柏躍程　王政

【摘 要】本文提出了一個集中繞組式IPMSM的設(shè)計。該設(shè)計基于凸極特性的無傳感器控制，采用高頻信號注入法。充分考慮到交叉耦合磁飽和和空間諧波，利用有限元理論檢測無傳感器驅(qū)動的可行域?？煽啃酝ㄟ^使用兩個原型來予以驗證。然后，驗證IPM電機結(jié)構(gòu)對可行域的影響。最后，建立設(shè)計指導(dǎo)以獲得合適的電機結(jié)構(gòu)。所提出的設(shè)計的有效性通過基于MATLAB/SIMULINK 的動態(tài)仿真器進行驗證。

【關(guān)鍵詞】混合動力車用電機；有限元；MATLAB仿真；無傳感器安全運行范圍

Design of Saliency-Based Sensorless Drive IPM Motors for Hybrid Electric Vehicles

BAI Yue-cheng WANG Zheng

（School of Electrical and Information Engineering of Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China）

【Abstract】This paper presents the design of concentrated winding IPMSM under the saliency-based sensorless drive using a high-frequency signal injection. The finite element （FE） analysis is used to examine the feasible region of the sensorless drive. The reliability of the feasible region is verified by experiment using two prototypes. Then， the influence of the IPM motor geometry on the feasible region is examined. Consequently， the design guideline is established to obtain a suitable motor geometry which can maximize the torque capability and stability of the sensorless drive.

【Key words】HEV motor； The finite element （FE） analysis； MATLAB simulation； SSOR

0 引言

混合動力汽車中大多應(yīng)用內(nèi)嵌式永磁同步電機（IPMSM）作為重要的牽引電機，這是由于它的優(yōu)越的功率密度和高效率。在IPMSM的轉(zhuǎn)矩控制中少不了位置傳感器的影子。IPMSM的多種無傳感器驅(qū)動的原理已經(jīng)被開發(fā)出來。常用的電機驅(qū)動位置估計算法有兩種。一是在中高速應(yīng)用的反電動勢估計算法，二是應(yīng)用在低速及零速的基于轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)的方式。然而，第二種方式在重載下并不能較好的運行，這是由于轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)受到磁飽和的影響而減弱了。

本文提出一個混合動力汽車牽引電機的無傳感器控制的集中繞組IPMSM的設(shè)計。在無傳感器控制設(shè)計中，主要是如何擴大運行的范圍。我們引入無傳感器安全運行范圍（SSOR），這是為了解釋交叉耦合磁飽和電感分布的諧波。

1 在低速時無傳感器控制技術(shù)

1.1 IPMSM的數(shù)學(xué)模型

α-β坐標系表示靜止坐標系，d-q坐標系代表旋轉(zhuǎn)坐標系。旋轉(zhuǎn)速度和d-q坐標系角度轉(zhuǎn)子的速度和轉(zhuǎn)子位置是分別是ω和θ。因為在無傳感器運行的情況下，實際的轉(zhuǎn)子位置是不可知的，估計的γ-δ坐標系，以ωe和θe旋轉(zhuǎn)，進行了虛擬定義。轉(zhuǎn)子速度和位置的實際值和估計值的差別分別定義為？駐ω=ωe-ω和？駐θ=θe-θ。

磁場定向控制器和解耦合控制器在γ-δ坐標系中應(yīng)用，通過使用在無傳感器控制系統(tǒng)中得到的估計值ωe和θe。

這里vd，vq是d-q坐標軸上的外加電壓，id，iq是d-q軸電流，R是電樞繞組電阻，Ld，Lq是d-q軸上的電感，KE是反電動勢常數(shù)，p是d/dt 的代替。

假想，一個超過基頻足夠高的頻率作為測試信號同電壓一同注入，觀測高頻成分。這里vdh，vqh和idh，iqh分別是d-q坐標系中電壓和電流的高頻成分，Ldh，Lqh分別是d軸和q軸上增加的自感。

1.2 傳統(tǒng)的無傳感器控制技術(shù)

這一部分總結(jié)用以檢測IPMSM轉(zhuǎn)子位置的脈振電壓矢量技術(shù)。它依賴于轉(zhuǎn)子空間凸極特性的檢測，同時利用疊加在基頻電壓上的高頻電壓分量（振幅Vh和頻率ωh）。

