摘 要

永磁同步电机的控制策略研究开发对电动汽车动力传动控制至关重要，建立电机控制策略开发测试台架具有重要的应用价值。本文对型号为HVH250的永磁同步电机进行台架搭建，为后续的电机控制策略开发以及电机与传动系统匹配控制提供研究测试平台。本文首先配合HVH250 090雷米电机初步设计了一款台架装置，之后在ANSYS相应模块进行强度校核，在满足强度需求后进行零件加工，最后装配完成整个HVH250 090雷米电机台架的搭建测试平台。在进行HVH250的永磁同步电机测试前，阐述了永磁同步电机的坐标变换过程、电机模型建立、电机控制策略的原理及构成，最后搭建完成电机控制策略模型；采用SVPWM的空间矢量控制方案，给定相应的转速值，对HVH250的永磁同步电机进行仿真测试，利用转矩传感器、转速传感器测量相应工况下的扭矩和转速、观察HVH250 090雷米电机输出转速达到稳定所需时间、输出转矩达到稳定所需时间，最后评估控制策略的速度响应性、抗外界干扰特性、整个控制系统带来的总误差，结果表明这些指标均能够满足电机控制性能的需求

关键词：永磁同步电机台架，控制策略建模，控制策略仿真。

Abstract

The research and development of control strategy of permanent magnet synchronous motor is very important for electric vehicle power transmission control. It is of great application value to establish motor control strategy development test bench. In this paper, the HVH250 permanent magnet synchronous motor is built for the rig, which provides a research and test platform for the subsequent development of motor control strategy and motor and transmission system matching control. In this paper, a gantry device was first designed with HVH250 090 Remy motor. After that, the strength of the corresponding module of ANSYS was checked. After the strength requirement was met, the parts were processed. Finally, the whole HVH250 090 Reami motor gantry was built and tested. platform. Before the test of permanent magnet synchronous motor of HVH250, the coordinate transformation process of permanent magnet synchronous motor, the establishment of motor model, the principle and composition of motor control strategy were expounded. Finally, the motor control strategy model was built. The space vector control scheme of SVPWM was adopted. The HVH250 permanent magnet synchronous motor is simulated and tested according to the corresponding speed value. The torque sensor and the speed sensor are used to measure the torque and speed under the corresponding working conditions, and the output time of the HVH250 090 Reami motor is stabilized. The time required for the torque to stabilize, and finally the speed response of the control strategy, the resistance to external disturbances, and the total error caused by the entire control system are evaluated. The results show that these indicators can meet the requirements of motor control performance.

Keywords: Permanent magnet synchronous motor bench, PMSM control strategy modeling, PMSM control strategy simulation.

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目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国内研究现状 2

