2EIU)0)(6)2013-3-2619|上位機(jī)u主控板DSP） （岷動(dòng)電路 （細(xì)助/保護(hù)）對(duì)V6進(jìn)行PWM控制，就町拎制電流的平均值，從而控制平均電 磁轉(zhuǎn)矩。這里分析了60電角度的-個(gè)

6、磁狀態(tài)，對(duì)于其他五個(gè)磁狀態(tài) 可同理分析。2013-3-264.2發(fā)電運(yùn)行控制在發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，利 用上控板的控制信號(hào)將功率 主電路I:半橋的功率管VI、 V3. V5全關(guān)閉，而下半橋的 功率管V2、V4、V6分別按一 定規(guī)律進(jìn)行PWM控制，這樣, 因上半橋續(xù)流極管的存在， 其等效電路似同一個(gè)半控整 流電路。另外，因混合電動(dòng) 汽車的電源是蓄電池，電機(jī) 在進(jìn)入發(fā)電工作時(shí)，其發(fā)電 電壓必須高于蒂電池電壓圖3 控制系統(tǒng)組成原理圖 4.2發(fā)電運(yùn)行控制才能輸出電功率，所以發(fā)電運(yùn)行的控制方法是采川半控整流的PWM升 壓匸作原理，但是,在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)應(yīng)考慮到最高轉(zhuǎn)速的發(fā)電輸出電壓 不人于蓄電池的額定電壓Up則低

7、轉(zhuǎn)速時(shí)的發(fā)電運(yùn)行是讓下半橋的功率管V2. V4、V6按規(guī)律作PWM 匚作產(chǎn)生泵升電壓，當(dāng)泵升電壓 嵩丁蓄電池的端電壓時(shí)就輸出電 能，這過程全部111主控板控制。 發(fā)電運(yùn)行控制倍弓波形如圖8所示r2013-3-260 Mc 12U3 lW24(f圖8發(fā)電運(yùn)行控M侑號(hào)波形194.2發(fā)電運(yùn)行控制(a)鋰口山時(shí)間段X導(dǎo)通為了分析問題方便，選擇與電動(dòng)運(yùn)行VI. V6導(dǎo)通刈W的磁狀態(tài)位 置，在發(fā)電運(yùn)行時(shí)并不是VI. V6導(dǎo)通，而是V4導(dǎo)通，且脈寬調(diào)制匚 作，取PWM的個(gè)脈沖周期T進(jìn)行分析。設(shè)導(dǎo)通時(shí)間為,則截止時(shí)間 為結(jié)合圖3和圖5,當(dāng)忽略V4. DI、D6的管壓降時(shí)，V4在PWM 脈沖周期T內(nèi)導(dǎo)通和截止的

8、等效電路如圖9所示。圖9 發(fā)電運(yùn)行等效電路204.2發(fā)電運(yùn)行控制在0山時(shí)間段V4導(dǎo)通，如圖9(a)所示，此時(shí)屬電機(jī)電感儲(chǔ)磁場(chǎng)能 量的過程。由式,令uA-uB=O, i=-iA=iB,得回路電壓方程為2 y4-2K/ (eA = 0(7)存儲(chǔ)于電機(jī)電感2(L-M)的磁場(chǎng)能量為,ptWL =iu L d/ = (eA eb 2Ri)t(lf (8)：)o和 (t) ftlO.cJ時(shí)間段匕導(dǎo)通 2013-3-26214.2發(fā)電運(yùn)行控制ffitpT時(shí)間段V4截|上，如圖9(b)所示，為續(xù)流作用向蓄電池充 電，此時(shí)屬電機(jī)電感釋放磁場(chǎng)能戰(zhàn)的過程。山式(1),令uA-uB=Ud, 5為涪電池端電爪，i=-i

9、A=iB,得回路電爪力程為Ut =-2(L-Af) 41 - 2Rz +(eUd,當(dāng)然在丄控板中以閉環(huán)控制的方式自動(dòng)調(diào)整PWM的占空 比a,滿足Uar電壓不超過蓄電池允許的最高充電電壓，并滿足發(fā)電電 流不超過蒂電池允許的最大充電電流。252013-3-264.3制動(dòng)控制在制動(dòng)狀態(tài)時(shí),其控制方法與發(fā)電運(yùn)行時(shí)一樣,不過這時(shí)候的發(fā) 動(dòng)機(jī)不匸作，而是將乍輛的慣件動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過電機(jī)電感的升 壓作用，向蓄電池冋饋能量，此時(shí)由于電機(jī)電流方向與電動(dòng)運(yùn)行時(shí)相 反，故獲得制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)汽車的能屋回饋電氣制動(dòng)。這 種制動(dòng)方式的平均制動(dòng)強(qiáng)度與電機(jī)電流的平均值成正比，它可能達(dá)到 的瑕人制動(dòng)強(qiáng)度與豐功率電路的限流值及乍速成正比。2013-3-26265實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)已研制的混合動(dòng)力電動(dòng)轎車用稀土永磁無刷苴流電機(jī)樣機(jī)進(jìn)行 了調(diào)試試驗(yàn)，其實(shí)測(cè)結(jié)果如卜： 額定電爪：336V 電動(dòng)/發(fā)電功率：23kW/5kW 電機(jī)重雖比功率：1.38kW/kg 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速：5000r/min 系統(tǒng)故高效率：89% （電機(jī)和控制器） 電機(jī)重量：16.7kg 控制器重量：6.8kg （水冷）272013-3-266總結(jié)通過試驗(yàn)驗(yàn)證，