如果脈振電壓信號入到確定的d軸，q軸就會因為注入的電壓沒有發(fā)生而產(chǎn)生電流紋波。

可見，轉(zhuǎn)子位置誤差被放在估計q軸電流響應(yīng)中。為了把位置誤差從估計的q軸電流響應(yīng)中提取出來，采用簡單外差解調(diào)，位置誤差能從q軸響應(yīng)電流中提取出來?？梢灾赋龅氖牵`差信號與轉(zhuǎn)子位置誤差？駐θ的兩倍的正弦函數(shù)成比例，所以轉(zhuǎn)子位置估計是可行的。

1.3 交叉耦合效應(yīng)

交叉飽和效應(yīng)由于引入了依賴負載的位置誤差對無傳感器運行有著不好的影響的事實已經(jīng)被廣為報道。

這里，Ldqh是交叉耦合的動態(tài)電感，θm是由交叉飽和效應(yīng)引起的交叉飽和角。在無傳感器運行狀態(tài)下，誤差信號εf的大小被控制為0；因此，由交叉飽和效應(yīng)引入的位置估計誤差可以通過？駐θ=-θm/2獲得。

為了評估在傳統(tǒng)無傳感器驅(qū)動下的位置估計誤差的性能，MATLAB/SIMULINK開發(fā)了一個動態(tài)仿真器。仿真中，為了實現(xiàn)精確地預(yù)估，交叉飽和和電感分布諧波被考慮在內(nèi)。

從中可以看出，？駐θ的平均值和位置相關(guān)變動隨著負載轉(zhuǎn)矩τ的增加而增加，并且穩(wěn)定的無傳感器驅(qū)動不能獲得超過190%的額定負載轉(zhuǎn)矩。因此，需要補償由交叉耦合磁飽和帶來的轉(zhuǎn)子位置估計誤差。

1.4 補償由交叉飽和效應(yīng)帶來的轉(zhuǎn)子位置估計誤差

電感Ldh、Lqh和Ldqh的值隨著電機工作點的改變而變化，因此誤差信號的大小依賴于負載轉(zhuǎn)矩。結(jié)果，誤差信號εf的幅值被控制為εf（？駐θ=0°），并且轉(zhuǎn)子位置誤差將會為0，在Ldqh≠0的情況下。

在測量中，注入電壓的振幅和它的頻率分別是80V和5kHz。

為了實現(xiàn)穩(wěn)定的無傳感器控制，控制器采用基于誤差信號幅值里的誤差上的估計的轉(zhuǎn)子位置修正。在大多數(shù)IPMSM中，因為凸極特性的存在，誤差信號εf/？駐θ的傾斜特性將會與位置估計誤差在-20°-20°范圍內(nèi)成反比。

這里，Kθ是一個修正因子，εf 是儲存在查找表參考值，這是預(yù)先由在最大轉(zhuǎn)矩電流比運行軌跡下實驗測量得到的。在目標混合動力汽車中，控制器只有一個電流反饋環(huán)。在低速時，IPMSM沿著最大轉(zhuǎn)矩電流比的跡線運行。

2 IPMSM的無傳感器系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計流程

基于以上提到的交叉飽和與空間諧波的影響，下面的點必須在設(shè)計中考慮到，以增加最大轉(zhuǎn)矩額無傳感器驅(qū)動的穩(wěn)定性。

（1）在最大轉(zhuǎn)矩條件下的？駐εf的值應(yīng)當(dāng)盡可能的大。

（2）為減小穩(wěn)態(tài)位置誤差，誤差信號的εf幅值的波動應(yīng)當(dāng)被減小的值應(yīng)當(dāng)盡可能的小。

設(shè)計流程如下：

轉(zhuǎn)子齒寬βR應(yīng)當(dāng)通過考慮到使用嵌入式永磁同步電機轉(zhuǎn)子的lm=6mm的固定值。嵌入式磁鐵的深度必須根據(jù)與固定轉(zhuǎn)子齒距βR來設(shè)計。定子軛寬與齒寬的比值應(yīng)當(dāng)被設(shè)計以減小電感變量。在下面的設(shè)計研究中，使用了有限元封裝。

