车用电机原理及应用

前言6年前，我从清华大学电机系博士毕业，来到吉林大学汽车工程学院任教，并承担了车辆工程专业卓越工程师班的本科生选修课《电机与驱动》的教学工作。随着混合动力汽车及电动汽车技术的快速发展，电机及其控制系统的基本知识对于车辆工程专业的学生越来越重要，但车辆工程专业的学生一般缺乏电气工程相关的基础，所以起初这门课让我觉得无从下手。传统的电机学和交流电机传动这两门专业课一般就需要上百学时，而这两门专业课又是建立在电路原理、电磁场、自动控制原理、电力电子技术等一系列专业基础知识体系之上的，这一系列复杂的知识不可能在短短的32学时中讲授给学生。经过几年来与学生们的交流和我在科研课题中的实践体会，我将这门《电机与驱动》的教学思路定位为“抓两头”，即重点强调电机系统中“顶层体系”的介绍和电机系统中“底层物理概念”的介绍。所谓“顶层体系”，就是电机系统的知识框架，让学生知道遇到问题后应该找哪方面的知识。例如：混合动力汽车建模应当去找电机的外特性和效率特性；电机转矩控制应该去看矢量控制；交流电压调制应该去看电力电子技术等。至于这些技术的具体实现和很多工程细节，则定义为需要课外的进一步深化实践。所谓“底层物理概念”，则是介绍电机系统中典型原理的基本物理背景。工程技术的变革日新月异，不断有新技术产生，旧技术淘汰，但物理概念通常不会过时。所以在课程中我愿意更多地强调工程技术背后的物理本质。例如：电机产生转矩的物理背景是什么，开关调制电压的本质是什么，基本的磁路和电路分析方法是什么，交流电机中各种复杂的坐标变换的原因又是什么。对于这样的教学思路，很多选课的同学都给予了高度的肯定，但也表达了该课程学习过程中的难度远远大于传统的专业课程。尤其是该课程知识面非常广，且“抓两头”的讲授体系与电机的专业课有明显的区别，所以很难找到一本合适的参考书用于该课程的复习和拓展。正是在这样的背景下，我萌生了写这样一本教材的想法。
    为了让本书更贴近汽车系统工程应用的实际，我邀请了中国科学院电工研究所的范涛副研究员和潍柴动力股份有限公司的王宏宇部长与我共同完成本书的撰写。范涛是我的大学同学，大学毕业后一直在中国科学院电工研究所从事车用电机及其系统的设计和分析工作，已有十余年时间。他在2009年获得中国科学院研究生院博士学位，对车用电机理论有着深刻的理解和丰富的实践经验，所以承担了本书交流电机基本原理相关内容的撰写。王宏宇部长在美国汽车行业工作十余年，曾就职于美国通用汽车公司和德尔福汽车公司。他2011年回到中国，并被评为国家千人计划专家，现任潍柴动力新能源系统工程部部长。王宏宇部长从产业化的角度为本书撰写了车用电机测试及标准的相关内容。本书的成书当然也要归功于我成长道路上各位老师的指点和帮助。我首先要提到的是我在清华大学攻读博士学位时的指导老师——邱阿瑞教授，是他打开了我通往电机及其控制系统领域的大门，让我次建立电机模型，次控制电机旋转，次完整地完成一篇学术论文的写作。其次，我要感谢清华大学电机系的诸位老师，他们的辛勤工作为我日后的电机研究打下了扎实的理论基础。我特别要感谢的是威斯康星大学麦迪逊分校的Robert. D. Lorenz教授。2008年，Lorenz教授接受我作为联合培养博士生，在WEMPEC（Wisconsin Electric Machines and Power Electronics Consortium,威斯康星州电机和电力电子协会）学习生活。在WEMPEC的一年时间里，Lorenz教授的言传身教对我影响巨大，让我终身受益。我还要感谢与Lorenz教授同在WEMPEC的Johns教授和Giri教授，他们所讲授的《ECE711交流电机瞬态与控制》和《ECE412电力电子电路》，让我对电机与电力电子的理解有了大幅度的提升。本书也加入了部分我在这两门课中的所学内容。当然我还要感谢清华大学、威斯康星大学和吉林大学一路走来的同学、同事以及我的研究生和朋友们，正是与他们的讨论、交流才会有我目前对电机系统的一点理解，正是他们一直以来的帮助，才促成了本书的成稿。感谢我的研究生邢增臻、孙科和李海湘，他们对本教材的整理和校对工作做出了重要的贡献。后，我还要感谢我的父母和妻子，正是他们无微不至的关怀和陪伴，才让我能安心努力的工作，完成本书的写作，他们是这本书的功臣。
