Simulation and Analysis of the Operating Conditions of PMSM on Electric Vehicle

趙　鋼　成丁雨

(天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津　300384)

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電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)工況仿真分析

Simulation and Analysis of the Operating Conditions of PMSM on Electric Vehicle

趙鋼成丁雨

(天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384)

摘要：永磁同步電機(jī)因其優(yōu)越的特性可以作為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。為了測試電機(jī)運(yùn)行過程中不同工況的性能，對(duì)永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型、控制策略進(jìn)行了分析,并根據(jù)永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)了電機(jī)控制方案。在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上，構(gòu)建了永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，在不同的運(yùn)行工況下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果驗(yàn)證了在不同工況下永磁同步電機(jī)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)特性。 是現(xiàn)代科技論文的必要附加部分，只有極短的文章才能省略。它是幫助讀者從浩瀚的信息海洋中能較快、較準(zhǔn)地找到他們所需要的科技信息的一種有效工具。摘要一般置于作者及其工作單位之后、關(guān)鍵詞之前。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)電動(dòng)汽車電機(jī)工況電機(jī)控制電機(jī)模型脈寬調(diào)試零排放電磁轉(zhuǎn)矩

Abstract：Permanent magnet synchronous motor (PMSM) can be used as the drive motor of electric vehicle because of its superior characteristics,in order to test its performance under different operating conditions,the mathematical model and control strategy of PMSM are analyzed,and the motor control strategy in accordance with the mathematical model is designed.The dual closed-loop control system for the rotating speed current of PMSM is established on Matlab/Simulink simulation platform,and the system is simulated under different operating conditions.The results of simulation verify that the PMSM possesses excellent dynamic and static performances under various operating conditions.

Keywords:PMSMElectric vehicleOperating condition of motorMotor controlMotor modelPWMZero emission

Electromagnetic torque

0引言

當(dāng)今能源危機(jī)和環(huán)境污染越來越引起大家關(guān)注，電動(dòng)汽車以其零排放、無污染的特點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。而電機(jī)作為電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的核心，其控制技術(shù)是電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)之一。電機(jī)的控制性能直接影響了電動(dòng)汽車的整體性能，因此，電機(jī)的控制技術(shù)已成為電動(dòng)汽車的研究熱點(diǎn)[1]。

電動(dòng)汽車運(yùn)行工況非常復(fù)雜，包括從汽車啟動(dòng)到勻速運(yùn)行，再到剎車制動(dòng)以及高低速行駛等各種復(fù)雜的運(yùn)行要求，而且，電動(dòng)汽車的負(fù)載和其所處的路況有著密切的關(guān)系，例如上坡、下坡、加速、減速等，這就需要分析在不同工況下轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。因此電動(dòng)汽車電機(jī)控制系統(tǒng)需要達(dá)到的目的就是獲得高性能電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制，從而達(dá)到電動(dòng)汽車在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的控制要求。為了使電動(dòng)汽車平穩(wěn)可靠地運(yùn)行，電機(jī)控制系統(tǒng)需具有精度高、響應(yīng)快、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小等特點(diǎn)，使電機(jī)輸出平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩，從而獲得良好的調(diào)速性能。

1系統(tǒng)仿真模型建立

根據(jù)矢量控制策略[2]的基本思想：通過坐標(biāo)變換的方法，可以將永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型等效為直流電機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型解耦。通過控制器的設(shè)計(jì)，對(duì)電機(jī)交軸電流和直軸電流分別進(jìn)行控制，使永磁同步電機(jī)具有直流電機(jī)的調(diào)速特性。本文采用電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，根據(jù)基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制的基本原理構(gòu)建永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[3]，如圖1所示。