2.2 轉(zhuǎn)子齒距

定子齒寬Ts為18mm，定子扼寬為12.97mm，在所有模型里都是同樣的。βR從3° 增加到 13°。在下面的設(shè)計中，βR-opt=5°作為最優(yōu)解使用。

2.3 嵌入式永磁的深度

永磁的尺寸（lm=6mm，wm=33mm）、轉(zhuǎn)子齒開度（βR=5°，wrt=8.1mm）在所有模型中都是一樣的。深度d從2.6mm變化到5.8mm。

和內(nèi)置永磁轉(zhuǎn)子相比，內(nèi)嵌永磁同步電機轉(zhuǎn)子的估計指數(shù)較小。然而，弧形磁鐵花費太大，制造困難。所以，本設(shè)計中使用帶有平面磁鐵的內(nèi)嵌式永磁同步電機轉(zhuǎn)子。內(nèi)嵌式磁鐵深度d的增加在？駐εf不符合要求，有兩個原因：

（1）Ldh隨著d的增加而增加

（2）因為q軸明顯的電感隨著d的增加而增加，Lqh隨著d的增加而減小，這是由于q軸磁飽和。

最終，深度d應(yīng)當(dāng)盡可能的小，以增大SSOR。

2.4 定子扼寬與齒寬的比值

永磁的尺寸（lm=6mm，wm=33mm）深度d（=2.6mm），轉(zhuǎn)子齒開度（βR=5°，wrt=8.1mm）在所有的模型中是一樣的。比值η在固定定子槽區(qū)域Sslot內(nèi)從0.4變化到0.72。？駐S在？駐εf>0時取到最小值的最優(yōu)比值η=0.5。在η=0.5的前提下，定子中的磁通密度相比于其他三種電機類型較低。

3 設(shè)計結(jié)果

3.1 轉(zhuǎn)矩特性

設(shè)計的電機實現(xiàn)了最大的轉(zhuǎn)矩期望在目標混合動力車應(yīng)用。

3.2 無傳感器控制可運行區(qū)域

在文獻[5]中，Ldif>0是由無傳感器位置監(jiān)測的可運行區(qū)域定義的?；诖耍O(shè)計電機最大的轉(zhuǎn)矩在80Nm左右。然而，基于式15的最大的轉(zhuǎn)矩容量超過100Nm。20Nm的轉(zhuǎn)矩差別是由于考慮到控制器的動態(tài)特性，包括估計轉(zhuǎn)子位置的修正所造成的。因此，設(shè)計的電機實現(xiàn)了必要的最大轉(zhuǎn)矩的要求。

3.3 位置無傳感器起動特性

為了評估無傳感器驅(qū)動的性能，我們在MATLAB/SIMULINK平臺上開發(fā)了一個動態(tài)仿真器。在仿真中，考慮交叉飽和與電感分布諧波以實現(xiàn)精確地預(yù)計。通過比較測量結(jié)果和計算結(jié)果來驗證動態(tài)仿真器的精確度。

在100r/min時負載情況下，測試信號是在200ms內(nèi)參考轉(zhuǎn)矩從0增加到100NM。這些負載變化在目標應(yīng)用中是標準的要求。位置估計誤差？駐θ在一個負載變化后增加，收斂于一個穩(wěn)態(tài)水平（穩(wěn)態(tài)位置誤差在±15°范圍內(nèi)）。設(shè)計的電機能達到期望的表現(xiàn)性能。

4 結(jié)論

我們提出了一個應(yīng)用于混合動力車應(yīng)用的基于凸極特性的內(nèi)嵌式永磁同步電機的無傳感器驅(qū)動的設(shè)計。利用仿真以研究電機結(jié)構(gòu)如何影響SSOR。結(jié)論是，推導(dǎo)出了集中繞組式內(nèi)嵌式永磁同步電機的無傳感器控制的指導(dǎo)方針。100NM、10kW、12極、18槽的IPM電機正好滿足了目標混合動力車應(yīng)用設(shè)計需求。所提出的設(shè)計的有效應(yīng)通過基于MATLAB/SIMULINK的動態(tài)仿真器驗證。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]