孫登輝

江蘇大學(xué) 江蘇鎮(zhèn)江 212013

電動(dòng)汽車(chē)永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器仿真設(shè)計(jì)

孫登輝

江蘇大學(xué) 江蘇鎮(zhèn)江 212013

本文基于Matlab設(shè)計(jì)了永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制器。以轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制為控制策略，利用Simulink構(gòu)建系統(tǒng)控制仿真模型，設(shè)計(jì)過(guò)程中提出了通過(guò)調(diào)節(jié)滯環(huán)寬度減少轉(zhuǎn)速波動(dòng)、利用查表法實(shí)現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)求取的想法。調(diào)試確定轉(zhuǎn)速、電流控制器參數(shù)，結(jié)合汽車(chē)運(yùn)行工況，測(cè)試了控制器在不同速度與負(fù)載下的性能。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)在精度、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差等方面符合設(shè)計(jì)要求。

永磁無(wú)刷直流電機(jī)；PID控制；Matlab仿真

一、引言

電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有永磁無(wú)刷電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、有刷直流電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。其中永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)因其卓越的性能和優(yōu)勢(shì)倍受關(guān)注，尤其是伴隨著永磁材料、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)、大功率半導(dǎo)體和電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，永磁無(wú)刷直流電機(jī)也得到迅速發(fā)展。對(duì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)的控制至關(guān)重要，利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字仿真，可以大大加快其開(kāi)發(fā)速度。

二、永磁無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）數(shù)學(xué)模型

（一）永磁無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理。永磁無(wú)刷直流電機(jī)主要由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和逆變器構(gòu)成。直流電源通過(guò)電子開(kāi)關(guān)向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，位置傳感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置并發(fā)出電信號(hào)控制逆變器的導(dǎo)通或關(guān)斷，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本物理量有反電動(dòng)勢(shì)、電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等。

（二）永磁無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。為了簡(jiǎn)化分析，采用電機(jī)本身的相變量法建立數(shù)學(xué)模型，采用分段線(xiàn)性表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并做如下假設(shè)：a）三相定子Y形連接，完全對(duì)稱(chēng)；b）忽略齒槽效應(yīng)，不考慮磁路飽和；c）忽略磁滯、渦流、溫度等影響。

1、電壓平衡方程

式1.1為定子電壓平衡方程，其中，ua、ub、uc為三相定子電壓；ea、eb、ec為三相定子的反電動(dòng)勢(shì)；ia、ib、ic為三相定子相電流；L為三相定子自感；M為三相定子繞組之間的互感；R為三相定子繞組

電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)方程為：

3、永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的Matlab模型

電機(jī)控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速，轉(zhuǎn)速環(huán)由PID調(diào)節(jié)器構(gòu)成，電流環(huán)由電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器構(gòu)成。

（三）電機(jī)本體及反電動(dòng)勢(shì)

電機(jī)本體模塊根據(jù)輸入的位置信號(hào)Pos__D_Dd__ea、eb、ec，再由式1.1獲得三相電流信號(hào)ia、ib、ic利用Lookup Table模塊實(shí)現(xiàn)反

表2　.1 位置信號(hào)與單位反電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系

（四）電流滯環(huán)控制與速度調(diào)節(jié)模塊

電流滯環(huán)模塊采用滯環(huán)控制原理來(lái)實(shí)現(xiàn)電流的調(diào)節(jié)，此模塊輸入為三相參考電流和三相實(shí)際電流，輸出為逆變器的控制信號(hào)。速度調(diào)節(jié)采用PID算法，輸入?yún)⒖嫁D(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差，輸出三相參考電流幅值 。

（五）參考電流及電壓逆變器模塊

表2　.2 轉(zhuǎn)子位置與三相參考電流對(duì)應(yīng)關(guān)系

（六）轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速

根據(jù)式1.2和式1.3，建立轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊。

三、控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

（一）參數(shù)設(shè)定

電機(jī)各部分參數(shù)設(shè)置如下：定子繞組每相電阻；定子相繞組

圖3　-1 參考轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線(xiàn)

四、結(jié)論

本文采用了經(jīng)典的速度、電流雙閉環(huán)控制策略，用常見(jiàn)的PID速度控制和電流滯環(huán)控制仿真設(shè)計(jì)了無(wú)刷電機(jī)控制器。仿真結(jié)果表明：各參考量波形符合理論分析，系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運(yùn)行，具有較好的靜、動(dòng)態(tài)特性，所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的精度、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)特性及跟蹤性能良好。在對(duì)三相梯形反電動(dòng)勢(shì)、三相參考電流逆變器等進(jìn)行建模的過(guò)程中，本文采用的查表法和S函數(shù)充分發(fā)揮了Matlab的靈活性，對(duì)電機(jī)控制器的開(kāi)發(fā)調(diào)試有借鑒意義。但對(duì)于較大的力矩負(fù)荷該系統(tǒng)響應(yīng)效果不佳，需要進(jìn)一步的研究分析或?qū)で笮碌目刂撇呗浴?/p>