1.2.2国外研究现状 3

1.3本文研究内容和技术方案 3

1.3.1研究内容 3

1.3.2技术方案 4

第2章 永磁同步电机台架结构设计 6

2.1永磁同步电机台架综述 6

2.2台架机械结构设计 6

2.2.1本文研究的永磁同步电机结构 6

2.2.2台架本体设计 8

2.2.3台架加工实物图 9

2.3台架结构强度校核 11

2.3.1ANSYS和Hypermesh简介 11

2.3.2台架刚度计算及分析 11

2.4电机台架的电气系统设计 12

2.5本章小结 18

第3章 永磁同步电机的数学模型 19

3.1永磁同步电机结构 19

3.1.1永磁同步电机本体结构 19

3.1.2永磁同步电机磁路结构 19

3.2坐标变换 20

3.2.1 Clark坐标变换 22

3.2.2 park坐标变换 23

3.3永磁同步电机的数学模型 23

3.3.1三相静止坐标系下数学模型 24

3.3.2两相静止坐标系下数学模型 24

3.3.3两相旋转坐标系下数学模型 25

3.4本章小结 25

第4章 永磁同步电机控制策略建模与仿真 26

4.1永磁同步电机控制策略 26

4.1.1矢量控制（FOC） 26

4.1.2直接转矩控制（DTC） 31

4.2空间矢量仿真模型 31

4.2.1坐标变换模块 32

4.2.2 SVPWM模块 33

4.2.3仿真结果 36

4.3本章小结 38

第5章 总结和展望 39

5.1 全文总结 39

5.2不足和展望 39

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

为了解决石油燃料短缺的问题，研究新型电动环保型汽车已经成为各国汽车领域争相研究的重点，经过政府的大力扶持和研究人员的不懈努力，新兴的新能源汽车行业得到空前的发展。纯电动汽车是新能源汽车主要发展方向，决定动力性、经济性、安全可靠性能否得到保障的关键是电机参数的准确获取，协调匹配电机参数和整车参数的关系是保证电动汽车各项性能的关键，所以准确测量电机参数成为整车动力参数匹配的关键一环。

如何获得准确的电机参数成为一大难点，传统的手工测试方法因其精度不够、效率不高已经逐步遭到淘汰，目前整体趋势为电机测试自动化、网联化。而我国的电机测试行业体系标准尚未完善，测试平台不一，只有从事电机领域研究的企业才有一套完整的电机测试设备。本文旨在设计一款实验室电机测试台架，用于型号为HVH250 090雷米电机的测量，搭建了系统控制模型，给定相应的转速值，对HVH250 090雷米电机进行仿真测试，利用转矩传感器、转速传感器测量相应工况下的扭矩和转速、观察HVH250 090雷米电机输出转速达到稳定所需时间、输出转矩达到稳定所需时间，最后评估其控制能力。为整车参数匹配提供数据支撑，从而提升整车的动力性、安全性、经济性、耐久可靠性。

1.2国内外研究现状

国内电动汽车的初步发展时间始于2001年，经过两个五年计划的不懈努力以及 2008年科技攻坚元年，我国电动汽车产业得到了长足的发展。经过无数科研人员的钻研，国家的大力支持，目前我国电动汽车从研发阶段走到了产业化阶段，以比亚迪、吉利为首的国内企业冉冉升起。但是，我国的充电基础设施还未得到长足的发展，正处在初级阶段，充电桩的布局狭小，地区分布不均，与外国先进水平国家相比仍有差距为此电动汽车行业基础设施建设也必须摸索出一条适合中国国情的道路。

国外电动汽车发展领先的国家有日本、美国等国家，日本政府对于能源危机的重视，以丰田和本田为代表的日本企业率先开始电动汽车的研究和测试，数据显示丰田汽车有限公司占领了全球混合动力汽车约90%的份额，我国的电动汽车发展之路注定漫长、遥远、艰巨。

1.2.1国内研究现状

目前国内关于PMSM的研究涉及面较广泛，目前本课题总结的方面有：

（1）关于直接转矩控制：

贾朴^[1]以永磁同步电机的磁路结构引入空间电压矢量，分析PMSM的三相静止坐标系、两相静止坐标系、旋转坐标系如何实现互相转换后，提出了永磁同步电机的公式化模型包括：电压方程、磁链方程、转矩方程等。最后以图表方式体现了PMSM空间矢量控制和直接转矩控制策略的工作方法。

（2）关于矢量控制：

王迪^[2]、龚云飞详细分析了空间矢量控制的基本原理，研究了永磁电机电驱动的再生制动原理，最后还建立SVPWM与升压斩波的内在联系^[3]，表明永磁同步电机在发电模式下电池充电电流与q轴电压矢量存在数学表达式之间的关系，为电动汽车制动能量回收的可能性提供了理论依据。

（3）关于SVM的三步法算法控制：

姚荣子对电机控制系统过程中出现的转矩脉动问题进行了独到的分析，提出了解决的办法为扩展卡尔曼算法和基于SVM的三步法算法，最后设计了创新的PMSM控制系统，从而改善转矩脉动问题^[4]，此外对空间矢量控制和直接转矩控制做理论对比分析和实验对比分析，提高对PMSM转矩、转速控制的精准性。

（4）关于Matlab详细建模：

雷波^[5]、李军营^[6]、周荣宽^[7]、杜翔宇^[8]、田 硕等^[9]利用Matlab/Simulink模块，首先搭建关于PMSM的模块，其中关于控制系统功能的模型有：MTPA控制、永磁同步电机坐标变换模块、 SVPWM模块、三相逆变器模块和永磁同步电机模块。