在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流iA、iB、iC，通過3/2 變換將三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相靜止的正交坐標(biāo)系，從而得到α-β坐標(biāo)系下的兩相電流isα、isβ;再通過與轉(zhuǎn)子磁鏈的同步旋轉(zhuǎn)變換，可以得到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系上的直流電流id和交軸電流iq[4]。這樣經(jīng)過Clark變換、Park變換就實(shí)現(xiàn)了定子電流兩個(gè)分量的解耦。根據(jù)PMSM的數(shù)學(xué)模型對(duì)轉(zhuǎn)速電流控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)id和iq進(jìn)行控制，得到期望輸出，經(jīng)過Park逆變換和SVPWM得到PWM信號(hào)，進(jìn)而控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通順序，使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

根據(jù)圖1所示控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，在Matlab/Simulink中搭建電機(jī)控制系統(tǒng)。圖1中，F(xiàn)BS表示電機(jī)轉(zhuǎn)子速度位置反饋信號(hào)檢測。整個(gè)系統(tǒng)主要包括PMSM、三相逆變器、轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)器、坐標(biāo)變換模塊以及SVPWM調(diào)制模塊，其中電機(jī)、逆變器直接在Simulink 中調(diào)用相應(yīng)的模型，控制器采用PI控制。系統(tǒng)需要根據(jù)電機(jī)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，搭建坐標(biāo)變換和SVPWM模塊[6]。

圖1　矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)選擇的PMSM額定功率為 28 kW，額定轉(zhuǎn)矩為 130 N·m，額定電流為 52 A，轉(zhuǎn)矩常數(shù)為 2.5 Nm/A，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 28.5 kg·m2，額定電壓為 333 V，相電阻為 0.05 Ω，相電感為1 mH，反電動(dòng)勢為149 V/(krad·min-1)。根據(jù)電機(jī)參數(shù)以及電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，對(duì)電流控制器和轉(zhuǎn)速控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。在Simulink 中構(gòu)建完整的電機(jī)控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2　永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型

2永磁同步電機(jī)仿真分析

2.1啟動(dòng)特性仿真

電動(dòng)汽車的首要性能就是啟動(dòng)特性。首先，考慮極限狀況，轉(zhuǎn)速給定突加 2 000 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為100 N·m，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性。在0.2 s負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?50 N·m，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形變化，如圖3 所示。

由仿真波形可知，電機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)基本上突變?yōu)橄薹?，在恒轉(zhuǎn)矩的條件下，轉(zhuǎn)速上升時(shí)間為0.06 s，超調(diào)量小于2%。因此，電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快，滿足系統(tǒng)要求指標(biāo)。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，轉(zhuǎn)矩迅速超調(diào)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)小于5%，且迅速跟隨給定值，保證轉(zhuǎn)速不受影響，最終轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩保持穩(wěn)定。

圖3　啟動(dòng)工況波形

仿真結(jié)果表明，電機(jī)控制系統(tǒng)啟動(dòng)性能達(dá)到要求，抗擾性能好。

2.2制動(dòng)特性仿真

電動(dòng)汽車在運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生頻繁的制動(dòng)工況，良好的制動(dòng)性能是電動(dòng)汽車一個(gè)重要的指標(biāo)。制動(dòng)性能的好壞甚至關(guān)系到人身安全問題，所以系統(tǒng)更需要良好的制動(dòng)性能。首先，轉(zhuǎn)速給定突加2 000 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為100 N·m，在0.2 s 負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?50 N·m，0.3 s突加制動(dòng)信號(hào)，使轉(zhuǎn)速給定為0，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形變化，如圖4所示。

圖4　制動(dòng)工況波形

由仿真波形可知，電機(jī)制動(dòng)時(shí)，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩迅速反向，電機(jī)轉(zhuǎn)速在0.02 s內(nèi)下降為0，且超調(diào)量小于5%，說明轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，可以可靠地實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能。仿真結(jié)果表明，電機(jī)控制系統(tǒng)的制動(dòng)性能達(dá)到系統(tǒng)要求，抗擾性能好。

