付主木，高愛云

（河南科技大學(xué)a.信息工程學(xué)院；b.車輛與交通工程學(xué)院，河南洛陽 471023）

電動汽車用永磁同步電機模糊直接轉(zhuǎn)矩控制

付主木a，高愛云b

（河南科技大學(xué)a.信息工程學(xué)院；b.車輛與交通工程學(xué)院，河南洛陽 471023）

為了提升電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)效率，本文提出了一種基于電動汽車行駛模式切換的永磁同步電機（PMSM）模糊直接轉(zhuǎn)矩控制策略。在分析電動汽車行駛模式的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）系統(tǒng)進行了改進，采用模糊控制器取代傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)中的滯環(huán)比較器和電壓矢量選擇器。針對不同的行駛模式，分別設(shè)計了相應(yīng)的模糊控制規(guī)則和控制器。在Matlab／Simulink中搭建了PMSM模糊DTC系統(tǒng)模型。仿真結(jié)果表明：所設(shè)計的PMSM模糊DTC策略與傳統(tǒng)DTC相比，PMSM驅(qū)動系統(tǒng)不僅轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)矩脈動小，而且其高速運行時的穩(wěn)態(tài)效率提高了10.26%。

永磁同步電機；直接轉(zhuǎn)矩控制；模糊控制；行駛模式切換

0 引言

電動汽車是未來汽車行業(yè)發(fā)展的主要方向，由于車載動力電池容量有限，電動汽車的續(xù)航能力遠遠無法與傳統(tǒng)燃油汽車相匹敵，在電池技術(shù)還未取得突破性進展時，研究高性能和高效率的電機驅(qū)動系統(tǒng)具有非常重要的意義［1－3］。永磁同步電機（PMSM）具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、電磁轉(zhuǎn)矩大、過載能力強等優(yōu)點，特別適合用作電動汽車的牽引電機［4－6］。目前，永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)普遍采用矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)，由于電動汽車行駛工況復(fù)雜，轉(zhuǎn)子參數(shù)變化幅度大，嚴重影響了矢量控制效果，而直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，且轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)快，成為電動汽車用永磁同步電機驅(qū)動技術(shù)的研究熱點［7－8］。

PMSM傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩采用滯環(huán)控制，在一個控制周期內(nèi)僅作用一次有效的電壓空間矢量，因而不可避免地產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動。針對此問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多改進方案。文獻［9］將空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制技術(shù)應(yīng)用到直接轉(zhuǎn)矩控制方案中，可以有效地提高逆變器開關(guān)頻率，降低轉(zhuǎn)矩脈動，但系統(tǒng)實現(xiàn)較復(fù)雜。文獻［10－11］將滑模變結(jié)構(gòu)控制與直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)相結(jié)合，明顯地減小磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動，但在滑模面會產(chǎn)生不良抖動。文獻［12－13］用模糊控制器取代滯環(huán)比較器，并利用零矢量，有效地抑制了轉(zhuǎn)矩脈動。文獻［14］研究了使轉(zhuǎn)矩脈動最小的零矢量作用范圍，為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的優(yōu)化設(shè)計提供了參考。然而以上研究僅針對獨立的電機驅(qū)動系統(tǒng)進行優(yōu)化和改進，專門適用于電動汽車且與電動汽車行駛模式相結(jié)合的改進方案尚不多見。

為了提高電動汽車用電機驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)效率，本文結(jié)合國內(nèi)外的研究成果，提出了一種基于電動汽車行駛模式切換的PMSM模糊直接轉(zhuǎn)矩控制方案，并在Matlab／Simulink中進行了仿真和對比分析。

1 電動汽車行駛模式分析

通常電動汽車行駛工況較為復(fù)雜，根據(jù)道路環(huán)境以及行駛速度、加速度等參數(shù)可將其簡化為如圖1所示的5種典型行駛模式。

圖1中，在Ⅰ階段，電動汽車處于加速（起動）模式，加速度方向為正，電機電磁轉(zhuǎn)矩正向快速增大；Ⅱ階段為巡航行駛模式，汽車行駛速度基本恒定，電磁轉(zhuǎn)矩為正且波動幅度小，主要用來克服汽車行駛阻力；Ⅲ階段為勻速爬坡模式，電機需求電磁轉(zhuǎn)矩較大，其值跟路面坡度有關(guān)；Ⅳ階段為勻速下坡模式，電機提供的電磁轉(zhuǎn)矩為負，即工作于再生制動狀態(tài)；Ⅴ階段為減速（停車）模式，為了使汽車速度迅速降低，電機電磁轉(zhuǎn)矩需反向快速增大。

