張尚坤, 顏建虎, 楊 凱

(南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京 210094)

基于改進(jìn)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制的電動(dòng)汽車用內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)*

張尚坤, 顏建虎, 楊 凱

(南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院,江蘇 南京 210094)

環(huán)境污染及能源危機(jī)直接推動(dòng)了傳統(tǒng)燃油汽車向環(huán)保型電動(dòng)汽車的發(fā)展，作為電動(dòng)汽車關(guān)鍵部件之一的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，直接影響著電動(dòng)汽車未來的發(fā)展前景。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，針對內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)(IPMSM)仍采用較簡單的id=0控制方式不能滿足汽車大轉(zhuǎn)矩的要求；采用傳統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA)查表控制方式，由于存在大量離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度。針對以上問題，提出了等效綜合電流矢量控制的MTPA控制方法。首先建立了永磁同步電機(jī)(PMSM)的數(shù)學(xué)模型，分析了id=0和MTPA矢量控制方式的基本原理，給出了新型MTPA的控制方案。通過Simulink仿真及樣機(jī)試驗(yàn)，對比了兩種矢量控制方式，驗(yàn)證了等效綜合電流矢量控制的MTPA控制方式的可行性及優(yōu)越性。

電動(dòng)汽車；內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)；最大轉(zhuǎn)矩電流比；矢量控制

0 引 言

汽車是人們生活出行的重要交通工具，隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，汽車已逐步進(jìn)入尋常百姓家。但如今，由于不可再生能源正逐漸消耗殆盡，資源短缺及環(huán)境污染等一系列問題，傳統(tǒng)燃油汽車向新型無污染的環(huán)保電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)型已成必然趨勢[1-2]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件之一，是電動(dòng)汽車上將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動(dòng)力裝置，其直接關(guān)乎電動(dòng)汽車性能的好壞，所以研發(fā)適合電動(dòng)汽車行駛工況的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)已成為電動(dòng)汽車領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容[3-6]。

永磁同步電動(dòng)機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)具有體積小、效率高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于新能源電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[7-8]。為了滿足電動(dòng)汽車電機(jī)以較高轉(zhuǎn)速運(yùn)行的需要，PMSM在機(jī)械結(jié)構(gòu)上一般采用永磁體嵌入轉(zhuǎn)子磁鋼內(nèi)部的方式，其機(jī)械可靠性得到了明顯提高。針對這種適宜作為車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)(Interior PMSM,IPMSM)，由于其電磁特性的直、交軸電感分量不相等，電機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，從而保證了轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出及運(yùn)行效率[9]。目前由于車用電源容量及控制器物理特性的限制，最大轉(zhuǎn)矩電流比(Maximum Torque Per Ampere,MTPA)矢量控制策略得到了普遍應(yīng)用[10-11]。相對于id=0矢量控制策略，MTPA控制可以以較小的輸出電流輸出相同的轉(zhuǎn)矩，減小了PMSM的損耗，使得電機(jī)在同樣功率等級(jí)下獲得更高轉(zhuǎn)速。文獻(xiàn)[7]提出了迭代擬合的MTPA控制方式，通過迭代曲線的數(shù)學(xué)擬合實(shí)現(xiàn)電流分量的解耦控制，相對于查表法雖然節(jié)約了系統(tǒng)的存儲(chǔ)量、提高了系統(tǒng)的運(yùn)算速度，但運(yùn)算復(fù)雜程度依舊很高。文獻(xiàn)[12]實(shí)現(xiàn)了在線參數(shù)辨識(shí)的MTPA控制，提高了控制精度，但電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)效果不佳。文獻(xiàn)[13]將綜合電流矢量應(yīng)用于低壓IPMSM的MTPA控制，實(shí)現(xiàn)了電流的最優(yōu)計(jì)算，有效提高了電機(jī)的運(yùn)行效率。

