劉濤只，全 力，朱孝勇

(江蘇大學，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

當前，以內(nèi)燃機為動力的傳統(tǒng)汽車雖然在發(fā)展，但受到石油資源的減少和環(huán)境污染這兩大難題的制約，具有無排放、噪聲較低和效率較高等優(yōu)勢的電動汽車逐漸受到人們的重視。世界各大汽車公司以及各國都大量人力物力用于電動汽車的研究開發(fā)。

電動汽車體系中的一個重要分支是微型電動汽車。微型電動汽車，是指最高時速低于50 km，整車重量低于600 kg，一次充電續(xù)航里程為70～130 km一類純電動汽車。由于微型電動汽車具有質(zhì)量輕、價格低、體積小、低速性能好等優(yōu)點，是一種特別適合中小型城市及廣大農(nóng)村運行的短途交通工具，出現(xiàn)之后便立即受到了國內(nèi)外相關領域企業(yè)和學者的關注。

微型電動汽車是由儲能電池和能量管理系統(tǒng)、車體、電機驅(qū)動系統(tǒng)組成的一類新型運載車輛。蓄電池及電池管理系統(tǒng)技術、車體技術、電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)技術等是微型電動汽車的關鍵技術。

與普通微型汽車相比，微型電動汽車減少了發(fā)動機動力系統(tǒng)，包括減速箱、起動電機、水冷卻和油箱等部件，增加了電機、驅(qū)動控制系統(tǒng)和充電系統(tǒng)?？紤]到微型電動汽車存在頻繁起動、加速、巡航、減速、爬坡等工況，且一般仍采用電壓等級為48 V/60 V/72 V的鉛酸電池供電，因此低壓大電流電機在微型電動汽車領域得到了廣泛應用。

本文在理論分析基礎上，以一臺低壓大電流磁通切換電機作為控制對象，應用MATLAB/Simulink構建了基于SVPWM的磁通切換電機驅(qū)動系統(tǒng)的仿真模型，并通過仿真及實驗驗證了系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)響應快、抗擾動能力強等優(yōu)點，對所提出的SVPWM控制方法進行了有效性驗證。

1 磁通切換電機的結(jié)構及工作原理

磁通切換電機(以下簡稱FSPM)是一種新型結(jié)構的定子永磁型電機，其結(jié)構完全不同于轉(zhuǎn)子永磁型電機。圖1為一臺三相12/10極FSPM的截面圖。電機的轉(zhuǎn)子部分為凸極結(jié)構，上面既無繞組也無永磁體。定子也是凸極結(jié)構，采用集中繞組，繞組端部較小，節(jié)省用銅量并減小銅耗。定子中12個線圈共分成了三組，每四個串聯(lián)組成一相，例如圖中的A1～A4是A相的四個線圈，以此類推。每個線圈繞組橫跨在兩個定子齒上，中間嵌有一塊交替充磁的永磁體。磁通切換電機FSPM繞組里匝鏈的磁通(磁鏈)會根據(jù)轉(zhuǎn)子的不同位置切換正負極性和數(shù)值大小。在一個轉(zhuǎn)子極距范圍內(nèi)，對應著電機的一個電周期，磁通的數(shù)量會從最大變到最小，方向從進入繞組到穿出繞組。磁通切換電機的特殊結(jié)構決定了其定子上每相繞組具有一致性和互補性，確保磁通切換電機每相的永磁磁鏈、反電動勢和電樞電流的波形為正弦波。圖2和圖3分別為電機在額定轉(zhuǎn)速750 r/min下的三相磁鏈波形和反電動勢波形，圖4為A相頻譜分析結(jié)果。

2 FSPM的結(jié)構及工作原理

三相FSPM在定子坐標系下的數(shù)學模型:

式中:ua、ub、uc為三相相電壓;L0為自感的基波直流分量;M0為互感的基波直流分量;ia、ib、ic為三相電流;Ψa、Ψb、Ψc為三相相繞組匝鏈的總磁鏈;ema、emb、emc為三相反電勢;Rph為每相繞組電阻;Lm為自感波形的脈動幅值;pr為電機轉(zhuǎn)子極數(shù);θr為轉(zhuǎn)子位置角;Tpm為電機永磁體產(chǎn)生的永磁磁鏈與電樞電流作用產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩;Tcog為電機定位力矩;Tr為電機磁阻轉(zhuǎn)矩;Pem為電機電磁功率。

其中:

忽略電動機鐵心飽和，不計電動機中的渦流和磁滯損耗，經(jīng)過三相Park變換后FSPM在轉(zhuǎn)子坐標系下的數(shù)學模型:

式中:ud為電機交軸電壓;uq為電機交軸電壓;Ψd、Ψq分別為電機d、q軸繞組中匝鏈的總磁鏈;ωe為電機轉(zhuǎn)子的電角速度;Ψm為繞組中匝鏈的永磁磁鏈的峰值;Ld、Lq分別為直軸和交軸電感;id、iq分別為直軸和交軸電流。

3 FSPM調(diào)速系統(tǒng)的建模

基于FSPM的數(shù)學模型，本文對FSPM的SVPWM控制系統(tǒng)仿真建模，采用外速度環(huán)和內(nèi)電流環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，如圖5所示。