圖1 電動汽車行駛模式

不同的行駛模式對電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能要求不同。當系統(tǒng)處于加速、減速等動態(tài)運行模式時，為保證汽車的動力性能，系統(tǒng)應(yīng)具有快速精確的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力；當系統(tǒng)處于巡航行駛、勻速上坡、勻速下坡等穩(wěn)態(tài)運行模式時，汽車對系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力要求較低，應(yīng)盡可能地提高電機驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)效率，來延長電動汽車的續(xù)駛里程。因此，在電動汽車用PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計中，有必要針對各個行駛模式分別制定相應(yīng)的控制規(guī)則。

2 PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制原理

圖2為不同坐標系下的PMSM磁鏈矢量圖，圖中α-β為靜止坐標系，d-q為按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的旋轉(zhuǎn)坐標系，X-Y為按定子磁鏈定向的旋轉(zhuǎn)坐標系。PMSM在d-q坐標系下的數(shù)學(xué)模型為：

圖2 PMSM不同坐標系下的磁鏈矢量圖

式中：ψd、ψq分別為定子磁鏈d軸和q軸分量；id、iq分別為定子電流d軸和q軸分量；ud、uq分別為定子電壓的d軸和q軸分量；Ld、Lq分別為d軸和q軸的等效電感；ψf為永磁體磁鏈；Rs為定子電阻；ωr為轉(zhuǎn)子角速度；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；np為極對數(shù)。

通過坐標變換，可得到電磁轉(zhuǎn)矩在X-Y坐標系下的表達式為：

式中：ψs為定子磁鏈；δ為定轉(zhuǎn)子磁鏈夾角，即轉(zhuǎn)矩角。

通過電壓空間矢量的作用可以調(diào)節(jié)定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向和角速度，進而改變轉(zhuǎn)矩角，實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制。下面具體分析定子電壓空間矢量在直接轉(zhuǎn)矩控制中的作用效果。

PMSM定子磁鏈ψs在α-β坐標系下的表達式為：

式中：us、is分別為定子電壓矢量、電流矢量。

忽略定子電阻壓降，則經(jīng)過一個控制周期T后，定子磁鏈的變化量為△ψs＝usT，如圖2所示。圖2中，γ為us與ψs的夾角；ψ′s為一個控制周期后的定子磁鏈；△θ為定子磁鏈相位角變化值。當γ∈減小。另外，當γ∈（0，π）時，△θ＞0，ψs逆時針旋轉(zhuǎn)；當γ∈（π，2π）時，△θ＜0，ψs順時針旋轉(zhuǎn)。

圖3 定子磁鏈扇區(qū)和電壓空間矢量圖

為了方便選擇定子電壓矢量，將定子電壓矢量平面分成6個扇區(qū)，分別為θ1～θ6，如圖3所示。

設(shè)PMSM定子磁鏈逆時針旋轉(zhuǎn)方向為正，以第一扇區(qū)為例分析在一個控制周期內(nèi)電壓矢量的作用效果。若對電機施加u2，可使定子磁鏈ψs幅值增大，同時朝正向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩角δ增大，電磁轉(zhuǎn)矩Te也隨之增大；若施加u3，定子磁鏈ψs幅值減小，朝正向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩角δ增大，電磁轉(zhuǎn)矩Te增大；同理，若施加u5，ψs幅值和Te同時減??；若施加u6，ψs幅值增大，Te減?。蝗羰┘恿闶噶縰0或u7，ψs將保持不變，停止旋轉(zhuǎn)，此時轉(zhuǎn)子磁鏈繼續(xù)正向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩角減小，由于一個控制周期時間很短，Te會有小幅降低，且降低幅度跟電機轉(zhuǎn)速成正比。