本文以電動(dòng)汽車應(yīng)用的IPMSM為研究對象，將MTPA控制中的轉(zhuǎn)矩用綜合電流矢量等效代替，結(jié)合電動(dòng)汽車實(shí)際工況中的電流極限圓，根據(jù)dq軸目標(biāo)電流的方向進(jìn)行公式推導(dǎo)實(shí)現(xiàn)電流的解耦控制。通過Simulink軟件仿真，對比了id=0和新型MTPA矢量控制策略的仿真結(jié)果，憑借高性能DSP強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，最終驗(yàn)證了新型MTPA控制策略在電動(dòng)汽車用IPMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中具有更好的可應(yīng)用性。

1 PMSM的數(shù)學(xué)模型

PMSM的dq軸數(shù)學(xué)模型是分析PMSM穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能和瞬態(tài)性能的基礎(chǔ)?？紤]到PMSM系統(tǒng)多變量、非線性、強(qiáng)耦合等特性，為了建立正弦波PMSM的dq軸數(shù)學(xué)模型，首先假設(shè)：忽略電動(dòng)機(jī)鐵心飽和、渦流及磁滯損耗；電動(dòng)機(jī)的電流為對稱的三相正弦波電流[14]。PMSM的等效模型如圖1所示，圖中ψf為轉(zhuǎn)子永磁體的勵(lì)磁磁鏈，θ為d軸與電機(jī)A相磁鏈的夾角。

圖1 dq坐標(biāo)系下PMSM模型

按照電動(dòng)機(jī)慣例，規(guī)定：輸入電流為電流正方向，電壓正方向與電流正方向相同，反電動(dòng)勢正方向與電流正方向相反。根據(jù)坐標(biāo)變換理論，可得dq坐標(biāo)系下的定子電壓方程：

磁鏈方程：

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程：

式中:ud、uq,id、iq,ψd、ψq——定子dq軸的電壓、電流、磁鏈分量；

ωe、ωr——電機(jī)同步電角速度和機(jī)械角速度；

Rs——定子相電阻；

Ld、Lq——定子繞組的dq軸電感；

p——電機(jī)的極對數(shù)；

J——電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

TL——負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

K——阻尼系數(shù)。

2 PMSM矢量控制原理

2.1id=0控制

id=0控制時(shí)，顧名思義其定子電流只有交軸分量，所以式(3)可以簡化為

圖2 id=0控制系統(tǒng)簡圖

即可得id=0的控制系統(tǒng)圖，如圖2所示。圖2中ωr和θ為位置傳感器檢測出的電動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和空間位置角，ia和ib為電流傳感器檢測出的實(shí)際定子兩相電流值。實(shí)際速度信號(hào)與速度指令值的差值經(jīng)速度控制器和電流控制器后，即可得到電動(dòng)機(jī)dq軸的電壓指令值，再經(jīng)過矢量變換和SVPWM模塊控制開關(guān)管便可實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的控制。

2.2MTPA控制

MTPA控制是凸極式PMSM常用的電流控制策略，對dq軸電流分量進(jìn)行合理控制可以充分利用IPMSM的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)矩輸出，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

電動(dòng)汽車依靠可移動(dòng)電源遠(yuǎn)程運(yùn)行，其可提供電壓幅值是有限的。當(dāng)電動(dòng)汽車穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)電壓矢量可表示為

由于電動(dòng)機(jī)一般運(yùn)行于較高轉(zhuǎn)速，忽略電阻壓降且Ld≠Lq，聯(lián)立式(1)、式(2)、式(6)可得電壓橢圓方程為

所以對于給定轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，定子電壓極限軌跡即為電壓極限橢圓。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，電壓極限橢圓與轉(zhuǎn)速成反比例縮小，從而形成了一組橢圓曲線。同理可得電機(jī)的電流極限方程為

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，其電矢量既不能超出電動(dòng)機(jī)的電壓極限橢圓，也不能超出電流極限橢圓。

MTPA控制時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電流矢量應(yīng)滿足：

將式(3)、式(8)代入式(9)，可求得

將式(10)反代入式(3)，可求得交、直軸電流分量與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，進(jìn)而定子電流分量可表示為

