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车用永磁同步电机控制策略与系统硬件初步设计
一、课题的意义
发展电动汽车是能源短缺和环境污染的解决方案之一。电动汽车历史悠久，自1881年在法国诞生以来，经历了1935年到1955年的沉寂，便一直未受到人们的重视。2006年交通领域占了世界石油消耗量的三分之二;有关文献指出，年世界范围内将出现石油缺口，迫在眉睫的环境问题和能源危机使电动汽车再次走入人们的视野。此外，作为国民经济工业、运输业、商业、对外贸易、服务业、城市公用事业等多项产业的经济热点，电动汽车受到前所未有的重视。与传动内燃机汽车相比，电动汽车以电机为能量转化的核心，储能部件多为蓄电池，其优势在于可以减少石油消耗量、改变能源消耗结构，同时还能改善电网系统的峰谷负荷、起到削峰填谷的作用，此外，对于消费者而言，每百公里的行驶成本可大大降低。但电动汽车的电池、电机、电控三大核心技术还不成熟，大量推广依旧难以实现。
在我国，发展电动汽车有政策、技术、资源和市场等明显优势，但依旧需要核心技术的突破。电动汽车动力系统是电动汽车的核心技术，由电池、电机、电控三个系统组成，电机 及其控制器组成电机驱动系统，其性能直接影响了电动汽车的动力性和操控性。虽然电机设计和制造技术己相成熟，但是电动汽车专用的电机控制器却是新课题。区别于传统的调速电机系统和伺服电机系统，电动汽车驱动电机系统需要开发专门的控制器硬件和控制程序。
二、国内外发展状况
我国对永磁同步电动机的研究相对于其他国家较晚，直到八十年代初期各种用途和
结构的永磁同步电动机才被陆续研制成功。我国稀土资源丰富，永磁电机的研制随着稀土材料的不断发现而逐渐发展起来。在钴衫稀土材料时期，高转速大功率的永磁发电机就由沈阳工业大学研制出，然后又联合其他的电机厂研制出了高耐压值的钴永磁电机。到八十年代初期性价比更高的硼钱铁稀土永磁材料被发现后，对于永磁电机的研发重点集中到民用和工业应用上。期间，西北工业大学主持研发了一款永磁同步电动机，这款永磁同步电动机提高了效率，节省了能源与同等功率的感应电机相比，可节省百分之十的电能，效率可提高百分之五，具有较好的节能效果。由于石油幵采的需要永磁电机在抽油机的应用上越来越广泛。的永磁同步电动机是目前国内单个机型容载量最大的，它是由沈阳工业大学的唐任远院士主持开发的。直驱式永磁同步风力发电机由于风力发电的需要而越来越受欢迎，在设计上这种永磁电机因为除去了齿轮箱，成本变得更低，效率和可靠性更高，因此更有市场。
国外的大公司早在五十年代就己经幵始了对永磁电机的研宄各种类型的和高可靠性高实用性的永磁同步电机就是在这个时间段里被西门子公司研制出，而且经过二十年的发展之后西门子公司又研制出了性能卓越的几十千瓦的永磁电机以及多箱的针对于轮船航运的永磁电机。与此同时美国公司也加大了对永磁同电动机的研发力度，在五十年代开发出了百瓦级的产品。而公司和日本的明电舍及日立公司后来追上，他们分别研制出了多极旳永磁电机产品，系列的永磁电机产品，高速的永磁电机产品。到了七十年代初期，法国也加入了永磁电机研发的队伍中，其研制的大型的永磁同步电动机最高可达，功率最大可达，这种类型的永磁电机效率最高可提高百分之十，功率因数也得到了提升，相应的价格比较昂贵。
三、研究内容
从提高电动汽车的启动、爬坡、负荷能力出发，研究了永磁同步电机恒转矩区单位电流最大转矩（MTPA）控制策略。从电动汽车超车及高速行驶的需要出发，设计一种考虑电压饱和的新型弱磁控制算法来进行恒功率区的弱磁扩速，进行控制系统硬件初步设计。
四、研究方法和手段
（1）分析永磁同步电机的总体结构和磁路结构，并给出永磁同步电机稳态性能、磁路及各参数的计算方法。