（5）关于仿真结果：

吕德刚^[10]在搭建完成PMSM直接转矩控制系统，首先用Matlab/Simulink模块相关子系统去构建直接转矩控制系统模型，然后进行实验研究，从众多实验数据中得出PMSM直接转矩控制系统动态响应效果较好的优点，但是会存在转矩、磁链和电流的波动幅度大，抗干扰能力不强等弊端，对于某些类型电机控制策略不适用。

（6）关于永磁同步电机自动测试：

曾凡沂^[11]基于d SPACE搭建永磁同步电机模型，设计了通过添加损耗估算模块和电感参数实时查询模块，来优化硬件在环系统中电机模型的方法，利用Python对ECU-T EST软件进行二次开发，设计了一套自动化测试系统，使其适用于永磁同步电机硬件在环系统的自动化测试。

（7）关于电机台架设计：

杨 旭^[12]首先测试了电动汽车电机驱动系统台架，主要包括控制模块电压与电阻的测量，针对系统存在的不足，自主设计了一套电机实验台架，用于学生实验测试，但是台架的系统较为复杂且不适用与大型的车用永磁同步电机。

1.2.2国外研究现状

关于国外研究现状

（1） Enrique L. Carrillo Arroyo^[13]早在06年就进行了详细的永磁同步电机建模和仿真工作。

（2） 德克萨斯大学的AMIT SUBHASH DHAMDHAME^[14]于08年进行了电动汽车永磁同步电动机的自适应控制，而不是传统的PI控制器。

（3） SALIH BARIS OZTURK^[15]介绍了直接转矩控制（DTC）技术，采用四开关和六开关逆变器，用于无刷直流（BLDC）电机，采用两相和三相导通模式的非正弦反电动势。

（4） Dino Hüllmann^[16]已经开发出用于轻型机器人平台的永磁同步电动机（PMSM）伺服驱动器，其在低转速下具有高扭矩需求。

（5） Maurice Fadel^[17]研究了高速内部永磁同步电机（IPMSM）用于嵌入式应用，具有高功率密度和高效率。

可见国内外对永磁同步电机的控制策略和系统的研究已经较为详细，但是关于永磁同步电机的台架试验的详细记录和分析过程较为模糊。因此本文针对永磁同步电机建立空间矢量控制（SVPWM）模型进行模拟，在给定相应的转速值，对HVH250的永磁同步电机进行仿真测试，利用转矩传感器、转速传感器测量相应工况下的扭矩和转速、观察HVH250 090雷米电机输出转速达到稳定所需时间、输出转矩达到稳定所需时间，最后综合评价其优劣。

1.3本文研究内容和技术方案

1.3.1研究内容

本文旨在设计一款与型号为HVH250永磁同步电机匹配的台架，然后进行相应测试。要求电机台架能够满足电机在全负荷运转或某些特定工况运转时的需求，本文首先运用ANSYS/Hypermesh模块进行网格划分并进行强度校核，接着加工出实物，最后搭建完成电机测试台架。本课题采用成熟的控制策略即空间矢量控制的方法去控制永磁同步电机运转，采用380V的电源进行供电，采用测功机对电机的各项参数进行测量，研究学习内容有：

（1）明确本课题测试使用永磁同步电机的几何形状和电机使用参数，匹配设计一款高度可调节、高强度的电机台架，运用ANSYS相关模块进行电机台架整体强度校核，特别是螺纹孔的强度校核，最后加工出实物并安装；

（2）学习PMSM控制策略（主要是SVPWM）的相关内容，学习PMSM电机本体结构、磁路的结构、Clark、park坐标变换、永磁同步电机公式化模型、矢量控制和直接转矩的原理、SVPWM的机理和实现过程等；

（3）搭建空间矢量仿真模型，包括：包括电源模块、基本连接元件模块、电子元器件模块、永磁同步电机模块、测量测试模块、附加模块等；

（4）给定相应的转速值，对HVH250的永磁同步电机进行仿真测试，利用转矩传感器、转速传感器测量相应工况下的扭矩和转速、观察HVH250 090雷米电机输出转速达到稳定所需时间、输出转矩达到稳定所需时间，最后评估性能。