對于任意給定轉(zhuǎn)矩，由式(11)即可求得最小電流的兩個(gè)分量作為電流控制指令值，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的MTPA控制。但式(11)為高階方程，工程實(shí)現(xiàn)比較困難。為簡化控制復(fù)雜度，由轉(zhuǎn)矩和電流的關(guān)系，可將對轉(zhuǎn)矩變量的控制等效為對綜合電流矢量is的控制。所以聯(lián)立式(8)和式(10)，即可得交、直軸電流分量與綜合電流矢量is的關(guān)系式:

由于受到電流極限圓的限制，電動(dòng)機(jī)MTPA軌跡與電流極限圓交于A點(diǎn)(見圖3)，穿過A點(diǎn)的電壓極限圓對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為ω1。圖3中OA段上，電動(dòng)機(jī)在軌跡各點(diǎn)作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，通過該點(diǎn)的電壓極限圓對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為該轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)折速度，而交點(diǎn)A對應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩最大時(shí)的轉(zhuǎn)折速度。由于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)電壓和電流均不能超過各自極限值，所以A點(diǎn)則對應(yīng)電動(dòng)機(jī)可以輸出的最大轉(zhuǎn)矩。此時(shí)電壓電流均為極限值，即電動(dòng)機(jī)的dq軸電流分量分別為式(12)、式(13)所示。故可得電動(dòng)機(jī)MTPA控制系統(tǒng)的簡圖，如圖4所示。

圖3 IPMSM定子電流矢量軌跡

圖4 MTPA控制系統(tǒng)簡圖

3 控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)分析

3.1控制系統(tǒng)仿真

綜合上述理論分析，利用Simulink工具進(jìn)行PMSM控制系統(tǒng)的建模，結(jié)合自帶電機(jī)模塊構(gòu)建整個(gè)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型。選用電動(dòng)汽車行駛中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)際需求轉(zhuǎn)速作為電機(jī)系統(tǒng)的控制目標(biāo)，即將轉(zhuǎn)速目標(biāo)值直接作為模塊輸入。為驗(yàn)證原理且考慮實(shí)際試驗(yàn)器材，本文選用低功率永磁電機(jī)進(jìn)行仿真，電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)參數(shù)

圖5～圖9分別是采用id=0控制和MTPA矢量控制時(shí)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流響應(yīng)曲線對比圖?？刂葡到y(tǒng)仿真時(shí)：t=0時(shí)刻，給定轉(zhuǎn)速指令為500 r/min；t=0.5 s時(shí)刻突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩為10 N·m，t=1 s時(shí)刻突加給定轉(zhuǎn)速指令750 r/min。

圖5 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖6 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

圖7 A相電流響應(yīng)曲線

圖8 d軸電流響應(yīng)曲線

圖9 q軸電流響應(yīng)曲線

由圖5～圖9可知，采用新型MTPA控制時(shí)的電機(jī)具有和id=0控制時(shí)相似的良好穩(wěn)態(tài)性能；在起動(dòng)和中程加速的過程中，采用MTPA控制時(shí)電動(dòng)機(jī)能輸出更高的轉(zhuǎn)矩，且A相電流ia小于id=0控制時(shí)的A相電流，也即是以更小的電流獲得更大的帶載轉(zhuǎn)矩。由圖5轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線可知：采用MTPA綜合電流矢量的轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度明顯加快，進(jìn)而使電機(jī)在電動(dòng)汽車起動(dòng)和中程加速的過程中快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段，且轉(zhuǎn)速超調(diào)及突加負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速落差都很小。綜合圖5～圖9各性能曲線對比得知，新型MTPA控制方式既簡化了控制的復(fù)雜度，在性能上也優(yōu)于id=0控制方案，所以其完全能滿足電動(dòng)汽車速度響應(yīng)快、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、電流小的工況需求。

3.2系統(tǒng)試驗(yàn)