表1 定子電壓矢量選擇規(guī)則表

通過以上分析可知：在不同的扇區(qū)選擇合適的電壓矢量可以使電機的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩跟隨給定值，因此可以得到在各個扇區(qū)下定子電壓矢量選擇規(guī)則，如表1所示。表1中，φ和τ分別為定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩與給定值的偏差。如果φ＝1，則實際定子磁鏈小于給定值，對電磁轉(zhuǎn)矩也同樣適用。傳統(tǒng)的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制就是根據(jù)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩與期望值的偏差，并結(jié)合定子磁鏈所在扇區(qū)，直接選取合適的定子電壓矢量，通過定子電壓矢量的作用來減小定子磁鏈偏差和電磁轉(zhuǎn)矩偏差，從而實現(xiàn)對電機定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。

3 PMSM模糊DTC策略設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文在傳統(tǒng)PMSM DTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行改進，用模糊控制器取代傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)中的磁鏈滯環(huán)比較器、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器和電壓空間矢量選擇器，將行駛模式M、定子磁鏈偏差△ψs、電磁轉(zhuǎn)矩偏差△Te、定子磁鏈位置θ作為模糊控制器的輸入變量，并將電壓空間矢量us作為模糊控制器的輸出變量。該方案能夠?qū)ⅰ鳓譻和△Te進行合理的分級，并根據(jù)電動汽車的行駛模式動態(tài)地切換模糊控制規(guī)則。改進后的PMSM模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中，PMSM逆變器為脈沖寬度調(diào)制逆變器。

3.2 模糊控制器設(shè)計

圖4 PMSM模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

首先，將輸入輸出變量模糊化并確定各自的隸屬度函數(shù)。行駛模式M為離散變量，定義為5個單點模糊子集｛m1（加速模式），m2（巡航模式），m3（勻速爬坡模式），m4（勻速下坡模式），m5（減速模式）｝。將△ψs和△Te通過式［1－exp（－10x）］／［1＋exp（－10x）］量化到論域［－1，1］內(nèi)，并定義△ψs為4個模糊子集｛NL（負大），NS（負?。?，PS（正?。琍L（正大）｝；定義△Te為3個模糊子集｛N（負），Z（零），P（正）｝。θ論域為［0，2π］，定義為6個模糊子集｛θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6｝。us為離散變量，采用單點模糊集｛u0，u1，u2，u3，u4，u5，u6，u7｝來表示。各輸入變量對應(yīng)的隸屬度函數(shù)如圖6所示。

圖6 各輸入變量隸屬度函數(shù)

隸屬度函數(shù)設(shè)計完成后，針對電動汽車不同行駛模式分別制定相應(yīng)的模糊控制規(guī)則，具體步驟如下：

表2 M＝m1或M＝m5時的模糊控制規(guī)則

表3 M＝m2或M＝m3時的模糊控制規(guī)則

表4 M＝m4時的模糊控制規(guī)則

（Ⅰ）當M＝m1或M＝m5時，電機驅(qū)動系統(tǒng)為動態(tài)運行，為了提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力，應(yīng)通過施加有效電壓矢量使定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩快速跟隨給定值。對于不同的△ψs和△Te的語言值，根據(jù)電壓控制矢量的作用效果選取最優(yōu)的us，由此可以得到θ＝θ1的模糊控制規(guī)則，如表2所示。表2中，零矢量按照開關(guān)損耗最小的原則選取。其他θ值的模糊控制規(guī)則依此類推。

（Ⅱ）當M＝m2或M＝m3時，電機驅(qū)動系統(tǒng)為穩(wěn)態(tài)運行，且期望電磁轉(zhuǎn)矩T*e＞0，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)效率，應(yīng)通過增加零矢量的方式來降低電機的輸入功率，同時也降低了逆變器的開關(guān)頻率和功耗。若△Te為正，施加有效電壓矢量使定子磁場正向旋轉(zhuǎn)，增大電磁轉(zhuǎn)矩；反之則施加零矢量使定子磁場保持不變。由此制定出θ＝θ1的模糊控制規(guī)則，如表3所示。

（Ⅲ）當M＝m4時，T*e＜0，應(yīng)通過增加零矢量的方式來提高再生制動能量的回收效率。若△Te為負，施加有效電壓矢量使定子磁場反向旋轉(zhuǎn)，電磁轉(zhuǎn)矩反向增大；反之則施加零矢量使定子磁場保持不變。所制定的θ＝θ1的模糊控制規(guī)則如表4所示。

