童大權(quán)

摘 要：文章以混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)控制器為研究對(duì)象，采用硬件在環(huán)原理，借助Simulink仿真軟件，設(shè)計(jì)了一種在dq坐標(biāo)系下簡(jiǎn)化模型，設(shè)計(jì)了包含RT-LAB目標(biāo)機(jī)和DSP電機(jī)控制器兩部分的硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，通過電機(jī)定子電流數(shù)值仿真結(jié)果，可以得出硬件在環(huán)仿真模型的可行性和準(zhǔn)確性，降低了產(chǎn)品開發(fā)的成本和周期，具有很好的理論和實(shí)踐價(jià)值。

關(guān)鍵詞：HEV;電機(jī)控制器;HIL

中圖分類號(hào)：U462.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）17-69-04

Study of Hardware-in-the-loop Simulation on Hybrid Electric Vehicle Drive

Motor Controller*

Tong Daquan

（ School of Vehicle Engineering， Hunan Automotive Engineering Vocational College， Hunan Zhuzhou 412001 ）

Abstract： The Article permanent magnet synchronous motor controller for hybrid electric vehicle is taken as the research object， and the hardware is adopted. Based on the principle of loop， a simplified model in dq coordinate system is designed with the help of Simulink simulation software. A hardware-in-the-loop simulation platform including RT-LAB target machine and DSP motor controller is designed. The feasibility and accuracy of hardware-in-the-loop simulation model reduces the cost and cycle of product development， and has good theoretical and practical value.

Keywords： HEV; Motor controller; HIL

CLC NO.： U462.1? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）17-69-04

1 引言

環(huán)境問題一直是困擾全球的實(shí)質(zhì)性問題，另一方面全球石油資源在未來(lái)的可持續(xù)性可能性越來(lái)越低，因此針對(duì)新能源汽車的發(fā)展戰(zhàn)略勢(shì)在必行?；旌蟿?dòng)力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）的產(chǎn)業(yè)化時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，為了提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大市場(chǎng)規(guī)模，相關(guān)的混合動(dòng)力系統(tǒng)研究日益緊迫，包括總成開發(fā)、協(xié)調(diào)控制、能量管理等關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)進(jìn)一步的融合等，都是為了進(jìn)一步提高性價(jià)比，破解混合動(dòng)力汽車目前存在的難題，提高混合動(dòng)力汽車整個(gè)體系的保障等機(jī)制。硬件在環(huán)仿真（harware-in-the-loop simulation，HIL），為了在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行仿真測(cè)試，減輕前期研發(fā)成本，采用實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，將真實(shí)的控制器與仿真系統(tǒng)結(jié)合成一體，從而達(dá)到閉環(huán)控制的目的，從而避免了對(duì)電機(jī)、變流器以及傳感器的使用。本文以硬件在環(huán)仿真平臺(tái)為基礎(chǔ)，以混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器為應(yīng)用對(duì)象，通過對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的硬件在環(huán)仿真進(jìn)行研究，相關(guān)成果可以為未來(lái)混合動(dòng)力汽車乃至其他新能源車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究提供新的借鑒，并可以進(jìn)一步引申作為相關(guān)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)方法進(jìn)行推廣使用。

2 混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機(jī)是混合動(dòng)力汽車主要采用的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，為了保證對(duì)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的研究的準(zhǔn)確性，要保證其特性的準(zhǔn)確反映，這就要對(duì)該模型進(jìn)一步研究、細(xì)化[1]。

2.1 相坐標(biāo)下永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

（1）電壓方程

（1）

式中：μa、μb、μc為三相繞組的相電壓（V），ia、ib、ic為三相繞組的相電流（A），Rs為每相繞組的電阻（Ω），ψa、ψb、ψc為三相繞組的磁鏈（Vs），p為微分算子。

（2）磁鏈方程[2]

