劉開文，錢 煒，孫福佳

(上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海200093)

輪轂電機中的速度控制技術(shù)研究

劉開文，錢 煒，孫福佳

(上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海200093)

介紹了輪轂電機的控制原理，正弦脈寬調(diào)制和空間矢量脈寬調(diào)制算法,并建立了基于這兩種算法的輪轂電機控制系統(tǒng)的Matlab仿真模型,且對模型運行結(jié)果進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明,在同樣條件下, 采用 SVPWM 算法仿真系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需時間小于采用SPWM 算法仿真系統(tǒng),SVPWM方案不僅提高了逆變器的直流電壓利用率，還減小了轉(zhuǎn)矩脈動。在輪轂電機控制系統(tǒng)中SVPWM是更理想的選擇。

正弦脈寬調(diào)制;空間矢量脈寬調(diào)制;輪轂電機

輪轂電機就是將動力、傳動和制動裝置都整合到輪轂內(nèi)部的電機，目前許多新能源汽車都在使用輪轂電機作為主要驅(qū)動。與傳統(tǒng)的電機驅(qū)動技術(shù)相比，輪轂電機技術(shù)具有很定的優(yōu)勢。首先，其結(jié)構(gòu)更為緊湊、布局靈活，無需復(fù)雜的機械傳動系統(tǒng)，大幅簡化了汽車由于輪轂電機可以減小驅(qū)動空間，內(nèi)部結(jié)構(gòu)同時增加了車內(nèi)空間；其次，輪轂電機具有單車輪獨立驅(qū)動的特性，因為，容易實現(xiàn)前驅(qū)、后驅(qū)甚至全四驅(qū)驅(qū)動形式。所以，新能源汽車大多采用輪轂電機作為主要驅(qū)動力[1]。

1 輪轂電機控制方式簡介

目前輪轂電機的主要調(diào)速方式是變頻調(diào)速，即通過三相逆變器調(diào)節(jié)電樞繞組兩端電壓的方式，來達(dá)到來達(dá)到控制和調(diào)節(jié)輪轂電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的目的。三相逆變器供電輪轂電機連接原理圖[2]如圖1所示，S11S21S31S12S22S32為6個IGBT組成的逆變橋，它們分別被a,b,c和a′,b′,c′這 6個脈沖所控制。當(dāng)逆變橋上半部分的 IGBT開通時 , 其下半部分相對應(yīng)的 IGBT應(yīng)被關(guān)閉,即a,b或c為 1時 ,則a′,b′和c′為 0。U,V和W分別為輪轂電機的定子三相繞組 。在 6個 PWM脈沖的控制下, IGBT逆變橋?qū)⒅绷麟妷狠斎肽孀優(yōu)槿嘟涣餍盘? 驅(qū)動 PMSM進(jìn)行運轉(zhuǎn)。

圖1 三相逆變器

變頻調(diào)速系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)是脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)，常用的PWM 技術(shù)主要有基于正弦波對三角波脈寬調(diào)制的 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation) 技術(shù)和基于電壓空間矢量(Space Vector)的 SVPWM技術(shù)等。

2.1 正弦脈寬調(diào)制

SPWM以正弦電壓作為逆變器的期望輸出波形，以比正弦波頻率高的多的等腰三角形作為載波(Carrier Wave)，并用頻率和期望輸出頻率相同的正弦波作為調(diào)制波[3](Modulation Wave)。調(diào)制波與載波相交時會產(chǎn)生一系列的交匯點，由這些交匯點確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻，即正弦調(diào)制波VT大于三角載波Va時，上橋臂的開關(guān)管導(dǎo)通，下管關(guān)斷，具體通斷條件如下：

當(dāng)VT>Va時，S11導(dǎo)通，S12關(guān)斷；

當(dāng)VT

當(dāng)VT>Vb時，S21導(dǎo)通，S22關(guān)斷；

當(dāng)VT

當(dāng)VT>Vc時，S31導(dǎo)通，S31關(guān)斷；

當(dāng)VT

由此可以獲得在正弦調(diào)制波半個周期內(nèi)呈現(xiàn)兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波，進(jìn)而控制輸出電壓控制電機的轉(zhuǎn)速[4]。