模糊推理系統(tǒng)采用mamdani型，推理方法選擇min-max法。由于us為離散變量，無需進行解模糊運算就可以得到電壓空間矢量的清晰值。

4 仿真對比分析

在Matlab／Simulink中搭建電動汽車用PMSM模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型，如圖7所示。PMSM額定電壓為300 V，額定電流為2.3 A，額定轉(zhuǎn)速為3 750 r／m in，極對數(shù)為2，轉(zhuǎn)子磁鏈為0.184 8 Wb，定子電阻為0.184 8Ω，d軸和q軸電感均為0.014 H，系統(tǒng)采樣周期設(shè)為60μs。

首先對系統(tǒng)動態(tài)性能進行仿真。給定轉(zhuǎn)速為2 000 r／min，定子磁通為0.2Wb。空載起動0.05 s后突加4 N·m的負載轉(zhuǎn)矩，0.1 s時再突降為2 N·m，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線如圖8所示。

隨著時代的進步，近現(xiàn)代音樂視唱作品一定會越來越多的融入到視唱練耳教學(xué)當中，可以看出傳統(tǒng)視唱與近現(xiàn)代視唱有著千絲萬縷的關(guān)系。盡管視唱素材的寫作手法越來越新奇，盡管視唱作品的風(fēng)格越來越豐富，視唱的難度不斷增加。只要我們能夠了解音與音之間的聯(lián)系。不斷地總結(jié)并完善傳統(tǒng)視唱與近現(xiàn)代視唱相融合的教學(xué)方法。就能夠使兩者相互并存、共同發(fā)展。

圖7 PMSM模糊DTC系統(tǒng)仿真模型

圖8 動態(tài)運行時的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

由圖8可知：當負載突變時，兩種控制方案的電磁轉(zhuǎn)矩均能迅速跟隨給定值，所設(shè)計的PMSM模糊DTC系統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)矩脈動明顯減小，具有更好的動態(tài)性能。

然后測試系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行效率。穩(wěn)態(tài)效率η計算公式如下：

式中：n為電機轉(zhuǎn)速；Tm為負載轉(zhuǎn)矩；U、I分別為直流電源的電壓和電流。

對系統(tǒng)設(shè)置不同轉(zhuǎn)速和負載轉(zhuǎn)矩給定值，當電機進入穩(wěn)態(tài)時測量直流電源的輸出電壓和電流，由式（8）計算電機驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)效率。PMSM模糊DTC策略與傳統(tǒng)DTC策略相比，其驅(qū)動系統(tǒng)最高效率由92%提高至95%，其高速運行時的穩(wěn)態(tài)效率提高了10.26%。

5 結(jié)論

本研究采用模糊控制和DCT相結(jié)合的方法，設(shè)計了一種基于行駛模式切換的PMSM模糊DTC策略，得到的主要結(jié)論如下：

（1）當電動汽車用PMSM系統(tǒng)處于動態(tài)運行狀態(tài)時，施加有效電壓矢量能夠使電磁轉(zhuǎn)矩快速跟隨給定值，從而提高系統(tǒng)動態(tài)性能；當系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)時，通過增加零矢量的方式可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)效率。

（2）針對電動汽車不同行駛模式，分別制定相應(yīng)的模糊控制規(guī)則和控制器，提升了電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)效率。

（3）仿真結(jié)果表明：采用所設(shè)計的模糊DTC策略與傳統(tǒng)DTC策略相比，PMSM驅(qū)動系統(tǒng)不僅轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)矩脈動小，而且系統(tǒng)最高效率由92%提高至95%，在高速運行時穩(wěn)態(tài)效率提升幅度可達10.26%。

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TP273

A

1672－6871（2015）05－0019－06

國家自然科學(xué)基金項目（61473115，51277116，51375145）；中國博士后科學(xué)基金項目（2013T60670）；河南省科技創(chuàng)新人才杰出青年計劃基金項目（144100510004）；河南省高?？萍紕?chuàng)新人才支持計劃項目（13HASTIT038）

付主木（1974－），男，湖北仙桃人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為混合動力汽車能量管理策略及電機控制.

2015－03－27