（2）

式中：Laa、Lbb、Lcc為每相繞組的自感（H），Mab、Mac、Mca、Mcb分別為兩相繞組之間的互感（H），ψfa、ψfb、ψfc為與三相繞組交鏈的永磁體磁鏈（Vs）。

2.2 dq坐標(biāo)下永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

（1）定子電壓和磁鏈方程[3]

定子電流空間矢量如式3所示。

（3）

其中， 。在 ABC 坐標(biāo)系中，同理定義定子電壓空間矢量如式4所示。

（4）

其中， ，Ls為等效同步電感，θr為ψf為相位角， Rs為定子相電阻。

dq軸坐標(biāo)電壓方程如式5和式6所示。

（5）

（6）

式中：ψd，ψq分別為定子磁鏈的d軸和q軸分量;ωr=npωm為轉(zhuǎn)子的電角度;np為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù);ωm為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度;ud，uq為定子電壓矢量 的直軸d和交軸q的分量;Rs為定子繞組的電阻;id，iq分別是定子電流的d軸和q軸分量;p為微分算子， 。磁鏈方程如式7和式8所示。

（7）

（8）

式中： ; 。Lsσ為dq繞組漏感，Ld、Lmd、Lq、Lmq分別為dq軸系的定子繞組的自感、勵(lì)磁電感。

（2）轉(zhuǎn)矩方程

電磁轉(zhuǎn)矩的矢量表達(dá)式為：

（9）

若?? 用以dq軸表示，則有?? 得：

（10）

將磁鏈方程 代入電磁轉(zhuǎn)矩方程有：

（11）

其中， 為定子磁阻相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度，即 是 相對(duì)于 的初始角， 為轉(zhuǎn)矩角的變化量， Ld=Lq=Ls，磁阻轉(zhuǎn)矩分量為 0，對(duì)公式11兩邊求導(dǎo)，得電機(jī)轉(zhuǎn)矩在t=0時(shí)刻的增長(zhǎng)率為：

（12）

當(dāng)保持 恒定時(shí)，公式12表明轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)矩角的增加而增加。

根據(jù)上文敘述研究分析，可以確定的是，在對(duì)轉(zhuǎn)矩角進(jìn)行操作的時(shí)候，定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度和方向也可以同步進(jìn)行操作。

3 混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器硬件在環(huán)仿真

目標(biāo)機(jī)是對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真的核心部分有永磁同步電機(jī)和逆變器兩部分，通過RT-LAB運(yùn)行仿真模型，而其控制過程則通過控制器實(shí)現(xiàn)，控制器采用的是DSP控制器，可以針對(duì)目標(biāo)機(jī)中的電流與位置信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，然后控制仿真模型，完成整個(gè)系統(tǒng)的控制過程，控制器的核心部件使用的是TI公司的TMS32F2812芯片[4]～[6]。

3.1 仿真模型的建立

選擇Matlab/Simulink為離線仿真工具，首先進(jìn)行仿真模型的構(gòu)建工作。在模型的選擇上，電機(jī)選擇了JMAG-RT電機(jī)模型，逆變器選擇了RT-EVENT的帶時(shí)間戳的三相橋，電機(jī)的控制策略為矢量控制方法具體如圖1所示[7]。

如圖2所示，準(zhǔn)備進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試工作，按照相關(guān)的規(guī)則完成操作。

RT-LAB主控界面及操作步驟：

（1）選擇模型（Open Model）：選擇相關(guān)模型，準(zhǔn)備下一步操作;

（2）編輯（Edit）：按規(guī)則進(jìn)行相關(guān)修改;

（3）模型編譯（Compile）：目的是形成目標(biāo)文件，通過對(duì)模型進(jìn)行編譯操作，最后獲取文件;

（4）節(jié)點(diǎn)分配（Assign Nodes）：目的是實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)的同步運(yùn)行仿真，所以對(duì)具體的實(shí)時(shí)模型進(jìn)行分配的過程;

（5）模型下載（Load）：下載文件到目標(biāo)機(jī)中，進(jìn)行下一步的準(zhǔn)備工作;

