混合动力客车永磁无刷直流电动机驱动系统研制

摘要：永磁无刷直流电动机驱动系统是混合动力客车的关键单元技术之一，具有高功率密度、高效率的特点。研制电动机机壳内有螺旋冷却水道和装有3相绕组的电枢和包容式永磁转子，控制器采用主控芯片及矢量变换的脉宽调制控制方法。

0引  言

   混合动力电动汽车在原有发动机基础上，加入起动／发电机(简称ISG电机)，在起动和低速运行时，发动机工作效率很低，此时由辅助动力源一电动机驱动，从而降低油耗，减少二氧化碳排放量；到某一规定速度后，由主动力源一发动机驱动，此时电机作发电机运行。发动机怠速时或汽车刹车时回收制动机械能，电机作为发电状态向蓄电池充电；在汽车加速或过载时，电动机与发动机协同工作，补充发动机动力的不足。国内外投入大量的人力和物力对ISG电机技术进行研究和开发，如日本丰田、本田的混合动力轿车在混合动力客车上采用ISG控制技术技术难度较大。和内燃机同轴的大功率单轴电机方案比较，其结构简单、效率高，但对电机和控制器提出了更高的要求，本项目是中国第一汽车集团公司技术中心研制混合动力客车用永磁无刷直流电机及控制器系统，由吉林大学研制控制器，江苏三上机电制造股份有限公司研制永磁无刷直流电机。

1系统工作原理

1．1单轴联合式混合动力驱动系统

   ISG电机在起动发动机、发动机怠速或汽车刹车、加速时，通过离合器与发动机连接在一起工作。在汽车低速运行时，电动机单独工作，正常速度运行时，发动机单独工作。这时，ISG电机通过离合器与发动机脱开。电动机工作状态时，通过变速箱，按4个挡位改变速度来驱动车轮；发电机工作状态时，电机向蓄电池充电。客车动力驱动系统如图1所示。

   图1单轴联合式驱动系统示意图

   混合动力客车用永磁无刷直流电机驱动系统主要由电机、变频电路(包括斩波器、逆变器电路)、驱动电路、控制系统(包括电流调节器、转速调节器)4部分组成。控制器采用方波脉宽调制；调节电流矢量来调节电机的电流和转速。在发电状态，交流电整流成直流电给蓄电池组充电，永磁无刷直流电机效率比较其他类型电机显得更高。

l.2电机驱动系统

   电动机调速的关键是转矩控制。ISG电机驱动系统采用矢量变换的控制方法。通过软件来调节电流矢量id和iq，从而改变电机的转速或转矩。控制电路设有故障保护功能，采取CAN总线与整车控制器通信。

1．3技术要求

   额定功率50 kW；额定转矩212 N·m；额定转速2 300 r／min；最大功率80 kW；最大转速3 000 r／min；额定点效率90％；蓄电池标称电压336 VDC冷却方式水冷；电机调速响应时间300 ms(±l 000 r／min)；电机及控制器能在电动机或发电机状况下工作；具有过压、过流、过热、欠压，短路保护功能。

2电机

2．1电机选择

   电动汽车用电机可以采用交流感应电机、开关磁阻电机、永磁同步电机、永磁无刷直流电机。虽然交流感应电机结构简单、价格低，但是它的功率因数较低，重量功率比大。开关磁阻电机也有相同的优点，但是它在低速时转矩波动和噪声也较大。永磁电机转子无励磁损耗，同样输出20 kW功率时，采用交流感应电机方案，比永磁电机重量增加约20％，电流增加约30％。

   永磁电机可分为由方波驱动的永磁无刷直流电机和由正弦波驱动的永磁同步电机。它们都使用钕铁硼永磁材料，提高了电机的功率密度和效率。结构上不同的地方是：驱动电路中转子磁极位置信号的检测元件不一样，永磁同步电机采用编码器，控制复杂，价格也昂贵；永磁无刷直流电机采用霍尔位置传感器或电机反电势的方法。性能更佳，直流电压利用率也比较高。

2．2永磁无刷直流电机

   永磁无刷直流电机机壳内有螺旋槽形的冷却水道，外散热系统的冷却水经过控制器，再流入电机水道，然后从电机流回外散热系统。机壳内还装有3相绕组的电枢，转子采用径向磁钢的包容式永磁转子，径向磁钢嵌入转子铁芯凸台间，在径向磁钢外设置一焊接成形的套环，提高了电机转子的强度与可靠性。电机结构如图2所示。

  图2电机结构图

   借鉴航空稀土永磁电机设计及冷却系统的设计经验，开展对混合动力客车用永磁无刷直流电机的电磁、结构及散热设计和电磁场计算，部分数据见表1。对焊接成形的套环和霍尔位置传感器的安装及调试，磁钢粘结等关键工艺进行试制。

   永磁无刷直流电机与永磁同步电机的电磁设计计算不一样：电动机状态，输人直流电到电机为逆变成交流电；发电机状态，电机输出的交流电需要整流成直流。脉宽调制控制技术对电机输出参数的影响。电机线电压与每相电阻Ra、电感La、电流ia，反电势Em有关。电动机三相六状态的基本电路方程分别为：

稳态工作电流为：转矩与电流和电磁转矩常数有关：

表1电机电磁计算数据

3控制器

   控制器由位置传感器输入电路、IGBT驱动电路、A／D采集电路、PWM输出电路、标定部分、CPU电源、电源部分组成。控制器为采用Motorola主控芯片和DSP内核的嵌入式系统；可实现实时标定数据修改、数据采集及离线标定数据分析，功能灵活，实时性强，可靠性高。

   采用具有DSP内核的混合控制器具有高速运算能力和丰富的I／O能力，使电路简洁，真正实现单片系统，具有极高的可靠性和性价比。在功能设计上，使用Matlab建立起电机模型和控制器的控制流程，在Matlab上实现控制功能。

   使用嵌入式系统的“V”字型开发流程见图3所示。它可以发挥多人同时工作的优势，加快了软件的开发进度，符合嵌入式系统的国际化开发模式，便于交流和维护。

   使用Matlab的代码生成工具所生成的代码具有很高的可靠性，比手工编写代码具有更高的效率和可靠性，也具有更好的可维护性。

   具有标定功能。通过对不同的系统实验，对控制算法的3维图表中的各个点的数字进行调整，以达到最优的控制效果。

  图3“V”型开发流程

4试验与改进措施

   在吉林大学电气试验室通过对永磁无刷直流电机及控制器的系统试验，发生过霍尔位置传感器信号不稳定、有差异、定位力矩偏大及恒功率区电机降磁通较难等问题。采取相应的改进措施，例如在电机加工中检查、调整霍尔位置传感器的信号，采用定子电枢斜槽等，对降低磁通措施。采用加大IGBT的换向超前角，效果较小。混合励磁要增加电励磁电枢，需要根据安装空间的可能性；确定采取提高电机空载转速，使电机转速特性接近柴油机的外特性。这对工作在恒功率区不大的客车是可行的。

   样机在吉林大学汽车工程学院试验室做混合动力台架试验，主要内容是：负荷特性、效率特性、速度控制精度、转矩控制精度、转矩响应试验。部分数据和曲线如表2和图4所不。

表2升降速时间响应试验数据

图4扭矩稳定性试验曲线(速度、扭矩)

5结论

   通过对永磁无刷直流电机及其控制器样机系统试验及台架试验，基本满足了技术要求，但还需装在客车上试用。在试验中也暴露了一些问题，如电机在恒功率区降磁通较难和转矩波动问题。通过相应的改进措施和试验，解决暴露的问题，尽快向产业化转变。