為充分證明本文所提方法的可行性及優(yōu)越性，進(jìn)行了相關(guān)樣機(jī)試驗(yàn)。試驗(yàn)電機(jī)參數(shù)與仿真中電機(jī)參數(shù)相同，控制系統(tǒng)以TI公司的高速浮點(diǎn)型DSP TMS320F28335作為主控芯片。試驗(yàn)平臺(tái)如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)平臺(tái)

圖11～圖14分別是id=0和新型MTPA控制方式下突加負(fù)載和額定負(fù)載運(yùn)行下的A相電流響應(yīng)曲線。由電流響應(yīng)曲線對比可知：IPMSM從5 N·m穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)突然增加負(fù)載到10 N·m時(shí)，采用MTPA控制方式可以以較小的相電流超調(diào)快速進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段，且恒定負(fù)載運(yùn)行時(shí)相電流更小。所以綜合試驗(yàn)電流響應(yīng)曲線，采用新型MTPA控制方式可以小超調(diào)快速跟蹤系統(tǒng)指令，相對于id=0控制方式具有更強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性能。試驗(yàn)結(jié)果與前面仿真基本一致。

圖11 id=0控制下轉(zhuǎn)矩增加時(shí)A相電流波形

圖12 MTPA控制下轉(zhuǎn)矩增加時(shí)A相電流波形

圖13 id=0控制下負(fù)載轉(zhuǎn)矩10 N·m時(shí)A相電流波形

圖14 MTPA控制下負(fù)載轉(zhuǎn)矩10 N·m時(shí)A相電流波形

4 結(jié) 語

為了滿足電動(dòng)汽車高轉(zhuǎn)矩的要求，簡化現(xiàn)有MTPA控制方法的復(fù)雜度，本文提出并實(shí)現(xiàn)了綜合電流矢量等效替代轉(zhuǎn)矩控制的MTPA控制方案。通過系統(tǒng)仿真及樣機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果表明：采用該算法的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能，且在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、加速過程中及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段，比id=0控制方案擁有更高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、相對較小的相電流及更小的轉(zhuǎn)速超調(diào)，整個(gè)穩(wěn)態(tài)過程中響應(yīng)曲線非常平滑。綜上所述，本文提出的新型MTPA控制算法簡單，具有良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，可以滿足電動(dòng)汽車的工況要求、提升整車的運(yùn)行效率。

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InteriorPermanentMagnetSynchronousMotorControlSystemforElectricVehicleBasedonImprovedMaximumTorquePerAmpereMethod*

ZHANGShangkun,YANJianhu,YANGKai

(School of Automation, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Environmental pollution and energy crisis directly promoted the traditional fuel cars to the development of environment-friendly electric vehicles (EVs). As one of the key components of EVs, motor drive control system directly affected prospects of EVs in future. In the motor drive control system operation process, the interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) used a relatively simpleid=0 control mode could not meet the high torque requirements of automobile. Due to a large number of discrete data points, the look-up table control mode of traditional maximum torque per ampere (MTPA) would seriously affect the speed response of system. To solve above problems, an improved MTPA control method with equivalent integrated current vector control was presented. At first, the mathematical model of permanent magnet synchronous motor (PMSM) was established to analyze the basic principle ofid=0 and MTPA vector control mode to present a novel MTPA control method. To compare the two methods of vector controls, the feasibility and superiority of integrated equivalent current control of MTPA was verified by simulation and prototype experiment.

electricvehicle;interiorpermanentmagnetsynchronousmotor(IPMSM);maximumtorqueperampere(MTPA);vectorcontrol

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51407094)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20140785)

張尚坤(1992—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾滦陀来烹姍C(jī)控制技術(shù)。顏建虎(1983—)，男，講師，研究方向?yàn)樾滦陀来烹姍C(jī)的設(shè)計(jì)與控制技術(shù)。楊 凱(1992—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾滦陀来烹姍C(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)11- 0012- 06

2017 -03 -06