（6）模型運(yùn)行（Execute）：進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，可以同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控和修改模型的參數(shù)值;

（7）重置（Reset）：模型自動(dòng)重置，重新傳遞數(shù)據(jù)。

3.2 仿真結(jié)果的分析

仿真的參數(shù)是：控制器的開關(guān)頻率為10kHz，死區(qū)時(shí)間為3.2μs，電機(jī)控制的算法為id=0矢量控制方法。模型的參數(shù)：直流母線電壓為538V，永磁同步電機(jī)參數(shù)為根據(jù)樣機(jī)建立的有限元分析JMAG-RT模型[8]。實(shí)時(shí)仿真模型運(yùn)行的步長(zhǎng)為20μs。

運(yùn)行狀態(tài)1：電機(jī)初始運(yùn)行轉(zhuǎn)速為300r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為3 Nm，在0.15s加速到500r/min，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩如圖3所示，永磁同步電機(jī)定子三相電流如圖4所示。

運(yùn)行狀態(tài)2：電機(jī)初始運(yùn)行轉(zhuǎn)速為300r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為3 Nm，在0.15s加速到400r/min，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩如圖5所示，永磁同步電機(jī)定子三相電流如圖6所示。

永磁電機(jī)的齒諧波次數(shù)v：

（13）

式中Z為定子槽數(shù)，k=1，2，3…，p為極對(duì)數(shù)。

根據(jù)13式，進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)k=1，Z=24，p=2時(shí)，可以算得v的值為12±1次，據(jù)此進(jìn)行下面的運(yùn)算。對(duì)定子三相穩(wěn)態(tài)電流進(jìn)行相關(guān)研究分析，如表1所示。

4 結(jié)論

根據(jù)主次區(qū)分，選擇合適的理想模型，就電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推導(dǎo)，通過對(duì)永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立，保證了對(duì)整個(gè)仿真系統(tǒng)研究的準(zhǔn)確性;

硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的搭建。平臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)建了對(duì)應(yīng)的仿真模型，對(duì)模型進(jìn)行了相應(yīng)的研究和搭建過程，通過搭建的控制器模型來(lái)對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行控制，完成了整個(gè)平臺(tái)的搭建過程;

通過硬件在環(huán)仿真平臺(tái)最后展現(xiàn)的結(jié)果，對(duì)定子三相穩(wěn)態(tài)電流進(jìn)行了具體分析，得到了相關(guān)準(zhǔn)確數(shù)值，可以確定在精度方面，硬件在環(huán)仿真已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)需求，效果較好。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳志新，曲白雪，張榮輝等.DCT電控系統(tǒng)硬件在環(huán)自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)研究與應(yīng)用[J].汽車技術(shù)，2017（07）.

[2] 成銘.永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件在環(huán)半實(shí)物仿真平臺(tái)研究[D].北京交通大學(xué)，2016.

[3] 林潛.永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件在環(huán)半實(shí)物仿真平臺(tái)研究[D].北京交通大學(xué)，2014.

[4] 李磊.混合動(dòng)力車用永磁同步電機(jī)控制策略研究及RCP在環(huán)仿真[D].湖南大學(xué)，2012.

[5] 朱魯佳.電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高性能控制[J].電機(jī)與控制運(yùn)用，2015，42（2）：56-59.

[6] Wang Z F， Yang J Z， Cao C， Gu Z L. Phase-phase short fault analysis of permanent magnet synchronous motor in electric vehicles. Energy Procedia， 2016（88）： 915-920.

[7] C. C. Chan， J. Z. Jiang. Novel wide range speed control of permanent magnet brushless motor drive. IEEE Trans. on Power Electronics. 2015，Vol 10（5）：539-546.

[8] Harnefors L.， Nee H. P. Model-based current control of AC machines using the internal model control method. IEEE Trans. on Industry Applications. 2016，Vol 34（l）：133-141.