圖5 FSPM調(diào)速系統(tǒng)原理圖

本系統(tǒng)中，經(jīng)過測量可得電機三相定子電流ia、ib、ic，經(jīng)Clarke變換和Park變換為實際直交軸電流id和iq。參考交軸電流由實際轉(zhuǎn)速與給定參考轉(zhuǎn)速的差值通過控制器得到，直交軸電壓Ud和Uq由實際交直軸電流id和iq分別和參考直交軸電流比較后經(jīng)電流調(diào)節(jié)器生成，再經(jīng)過變換模塊得到控制電壓Uα、Uβ，最后經(jīng)過SVPWM模塊生成六路脈沖信號來驅(qū)動逆變器模塊產(chǎn)生三相電壓，控制電機轉(zhuǎn)動。

主要功能包括交通控制系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、在物聯(lián)網(wǎng)基礎上建立起來的車輛狀況監(jiān)測和管理系統(tǒng)、對車輛進行控制系統(tǒng)、行車路線的管理和規(guī)劃系統(tǒng)等，利用電子系統(tǒng)對這些功能進行集中協(xié)調(diào)和管理。

3.1 電機模型

系統(tǒng)建模的關鍵在于電機本體的建模。可以根據(jù)FSPM的數(shù)學模型中三相電壓方程建立三相繞組子模塊;根據(jù)三相輸出轉(zhuǎn)矩方程和機械運動方程建立運動子模塊。最后將這些子模塊通過接口模塊組合起來就是電機子系統(tǒng)的模型，如圖6所示。

圖6 三相FSPM電機仿真模型

圖中“A+”、“B+”、“C+”為三相繞組與功率變換器主電路相連的三個端口;“Net”是與分裂電容中點相連的三相繞組的公共端;θ為轉(zhuǎn)子位置的機械角度，它由給定轉(zhuǎn)速與時間的乘積得到，單位為(°);n為給定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

3.2 SVPWM 模型

利用MATLAB可建立如圖7所示的SVPWM仿真模型。SVPWM仿真模型主要包括坐標變換模塊、扇區(qū)判斷模塊、T1、T2計算模塊、導通時刻計算模塊以及PWM波生成模塊。

圖7 SVPWM仿真模型

3.3 SVPWM控制系統(tǒng)仿真模型

SVPWM控制的FSPM調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖8所示。

本文采用id=0控制方式。調(diào)速系統(tǒng)模型包括電機本體模型、SVPWM模型、三相逆變模型等。

圖8 SVPWM控制系統(tǒng)仿真模型

4 仿真分析

仿真所需的FSPM實驗樣機參數(shù):定子齒數(shù)為12;轉(zhuǎn)子極數(shù)為10;定子外徑為160 mm;定子內(nèi)徑為100 mm;氣隙長度為0.4 mm;轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為24 mm;有效軸長為80 mm;每相繞組匝數(shù)為30;額定轉(zhuǎn)矩為25.4 N·m;額定電流為20.5 A;每相電阻為0.718 Ω;永磁磁鏈為 0.0987 Wb;摩擦系數(shù)為0.003 N·m·s，轉(zhuǎn)動慣量為 0.008 kg·m2，功率器件的開關頻率為10 kHz。

為了驗證模型有效性，進行了以下的仿真實驗:

(1)負載恒定，轉(zhuǎn)速突變

保持三相FSPM的負載轉(zhuǎn)矩18 N·m，當t=0.02 s時，將給定轉(zhuǎn)速值500 r/min突然增加到700 r/min，所得到的電機動態(tài)仿真結(jié)果如圖9～圖12所示。

從仿真曲線可以看出，電機起動后，電機轉(zhuǎn)速在0.005 s左右上升到給定值的轉(zhuǎn)速值500 r/min，超調(diào)量很小，穩(wěn)定后轉(zhuǎn)矩波動較小。而當仿真時間到達0.02 s時，轉(zhuǎn)速值由給定的500 r/min增加到要求的700 r/min，并且在0.025 s左右達到穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩也很快穩(wěn)定且波動較小，可見系統(tǒng)滿足電動車在行駛過程中加速工況的要求。

(2)轉(zhuǎn)速恒定，負載突變

保持三相FSPM的轉(zhuǎn)速500 r/min，電機從t=0開始空載起動，當t=0.02 s時，將負載轉(zhuǎn)矩值突然增加到18 N·m，所得到的電機動態(tài)仿真結(jié)果如圖13～圖15所示。

圖13 FSPM轉(zhuǎn)速波形

圖14 交直軸電流id、iq

圖15 FSPM電機轉(zhuǎn)矩波形

由仿真波形可知，電機空載起動后，轉(zhuǎn)速在t=0.005 s時穩(wěn)定在給定值500 r/min，超調(diào)量小，穩(wěn)定后轉(zhuǎn)矩波動小，符合電動車起動工況的要求。t=0.02 s突加負載18 N·m時，電磁轉(zhuǎn)矩立刻上升到給定轉(zhuǎn)矩，電流也能立刻切換并穩(wěn)定，符合電動汽車爬坡工況的要求。

仿真結(jié)果驗證了SVPWM控制策略的可行性，以及SVPWM控制的FSPM電機調(diào)速系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)精度高、轉(zhuǎn)矩脈動小、動態(tài)響應快、抗擾動能力強等優(yōu)點。

5 結(jié) 語

本文主要在MATLAB/Simulink環(huán)境下研究了FSPM基于SVPWM的控制系統(tǒng)，并進行仿真。由仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度較高，響應較快，電機定子電流及轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)矩負載突變后能較快趨于穩(wěn)定，在轉(zhuǎn)速突變后也能較快趨于穩(wěn)定。仿真實驗表明SVPWM控制系統(tǒng)對于FSPM調(diào)速系統(tǒng)控制的正確合理性，通過幾個簡單工況的仿真，進而驗證了FSPM在微型電動車上的適用性。

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