2.2 空間矢量脈寬調(diào)制

空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse-Width Modulation，SVPWM)具有輸出波形好，電壓利用率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于逆變器控制器和三相電力系統(tǒng)等領(lǐng)域中[5]。

當(dāng)定子三相電壓為對稱的正弦電壓時，則定子電壓空間矢量方程

(1)

方程定義的是一個幅值與相電壓相等的空間矢量，矢量端點的運動軌跡是一個圓，運動角度為相電壓的電角頻率。

逆變器在六拍運行時，每個60°切換一次，一周內(nèi)有8種開關(guān)狀態(tài)每一種開關(guān)狀態(tài)輸出合成電壓空間矢量分別記為V0～V7,與之相對應(yīng)的電壓空間矢量如圖2所示。

圖2 電壓空間矢量

3 輪轂電機仿真及結(jié)果

基于Matlab軟件對控制系統(tǒng)分別使用 SVPWM 、SPWM 方法建立的輪轂電機控制系統(tǒng)仿真模[6-7]。SVPWM 、SPWM 脈沖均采用單極性方式 , 兩系統(tǒng)在速度 (400 rad/s)、負(fù)載(10 N·m)、載波頻率(10 kHz)、和 PI 調(diào)節(jié)參數(shù)均相同的條件下進(jìn)行仿真[8-12]，電機仿真參數(shù)選取為:電磁轉(zhuǎn)矩Te=0.8 N·m;額定電壓Udc=300 V;電機最高轉(zhuǎn)速ωm=3 000 r/m。

3.1 正弦脈寬調(diào)制技術(shù)(SPWM)仿真結(jié)果

圖3 電磁轉(zhuǎn)矩隨時間的變化

圖4 速度響應(yīng)

圖5 定子相電流

3.2 SVPWM空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)仿真結(jié)果

圖6 電磁轉(zhuǎn)矩隨時間的變化

圖7 速度響應(yīng)

圖8 定子相電流

3.3 仿真結(jié)果分析

(1)從圖3和圖6可看出，采用 SPWM 算法時電機啟動轉(zhuǎn)矩稍大，但轉(zhuǎn)矩脈動小于采用 SPWM 算法；(2)由圖4和圖7可知，基于SVPWM算法的系統(tǒng)速度響應(yīng)時間要比基于SPWM算法的系統(tǒng)響應(yīng)時間短；(4)由圖5和圖8得知，采用SVPWM算法控制輪轂電機定子繞組電流總諧波失真，遠(yuǎn)小于采用SPWM建立的模型[13-14]。

4 結(jié)束語

本文介紹了 SPWM和 SVPWM算法 , 及以 輪轂電機為對象建立的仿真模型, 并對兩種模型運行結(jié)果進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明：采用 SVPWM算法建立的輪轂電機控制系統(tǒng)定子電流總諧波失真遠(yuǎn)小于采用

SPWM建立的模型。且 SPWM易于采用模擬硬件電路實現(xiàn),而 SVPWM更適合于數(shù)字化控制系統(tǒng)，以微控制器為核心的數(shù)字化控制系統(tǒng)是今后發(fā)展的趨勢，所以在輪轂電機數(shù)字控制系統(tǒng)中 SVPWM應(yīng)是優(yōu)先的選擇。

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Research on Hub Motor Speed Control

LIU Kaiwen，QIAN Wei，SUN Fujia

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The basic idea, implementation principle as well as modulation function of the space vector pwm (SVPWM) and SPWM are presented. Simulation results show that under the same conditions, the time it takes for the system to reach the stable state by the SVPWM algorithm is less than that by the SPWM. The SVPWM algorithm improves the utilization rate of dc voltage of inverter and reduces the torque ripple, thus a better candidate for the wheel hub motor control system.

spwm; svpwm; hub motor

2016- 04- 01

劉開文(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：機器人控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.016

TN787

A

1007-7820(2017)02-062-03