    车用电机原理及应用前言本书首先简要地介绍了电机的基本概念及其与汽车相关的应用，接下来的内容主要分为四个部分：部分为2～4章，介绍直流电机；第二部分为5、6章，介绍电力电子技术；第三部分为7～12章，介绍交流电机；后一部分为13章，介绍车用电机的测试与标准。本书由袁新枚主编，范涛、王宏宇任副主编。参编人员有徐跃、周锦利、王闯、孙科、孙巍、邢增臻、刁庆华、李海湘和张建。其中第7、8章由范涛撰写，第13章由王宏宇撰写，第12章中矢量控制的仿真模型是基于中国科学院电工研究所博士生李鸿扬的大量实验和仿真工作完成的，其余内容由本人完成。
    部分的核心内容可分为电机的原理与控制两方面。在电机原理方面，着重强调电机转矩产生的基本原理，以及定子、转子、电枢和励磁等概念；在控制方面，着重强调电机系统的建模和模型参数的物理意义及其对控制的影响，希望使读者了解基本的电磁及机械运动系统的建模方法和电流/转速双闭环的基本控制结构与原理。在第4章中选取的汽车系统中的起动机和节气门实例，主要希望使读者更好地理解以上的电磁/机械系统建模方法的应用。部分的内容从某种意义上并非是特别针对直流电机的介绍，而是可通用于常见电磁控制系统的。
    第二部分介绍电力电子技术。在电气工程中，电力电子技术是独立的教程，相关内容也极为广泛，仅两章的内容很难触及电力电子技术的核心。但电力电子技术与现代交流电机的控制不可分割，所以笔者在这部分内容中只期望阐述“PWM”和“单极双掷开关”两个电力电子的基本概念。“PWM”面向电压的调制算法，是矢量控制中的空间矢量PWM（SVPWM）算法的介绍奠定基础；“单极双掷开关”面向电路拓扑，是三相逆变电路的原理和实现提供基本的理论支撑。
    第三部分介绍交流电机，这部分内容是当前电机控制的热点。具体到车用驱动电机，目前多以交流永磁同步电机为主，所以在该部分内容的设置上也主要集中于交流永磁同步电机。这部分内容本书也有自身的特色，第7章讲解了交流电机的基本概念，包括工作原理、结构及分类。在介绍电机结构时，引用了作者在长期电机研发过程中的大量实物照片，力图使读者更加容易地建立起电机的形象概念，为第8章讲解电机的模型建立一个感观基础。第8章将对电机的感观认识提升为理性认知层面，即电机的数学模型。从电路和磁路两个视角对电机进行建模。考虑到国内电机学教材在磁路方面介绍的相对欠缺，而磁路相比电路能更加本质地反映电机内部的物理构成，在本章中用更多的磁路语言描述电机原理。同时，通过有限元仿真的方法使电机磁场形象化，特别是在电机学和电机控制理论中占有重要地位的“dq轴”概念，使其不再是一个抽象的数学概念，而是一个实在的物理存在。以相量模型为基础，本章还介绍了电机的转矩特性、外特性和效率特性，掌握这些特性对应用电机大有帮助。第9章利用长达一章的篇幅推导得到了永磁同步电机在转子同步坐标系下的“dq轴”模型，重点希望读者看到交流电机坐标变换的思路及“任意”坐标系下交流电机模型的表达形式，从而能对“dq轴”模型在第8章的基础上从控制角度进行更为深刻的认识；关于交流永磁同步电机矢量控制相关的算法和电路都汇集于第10章，从该章中可以相对集中地获得实际车用驱动电机控制系统的基本原理；第11章介绍了感应电机的建模与控制，对于磁场定向控制，感应电机和永磁同步电机没有本质区别，所以该章相比传统电机专业教材中对感应电机大篇幅的介绍，内容是相对简略的。第12章中给出了两个交流电机的实例，个模型详细描述了旋转坐标系下的交流永磁同步电机模型及其矢量控制算法，该模型可以直接应用于实际矢量控制算法开发；第二个电机模型是从能量角度出发对电机外特性的建模，这种建模方法也是实际在电动汽车及混合动力汽车系统开发中经常使用的。
    第四部分内容面向车用电机的产业化，介绍车用电机的测试方法与标准。由于相关内容更新较快，且不同国家体系标准也存在着一定差异，所以该部分内容旨在起到一个索引的作用，使读者在需要面向产业化应用时，可以方便快速地找到所需的电机测试要求及标准。
    本书的使用不仅局限于车辆工程专业，对其他专业了解电机及其控制系统同样是适用的，所以它既可以作为本科高年级及研究生的课程教材，也可以作为电气工程专业及相关领域工程师的参考书。
    由于时间有限，书中内容难免有不当之处，敬请有关专家和各位读者给予批评指正。
    袁新枚2016年2月长春