（2）根据矢量控制和弱磁控制的基本思想，推导出三个坐标系之间相互转换公式，建立永磁同步电机的矢量控制数学模型及对应于三个坐标系的磁链、电压、运动和转矩方程。
（3）设计电机控制器硬件电路，在硬件方面对电机控制思路进行改进。
（4）在确保电机位置检测、及电路各保护功能等逻辑关系正确的基础上，比较了电机弱磁前和弱磁后的调速性能。为控制系统动态性能测试、加载试验奠定基础。
五、研究步骤
（1）通过查阅相关资料，了解永磁同步电机控制系统的发展现状。
（2）深入地学习永磁同步电机的工作原理及结构。
（3）理解永磁同步电机的工作原理和控制方法。
（4）设计并绘制电路原理图。
六、参考文献
[1] 杨建飞. 永磁同步电机直接转矩控制系统若干关键问题研究：[博士学位论文]. 江苏：南京航空航天大学，2011
[2] 周志敏，纪爱华. 驱动与保护电路设计及应用电路实例. 北京：机械工业出版社，2011
[3] 徐科军，马修水，李晓林. 传感器与检测技术. 北京：电子工业出版社，2012
[4] 刘文定，谢克明. 自动控制理论. 北京：电子工业出版社，2012
[5] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统——运动控制系统. 北京：机械工业出版社，2012
[6] 江哲懿. 电动汽车永磁同步驱动电机控制方法的研究：[硕士学位论文]. 北京：清华大学，2012
[7] 贾朴. 电动车用永磁同步驱动电机控制方法的研究：[硕士学位论文]. 辽宁：大连理工大学，2013
[8] 郝亚川. 基于永磁同步电机的电动汽车驱动系统研究：[硕士学位论文]. 北京：北京工业大学，2008
[9] 谷峪. 电动汽车用永磁同步电机控制系统研究与设计：[硕士学位论文]. 湖北：武汉理工大学，2007
[10] 王莹. 电动汽车用永磁同步电动机调速系统研究：[硕士学位论文]. 辽宁：沈阳工业大学，2008
一、课题的意义
发展电动汽车是能源短缺和环境污染的解决方案之一。电动汽车历史悠久，自1881年在法国诞生以来，经历了1935年到1955年的沉寂，便一直未受到人们的重视。2006年交通领域占了世界石油消耗量的三分之二;有关文献指出，年世界范围内将出现石油缺口，迫在眉睫的环境问题和能源危机使电动汽车再次走入人们的视野。此外，作为国民经济工业、运输业、商业、对外贸易、服务业、城市公用事业等多项产业的经济热点，电动汽车受到前所未有的重视。与传动内燃机汽车相比，电动汽车以电机为能量转化的核心，储能部件多为蓄电池，其优势在于可以减少石油消耗量、改变能源消耗结构，同时还能改善电网系统的峰谷负荷、起到削峰填谷的作用，此外，对于消费者而言，每百公里的行驶成本可大大降低。但电动汽车的电池、电机、电控三大核心技术还不成熟，大量推广依旧难以实现。
在我国，发展电动汽车有政策、技术、资源和市场等明显优势，但依旧需要核心技术的突破。电动汽车动力系统是电动汽车的核心技术，由电池、电机、电控三个系统组成，电机 及其控制器组成电机驱动系统，其性能直接影响了电动汽车的动力性和操控性。虽然电机设计和制造技术己相成熟，但是电动汽车专用的电机控制器却是新课题。区别于传统的调速电机系统和伺服电机系统，电动汽车驱动电机系统需要开发专门的控制器硬件和控制程序。
二、国内外发展状况
我国对永磁同步电动机的研究相对于其他国家较晚，直到八十年代初期各种用途和
