电动汽车用永磁同步电机及其控制技术

本项目针对电动汽车用永磁同步电动机及其控制技术，在电机研制及控制器研制等方面作了详细的研究。在已有的学术成果上，进行选择论证及改进，并在实际应用中进行实验。具体技术内容如下：

1. 电动汽车复杂工况下驱动电机的运行特性分析与优化设计 针对电动汽车的各种不同运行状态、较宽的负载范围的需求，从驱动电机参数确定、转子结构选择、场路耦合计算等方面出发，对电动汽车驱动电机进行优化设计。 （1）电动汽车驱动用PMSM的性能参数需综合整车的结构参数、性能指标进行确定。从电动汽车驱动电机的运行特性入手，分析影响永磁同步电动机参数确定的因素，综合电动汽车车速、效率等因素确定电机参数； （2）应用电磁场分析方法比较具有不同转子结构的电动汽车用永磁同步电动机磁阻转矩的有效利用、弱磁能力及永磁体的抗失磁能力，根据实际应用工况综合，选择驱动电机的转子结构； （3）采用永磁电机的场路耦合计算方法解决永磁同步电动机在电动汽车驱动中所存在的强烈的磁路饱和、交直轴磁路耦合，满足电动汽车的各种不同运行状态，以保证其整体性能满足工程实际需要。

2. 电动汽车用永磁电机及驱动装置一体化设计 根据系统方案，对系统各部分，包括电动汽车用永磁同步电动机及控制系统进行了设计，并出具了图纸，各项设计满足国标、企标、军标的要求。在设计阶段还完成了电动汽车用永磁同步电动机及实验用控制器的方案设计及方案论证；样机的结构设计及试制图纸；完成电机实验用控制器的方案定型、结构设计和器件选型和调试。按照设计的顺序，它包含以下几个方面： （1）主要尺寸设计。快速得到电机的初步设计方案，满足整车频繁调整尺寸的要求； （2）磁路设计、绕组设计和电路参数设计。这部分与传统永磁同步电机设计区别不大。因为，电动汽车驱动电机设计方案从提出到成型需要调整的次数非常多，采用具备一定精度的解析计算，可以方便在设计过程中加入优化算法，提高设计的效率； （3）额定工作性能设计。计算额定转速点和最高转速点的矩角特性、功率特性、电流特性、效率特性、功率因数特性等。通过引入电机控制策略，计算实际运行情况下的额定工作性能，得到满足额定性能指标的基本设计方案； （4）弱磁扩速比和过载倍数计算。首先计算电机在不同过载倍数下达到极限温度所用的时间，然后确定电机在额定转速与最高转速下的过载倍数，最后得到电机带载的弱磁扩速比。通过这两个参数的计算和对基本设计方案的调整，得到满足电机转速、转矩指标的可行设计方案； （5）校核。包括温升校核，最大去磁点校核等，保证所设计电机的稳定、可靠工作。

3. 电动汽车用永磁电机工作性能计算 工作性能的计算至关重要，它是设计和优化电机设计方案的基础。设计时通过给定不同的功率角，结合端电压、反电势、电抗和电阻参数，计算得到电机在额定转速运行时的电流、效率、功率因数等性能。为了使计算结果更为准确，本文从工作性能计算开始，就引入了电机的控制策略，以电动汽车用永磁同步电机最普遍采用的最大转矩电流比控制结合弱磁控制的组合方式为例，计算过程中，首先给定电机的工作状态，即电机的转速和转矩。然后计算相应的直轴电流和交轴电流，通过对电机供电电压的计算和判断，来确定采用这两种策略的哪一种，最后得到电机的工作性能。当然也可以根据不同需要，采用其他控制策略。只需要在计算时，将相应的计算公式修改即可。引入控制策略计算得到的工作性能要好于传统方法的计算结果，这从侧面证明了采用好的控制策略对提高电机性能的影响。

4. 电动汽车制动能量回馈系统模糊控制器设计 电动汽车制动的方法可分为机械制动和电气制动两大类。制动方式应考虑机械制动与电气制动的结合，尽可能多的用回馈发电方式取代机械式制动。本项目中采用的是基于Sugeno模糊逻辑的制动能量回馈系统，将该系统加入模糊控制器，为了满足刹车的安全要求，符合驾驶员的刹车习惯，模糊控制器的输入包括：司机对制动踏板的要求以及当前车速（电机转速），模糊控制器的输出为回馈电流的百分值。通过能量回馈，既可减少机械制动系统的损耗，又能提高整车能量的使用效率，达到节约能源和改善续驶里程的目的。

本项目在总结国内外电动汽车驱动电机及其控制系统的发展经验和趋势的基础上，研究制造了先进的电动汽车用永磁同步驱动电机及其控制系统。在设计初期就设定了国内领先的性能要求，主要体现在驱动系统运行效率高、驱动系统扩速范围广、驱动系统过载能力强等若干方面，综合应用了多种先进技术，完成了永磁同步电机设计及其控制器的实现。

由于国家近年来大力倡导自主创新、先进技术成果转化，并在具体政策上加大了对自主创新的支持力度，因此本项目具有非常重要的现实意义。在已有的学术成果上，做了进一步的深入研究，在实际应用中进行广泛使用，市场潜力巨大，应用前景非常广阔，取得了很好的经济效益和社会效益。