運(yùn)用SVPWM控制算法控制三相逆變橋功率管的導(dǎo)通順序，使得輸出的電壓矢量為正六邊形，得到旋轉(zhuǎn)磁鏈圓[8]。假設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場逆時(shí)針方向?yàn)檎较?，則順時(shí)針為制動(dòng)和反轉(zhuǎn)方向。由于不方便觀察磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向，所以從磁鏈圓和空間矢量輸出的仿真結(jié)果無法看出電機(jī)是否處在制動(dòng)過程，但是可以從三相定子電流的相位變化中得到空間矢量輸出以及磁鏈圓反轉(zhuǎn)的信息。電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，空間矢量以及磁鏈圓三相定子電流是相互對(duì)應(yīng)的，這時(shí)ABC三相電流相差120°，如果三相電流相序發(fā)生變化，則表明磁鏈圓旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，即電機(jī)處于制動(dòng)工況。三相電流相位變化仿真圖如圖5所示。由仿真結(jié)果可知，在制動(dòng)信號(hào)發(fā)出后，電機(jī)三相電流相序顛倒，進(jìn)行制動(dòng)。

圖5　制動(dòng)電流波形

2.3基本工況運(yùn)行仿真

電動(dòng)汽車在運(yùn)行過程中最基本的工況要求就是前進(jìn)、加減速、剎車、倒車等，要完成這些工況本質(zhì)上就是要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，即實(shí)現(xiàn)電機(jī)正向電動(dòng)、制動(dòng)和反向電動(dòng)等要求。因此對(duì)電機(jī)進(jìn)行四象限運(yùn)行仿真驗(yàn)證。

電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為恒轉(zhuǎn)矩100 N·m，0.3 s后突變?yōu)?50 N·m，轉(zhuǎn)速給定為1 000 r/min，0.2 s 突變?yōu)? 000 r/min，0.4 s 轉(zhuǎn)速給定突變?yōu)?，0.5 s突變?yōu)?1 000 r/min，在速度給定和轉(zhuǎn)矩給定下驗(yàn)證電機(jī)運(yùn)行狀況，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6　基本工況運(yùn)行波形

由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速波形可知，電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)多種工況下的穩(wěn)定運(yùn)行，而且轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度快，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)靜差范圍在5%以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。由此可以驗(yàn)證永磁同步電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)基本工況運(yùn)行，并且可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

由SVPWM 控制思想[9]可知，控制開關(guān)管導(dǎo)通順序是為了在電機(jī)三相繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，空間矢量輸出為正六邊形，磁鏈波形為一組同心圓，半徑由轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。而這種情況表現(xiàn)在電機(jī)三相定子電流上是三相互差120°的正弦波，幅值與負(fù)載轉(zhuǎn)矩成正比，頻率與轉(zhuǎn)速成正比。電機(jī)三相電流波形圖如圖7所示。

圖7　基本工況電流波形

由永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程[10]可知，采用id= 0控制時(shí)，轉(zhuǎn)矩與iq成正比，id、iq波形圖如圖8所示。同時(shí)由電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電流iq之間呈線性關(guān)系可知，當(dāng)電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)下，iq與電磁轉(zhuǎn)矩為正，轉(zhuǎn)速上升；當(dāng)電機(jī)處于制動(dòng)和反轉(zhuǎn)時(shí)，iq電流和轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨?fù)值，此時(shí)轉(zhuǎn)速也開始下降或反轉(zhuǎn)。

圖8　交直軸電流波形

3結(jié)束語

本文對(duì)永磁同步電機(jī)在d-q坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，采用基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制策略，采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)、控制電機(jī)直軸電流id=0的控制算法，構(gòu)建電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)。在Matlab/Simulink 仿真平臺(tái)下搭建電機(jī)控制系統(tǒng)仿真，并對(duì)電機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)行分析。通過仿真，對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同工況下的啟動(dòng)性能、調(diào)速性能、制動(dòng)性能以及四象限運(yùn)行進(jìn)行驗(yàn)證，得到仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果相符。

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中圖分類號(hào)：TH86;TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602002

修改稿收到日期：2015-04-27。

第一作者趙鋼(1962-)，男，1984年畢業(yè)于天津大學(xué)冶金分校自動(dòng)化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，教授；主要從事永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、電動(dòng)汽車電池管理等方向的研究。