结构的永磁同步电动机才被陆续研制成功。我国稀土资源丰富，永磁电机的研制随着稀土材料的不断发现而逐渐发展起来。在钴衫稀土材料时期，高转速大功率的永磁发电机就由沈阳工业大学研制出，然后又联合其他的电机厂研制出了高耐压值的钴永磁电机。到八十年代初期性价比更高的硼钱铁稀土永磁材料被发现后，对于永磁电机的研发重点集中到民用和工业应用上。期间，西北工业大学主持研发了一款永磁同步电动机，这款永磁同步电动机提高了效率，节省了能源与同等功率的感应电机相比，可节省百分之十的电能，效率可提高百分之五，具有较好的节能效果。由于石油幵采的需要永磁电机在抽油机的应用上越来越广泛。的永磁同步电动机是目前国内单个机型容载量最大的，它是由沈阳工业大学的唐任远院士主持开发的。直驱式永磁同步风力发电机由于风力发电的需要而越来越受欢迎，在设计上这种永磁电机因为除去了齿轮箱，成本变得更低，效率和可靠性更高，因此更有市场。
国外的大公司早在五十年代就己经幵始了对永磁电机的研宄各种类型的和高可靠性高实用性的永磁同步电机就是在这个时间段里被西门子公司研制出，而且经过二十年的发展之后西门子公司又研制出了性能卓越的几十千瓦的永磁电机以及多箱的针对于轮船航运的永磁电机。与此同时美国公司也加大了对永磁同电动机的研发力度，在五十年代开发出了百瓦级的产品。而公司和日本的明电舍及日立公司后来追上，他们分别研制出了多极旳永磁电机产品，系列的永磁电机产品，高速的永磁电机产品。到了七十年代初期，法国也加入了永磁电机研发的队伍中，其研制的大型的永磁同步电动机最高可达，功率最大可达，这种类型的永磁电机效率最高可提高百分之十，功率因数也得到了提升，相应的价格比较昂贵。
三、研究内容
从提高电动汽车的启动、爬坡、负荷能力出发，研究了永磁同步电机恒转矩区单位电流最大转矩（MTPA）控制策略。从电动汽车超车及高速行驶的需要出发，设计一种考虑电压饱和的新型弱磁控制算法来进行恒功率区的弱磁扩速，进行控制系统硬件初步设计。
四、研究方法和手段
（1）分析永磁同步电机的总体结构和磁路结构，并给出永磁同步电机稳态性能、磁路及各参数的计算方法。
（2）根据矢量控制和弱磁控制的基本思想，推导出三个坐标系之间相互转换公式，建立永磁同步电机的矢量控制数学模型及对应于三个坐标系的磁链、电压、运动和转矩方程。
（3）设计电机控制器硬件电路，在硬件方面对电机控制思路进行改进。
（4）在确保电机位置检测、及电路各保护功能等逻辑关系正确的基础上，比较了电机弱磁前和弱磁后的调速性能。为控制系统动态性能测试、加载试验奠定基础。
五、研究步骤
（1）通过查阅相关资料，了解永磁同步电机控制系统的发展现状。
（2）深入地学习永磁同步电机的工作原理及结构。
（3）理解永磁同步电机的工作原理和控制方法。
（4）设计并绘制电路原理图。
六、参考文献
[1] 杨建飞. 永磁同步电机直接转矩控制系统若干关键问题研究：[博士学位论文]. 江苏：南京航空航天大学，2011
[2] 周志敏，纪爱华. 驱动与保护电路设计及应用电路实例. 北京：机械工业出版社，2011
[3] 徐科军，马修水，李晓林. 传感器与检测技术. 北京：电子工业出版社，2012
[4] 刘文定，谢克明. 自动控制理论. 北京：电子工业出版社，2012
[5] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统——运动控制系统. 北京：机械工业出版社，2012
[6] 江哲懿. 电动汽车永磁同步驱动电机控制方法的研究：[硕士学位论文]. 北京：清华大学，2012
[7] 贾朴. 电动车用永磁同步驱动电机控制方法的研究：[硕士学位论文]. 辽宁：大连理工大学，2013
[8] 郝亚川. 基于永磁同步电机的电动汽车驱动系统研究：[硕士学位论文]. 北京：北京工业大学，2008
[9] 谷峪. 电动汽车用永磁同步电机控制系统研究与设计：[硕士学位论文]. 湖北：武汉理工大学，2007
[10] 王莹. 电动汽车用永磁同步电动机调速系统研究：[硕士学位论文]. 辽宁：沈阳工业大学，2008