本项目针对电动汽车用永磁同步电动机及其控制技术,在电机研制及控制器研制等方面作了详细的研究,在已有的学术成果上,进行选择论证及改进,并在实际应用中进行实验,其具体的技术内容如下： 1.电动汽车复杂工况下驱动电机的运行特性分析与优化设计 针对电动汽车的各种不同的运行状态、较宽的负载范围的需求,从驱动电机参数确定、转子结构选择、场路耦合计算等方面出发,来对电动汽车驱动电机进行优化设计。 （1）电动汽车驱动用PMSM的性能参数需综合整车的结构参数、性能指标进行确定。从电动汽车驱动电机的运行特性入手,分析影响永磁同步电动机参数确定的因素,综合电动汽车车速、效率等因素确定电机参数; （2）应用电磁场分析方法比较具有不同转子结构的电动汽车用永磁同步电动机磁阻转矩的有效利用、弱磁能力及永磁体的抗失磁能力,根据实际应用工况综合,选择驱动电机的转子结构; （3）采用永磁电机的场路耦合计算方法解决永磁同步电动机在电动汽车驱动中所存在的强烈的磁路饱和、交直轴磁路耦合,满足电动汽车的各种不同运行状态,以保证其整体性能满足工程实际需要。 2.电动汽车用永磁电机及驱动装置一体化设计 根据系统方案,对系统各部分,包括电动汽车用永磁同步电动机及控制系统进行了设计,并出具了图纸,各项设计满足国标、企标、军标的要求。在设计阶段还完成了电动汽车用永磁同步电动机及实验用控制器的方案设计及方案论证;样机的结构设计及试制图纸;完成电机实验用控制器的方案定型、结构设计和器件选型和调试。按照设计的顺序,它包含以下几个方面： （1）主要尺寸设计。快速得到电机的初步设计方案,满足整车频繁调整尺寸的要求。 （2）磁路设计、绕组设计和电路参数设计。这部分与传统永磁同步电机设计区别不大。因为,电动汽车驱动电机设计方案从提出到成型需要调整的次数非常多,采用具备一定精度的解析计算,可以方便在设计过程中加入优化算法,提高设计的效率。 （3）额定工作性能设计。计算额定转速点和最高转速点的矩角特性、功率特性、电流特性、效率特性、功率因数特性等。通过引入电机控制策略,计算实际运行情况下的额定工作性能,得到满足额定性能指标的基本设计方案。 （4）弱磁扩速比和过载倍数计算。首先计算电机在不同过载倍数下达到极限温度所用的时间,然后确定电机在额定转速与最高转速下的过载倍数,最后得到电机带载的弱磁扩速比。通过这两个参数的计算和对基本设计方案的调整,得到满足电机转速、转矩指标的可行设计方案。 （5）校核。包括温升校核,最大去磁点校核等,保证所设计电机的稳定、可靠工作。 3.电动汽车用永磁电机工作性能计算 工作性能的计算至关重要,它是设计和优化电机设计方案的基础。设计时通过给定不同的功率角,结合端电压、反电势、电抗和电阻参数,计算得到电机在额定转速运行时的电流、效率、功率因数等性能。为了使计算结果更为准确,本文从工作性能计算开始,就引入了电机的控制策略,以电动汽车用永磁同步电机最普遍采用的最大转矩电流比控制结合弱磁控制的组合方式为例,计算过程中,首先给定电机的工作状态,即电机的转速和转矩。然后计算相应的直轴电流和交轴电流,通过对电机供电电压的计算和判断,来确定采用这两种策略的哪一种,最后得到电机的工作性能。当然也可以根据不同需要,采用其他控制策略。只需要在计算时,将相应的计算公式修改即可。引入控制策略计算得到的工作性能要好于传统方法的计算结果,这从侧面证明了采用好的控制策略对提高电机性能的影响。 4.电动汽车制动能量回馈系统模糊控制器设计电动汽车制动的方法可分为机械制动和电气制动两大类。制动方式应考虑机械制动与电气制动的结合,尽可能多的用回馈发电方式取代机械式制动。本项目中采用的是基于Sugeno模糊逻辑的制动能量回馈系统,将该系统加入模糊控制器,为了满足刹车的安全要求,符合驾驶员的刹车习惯,模糊控制器的输入包括：司机对制动踏板的要求以及当前车速（电机转速）,模糊控制器的输出为回馈电流的百分值。通过能量回馈,既可减少机械制动系统的损耗,又能提高整车能量的使用效率,达到节约能源和改善续驶里程的目的。 本项目在总结国内外电动汽车驱动电机及其控制系统的发展经验和趋势的基础上,研究制造了先进的电动汽车用永磁同步驱动电机及其控制系统。在设计初期就设定了国内领先的性能要求,主要体现在驱动系统运行效率高、驱动系统扩速范围广,驱动系统过载能力强等若干方面,综合应用了多种先进技术,完成了永磁同步电机设计及其控制器的实现。 由于国家近年来大力倡导自主创新、先进技术成果转化,并在具体政策上赤血加大了对自助创新的支持力度,因此本项目具有非常重要的现实意义,在已有的学术成果上,做了进一步的深入研究,在实际应用中进行广泛使用,市场潜力巨大,应用前景非常广阔,取得了很好的经济效益和社会效益。