本教材立足于电磁学的基本物理概念，通过理论和实践相结合的方式，重点介绍直流电机及永磁同步电机的原理、设计及控制方法。 其中，在直流电机相关章节中，面向电机的建模与转矩控制，建立基本的电机系统控制的概念，同时辅以后续电力电子基础知识的介绍，使读者可以掌握电机控制系统的基本框架，满足汽车专业相关人员对电机系统了解的需求。 在交流电机相关章节中，本教材则详细的分析了现代交流电机的磁场、特性及控制原理，为从事电机系统开发或电动汽车相关开发的人员提供实用的技术支撑。 为了与汽车应用相结合，本教材在后的章节中还介绍了车用电机的标准及测试方法，以供相关人员参考。

本教材立足于电磁学的基本物理概念，通过理论和实践相结合的方式，重点介绍直流电机及永磁同步电机的原理、设计及控制方法。 其中，在直流电机相关章节中，面向电机的建模与转矩控制，建立基本的电机系统控制的概念，同时辅以后续电力电子基础知识的介绍，使读者可以掌握电机控制系统的基本框架，满足汽车专业相关人员对电机系统了解的需求。 在交流电机相关章节中，本教材则详细的分析了现代交流电机的磁场、特性及控制原理，为从事电机系统开发或电动汽车相关开发的人员提供实用的技术支撑。 为了与汽车应用相结合，本教材在后的章节中还介绍了车用电机的标准及测试方法，以供相关人员参考。

师从邱阿瑞教授，获清华大学电机系工学博士学位。曾作为访问学生，师从R.D.Lorenz教授（WEMPEC，University of Wisconsin-Madison）。现在吉林大学汽车工程学院，为副教授硕士生导师。研究领域：电力电子与交流电机控制、电动汽车及混合动力汽车系统建模与控制、发动机尾气后处理系统控制。