1.3.2技术方案

（1）运用广泛使用的三维建模软件建立永磁同步电机电机模型，主要是其细节内容，配合设计出永磁同步电机电机法兰盘形状，运用ANSYS/Hypermesh进行有限元精细网格自动划分，校核永磁同步电机台架强度，得出最终三维模型后加工，最后完成电机台架的安装；

（2）利用Matlab/Simulink模块进行建模仿真，包括电源模块、电子元器件模块、电流控制器模块、永磁同步机电模块、测量测试模块，此外还有附加模块、基本连接元件模块等；

（3）给定一个转速值，对HVH250 090雷米电机进行仿真测试，利用转矩传感器、转速传感器测量相应工况下的扭矩和转速、观察HVH250 090雷米电机输出转速达到稳定所需时间、输出转矩达到稳定所需时间，最后评估其控制能力，若时间充裕则可在安装好的台架进行电机测试，测试控制策略是否可靠，电机测试的模块包括：直流电源、电流控制器、上位机、永磁同步电机、测功机、转矩和转速传感器等。利用转矩、转速传感器测量扭矩和转速，利用电气测量仪表、仪器检测电压、电流、功率等，最后由上位机监控辅助软件检测整个系统参数，最后进行数据进行采集、数据处理、相关数据分析、从而得出最终结果。

台架加工件设计 加工件加工

台架搭建 完成台架安装

台架零件选型

永磁电机 建模仿真：模型搭建、设定参数、模拟运行、分析结果 验证

电机测试：算法设计、代码编译生成、硬件调试、运行

图1.1 技术方案图

本课题每个章节的安排如下所示：

第一章：简述本课题研究的发展背景，通过对比国内外研究现状，发现国内外在电动车领域发展的差距，尤其是电机控制方面，所以研究永磁同步电机控制策略、永磁同步电机测试实验是非常有必要的；

第二章：运用广泛使用的三维建模软件建立永磁同步电机模型，配合设计永磁同步电机电机法兰盘外缘形状，运用ANSYS/Hypermesh进行有限元精细网格自动划分，校核永磁同步电机台架强度，得出最终三维模型后加工，最后完成电机台架的安装；

第三章：阐述了Clark、park变换的原理以及反推可得逆Clark、逆park变换，得出不同状态的坐标系下电压变化方程、磁链变化方程、电磁转矩变化方程等，为后文永磁同步电机控制策略（空间矢量控制和直接转矩控制）提供了理论支持；

第四章：利用Matlab/Simulink模块搭建PMSM控制策略模型，主要有电源模块、电子元器件模块、永磁同步机电模块、测量测试模块，此外还有附加模块、基本连接元件模块等；

第五章：给定一个转速值，对HVH250 090雷米电机进行仿真测试，利用转矩传感器、转速传感器测量相应工况下的扭矩和转速、观察HVH250 090雷米电机输出转速达到稳定所需时间、输出转矩达到稳定所需时间，最后综合评估其控制能力。

第2章 永磁同步电机台架结构设计

2.1永磁同步电机台架综述

电机在测试的过程中会产生剧烈的震动，必须控制电机除旋转以外的自由度，此外电机输入输出轴之间必须保持在同一水平高度上，若轴与轴之间相对角度过大，则会造成扭振，严重时会破坏整个系统。本课题设计的永磁同步电机台架使用要求如下：

1. 高度可上下调节且调节的范围应尽可能大，使个输入输出轴的高度误差控制在合理的范围内；
2. 高度调节应为无极调节，调整时幅度尽可能小，以保证调节到某一高度；
3. 具有足够的刚度和强度，确保电机安全可靠运转；
4. 联轴器具有一定的抗弯扭特性，在一定的误差范围内不致损坏。

2.2台架机械结构设计

2.2.1本文研究的永磁同步电机结构

在设计台架之前，本课题先简介本次测试电机的基本尺寸参数，本文测试的电机为竞速车使用的永磁同步电机，型号为HVH250，HVH250是一款功能强大，耐用且坚固的电动机/发电机，适用于公路和非公路车辆，发电和其他特殊的高功率需求应用，峰值效率可高达95%。电机的外形基本参数结构如下图2.1所示：

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