目录
序１
序２
前言
第1章导论1
1.1电机发展简史1
1.2电机的基本概念及分类2
1.3电机在汽车中的应用4
第2章直流电机概述5
2.1直流电机及其用途5
2.2电、磁、力与速度6
2.3直流电机的工作原理8
第3章直流电机的建模与控制11
３.１等效电路与励磁分类11
3.2数学模型12
３.３转矩控制13
3.4速度/位置控制18
3.5状态反馈控制20
第4章车用直流电机实例22
4.1起动机建模与特性分析22
4.2电子节气门建模25
第5章PWM技术28
5.1PWM原理28
5.2将模拟信号转化为PWM的方法30
5.3PWM的实现31
5.4PWM在直流调制中的应用33
第6章电力电子技术36
6.1电力电子技术概述36
6.2典型的电力电子器件38
6.2.1二极管38
6.2.2MOSFET39
6.2.3IGBT40
6.2.4小结41
6.3单极双掷开关的实现42
6.4整流电路与逆变电路43
6.4.1整流电路44
6.4.2逆变电路45
6.5电力电子器件的损耗与散热46
第7章交流电机概述49
7.1交流电机的概念及其用途49
7.2交流电机的工作原理50
7.3交流电机的结构及分类52
7.3.1交流电机的结构52
7.3.2交流电机的分类54
第8章永磁同步电机分析56
8.1永磁同步电机的模型观56
8.2永磁同步电机的磁路分析56
8.2.1简单磁路分析56
8.2.2电机磁路分析59
8.3永磁同步电机的电路分析68
8.3.1电机电感模型68
8.3.2电机相量模型68
8.3.3电机转矩模型73
8.4永磁同步电机的效率特性与外特性74
8.4.1永磁同步电机的效率特性74
8.4.2永磁同步电机的外特性76
车用电机原理及应用目录第9章面向控制的永磁同步电机的建模78
9.1自然坐标系下的电机电压方程78
9.2正交坐标系与旋转坐标系的变换80
9.3旋转坐标系下的电机模型84
第10章永磁同步电机的控制87
10.1永磁同步电机矢量控制原理87
10.1.1直流电机的转矩控制与永磁同步电机的转矩控制87
10.1.2永磁同步电机的矢量控制方法88
10.2永磁同步电机磁场的控制89
10.2.1转矩电流比控制90
10.2.2弱磁控制90
10.3交流电机控制的功率电路与SPWM93
10.3.1三相逆变电路拓扑93
10.3.2三相逆变电路的实现94
10.3.3三相逆变电路的六阶梯波调制94
10.3.4三相逆变电路的PWM97
10.4空间矢量PWM技术98
10.4.1电压空间矢量原理98
10.4.2电压空间矢量PWM原理99
10.4.3SVPWM与SPWM101
10.4.4电压空间矢量PWM的常见软件实现算法102
第11章感应电机的建模与控制105
11.1传统感应电机的描述及控制方法105
11.1.1感应电机的稳态等效电路105
11.1.2感应电机的机械特性曲线106
11.1.3传统感应电机的调速方法108
11.2感应电机的矢量控制原理110
11.2.1感应电机与永磁同步电机控制上的区别110
11.2.2感应电机在同步旋转坐标系下的等效电路与数学模型111
11.2.3感应电机的直接矢量控制原理114
11.2.4感应电机的间接矢量控制原理116
11.3感应电机的直接转矩控制原理117
第12章车用交流电机应用实例120
１２.1车用永磁同步电机矢量控制系统建模与仿真120
12.1.1电机系统及模型框架120
12.1.2派克变换与克拉克变换121
12.1.3电机模型122
12.1.4逆变器模型123
12.1.5控制器模型124
12.1.6模型的初始化与仿真结果的处理127
12.1.7仿真结果127
12.2纯电动汽车纵向动力学模型129
12.2.1纯电动汽车系统及模型框架130
12.2.2电池模型130
12.2.3电机系统模型131
12.2.4传动系统模型133
12.2.5整车动力学模型133
12.2.6驾驶员模型134
12.2.7仿真结果134
第13章车用电机测试及标准137
13.1车用电机测试方法137
13.1.1电机测试台架的基本组成137
13.1.2车用电机的技术要求及试验方法138
13.2车用电机标准142
13.2.1标准组织简介142
13.2.2电动汽车电机系统标准汇总144
参考文献146

本教材立足于电磁学的基本物理概念，通过理论和实践相结合的方式，重点介绍直流电机及永磁同步电机的原理、设计及控制方法。 其中，在直流电机相关章节中，面向电机的建模与转矩控制，建立基本的电机系统控制的概念，同时辅以后续电力电子基础知识的介绍，使读者可以掌握电机控制系统的基本框架，满足汽车专业相关人员对电机系统了解的需求。 在交流电机相关章节中，本教材则详细的分析了现代交流电机的磁场、特性及控制原理，为从事电机系统开发或电动汽车相关开发的人员提供实用的技术支撑。 为了与汽车应用相结合，本教材在后的章节中还介绍了车用电机的标准及测试方法，以供相关人员参考。

师从邱阿瑞教授，获清华大学电机系工学博士学位。曾作为访问学生，师从R.D.Lorenz教授（WEMPEC，University of Wisconsin-Madison）。现在吉林大学汽车工程学院，为副教授硕士生导师。研究领域：电力电子与交流电机控制、电动汽车及混合动力汽车系统建模与控制、发动机尾气后处理系统控制。