秦國棟 幸 濤 劉 淳

（1.嘉興職業(yè)技術學院智能制造學院 浙江嘉興 314036；2.空軍裝備部駐鄭州地區(qū)軍代室 河南鄭州 451150；3.嘉欣西電產(chǎn)業(yè)園有限公司 浙江嘉興 314036）

一、引言

傳統(tǒng)的燃油汽車是采用發(fā)動機作為動力源泉，驅(qū)動車載空調(diào)壓縮機進行轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)車載空調(diào)的制冷功能。近年來，隨著新能源的開發(fā)和環(huán)境保護的呼聲四起，對環(huán)境零排放的電動車越來越受到消費者和生產(chǎn)商的青睞。與傳統(tǒng)的燃油汽車相比，電動車還具有能源利用率較高，省去發(fā)動機、變速器、郵箱、冷卻和排氣系統(tǒng)，噪聲小等優(yōu)點。直接驅(qū)動電動車載空調(diào)進行制冷運行的設備是安裝在電動車內(nèi)的永磁同步電機。所以，永磁同步電機的輸出力矩密度和電流的大小，將直接影響到電動車的行駛安全性和穩(wěn)定性，以及影響到車載空調(diào)的制冷效果。

文獻[1-3]采用了單閉環(huán)電機控制的方法，但該方法具有對擾動的抑制能力差、動態(tài)響應速度慢等缺點，不僅不利于電動車的安全穩(wěn)定行駛，也不利于車載空調(diào)的平穩(wěn)運行。文獻[4-6]電機的開環(huán)控制方法，開環(huán)控制方法使得電機的啟動過程緩慢、啟動電流較大，不利于電動車在不同道路環(huán)境下的迅速系統(tǒng)動態(tài)響應。V型內(nèi)嵌式永磁同步電機作為一種新型的電機，其具有力矩密度大、運行效率高和低速大力矩等優(yōu)點，非常有利用驅(qū)動電動車安全穩(wěn)定行駛和車載空調(diào)制冷。然而，V型內(nèi)嵌式永磁同步電機的優(yōu)點，完全是靠較為合適的電機控制方法實現(xiàn)的。

本文提出一種基于V型內(nèi)嵌式永磁同步電機的雙閉環(huán)控制方法，該方法不僅提高了電動車在行駛過程的安全穩(wěn)定性能，也有效地改善了車載空調(diào)的制冷效果。所謂雙閉環(huán)控制方法，也就是通過實時采集V型內(nèi)嵌式永磁同步電機的電流數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，及時地提高電機的負載能力，從而迅速地改變電動車在不同路況環(huán)境下的行駛速度，以及有效保障電動車載空調(diào)的平穩(wěn)運行。

二、V型內(nèi)嵌式永磁同步電機的數(shù)學模型

如下圖1所示，是V型內(nèi)嵌式永磁同步電機的1/4結(jié)構圖。從圖中可以看出，該永磁同步電機由主要由定子鐵芯、動子鐵芯、繞組和永磁體組成。定子鐵芯有48個齒槽，永磁體的極對數(shù)是8，并且永磁體呈現(xiàn)V型分布，其優(yōu)點是有利于磁場的合理分布。繞組的分布采用分布式纏繞方法，這樣有利于V型永磁同步電機在運行過程中的控制，并降低繞組的銅耗，從而從一定程度上提高V型永磁同步電機的運行效率。

圖1 V型內(nèi)嵌式永磁同步電機的基本結(jié)構組成

本文基于矢量控制和派克逆變換（Inverse Park transformation）原理，并在忽略電機鐵耗、銅耗、溫度變化等因素的情況下，建立V型永磁同步電機的數(shù)學模型。

首先，派克逆變換的基本公式可以描述為

由公式（7）可得，V型永磁同步電機的輸出力矩與繞組電流有著密切的關系。因此，本文采用雙閉環(huán)控制技術，通過控制V型永磁同步電機在dq0坐標下的d軸和q軸電流，達到控制其輸出力矩的目的，進而可以實現(xiàn)電動車在行駛過程中的安全穩(wěn)定性，并保障車載空調(diào)處于高效地制冷運行狀態(tài)。

三、仿真和分析

如下圖2，是V型永磁同步電機的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。圖3是借助Matlab/Simulink仿真平臺，建立的V型永磁同步電機的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型。其中，V型永磁同步電機的轉(zhuǎn)速作為雙閉環(huán)的外環(huán)，電流作為雙閉環(huán)的內(nèi)環(huán)。該雙閉環(huán)控制主要包括V型永磁同步電機，派克變換、電流分配、PI調(diào)節(jié)器、空間電壓是兩脈寬調(diào)制（SVPWM）、逆變器等等。

圖2 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

圖3 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型

具體仿真過程是：首先在Matlab/Simulink中構建V型永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的速度控制模型，如上圖3所示，通過編碼器給定速度信號和電角度信號，給定速度和速度反饋的差值經(jīng)過控制器產(chǎn)生給定交軸電流；給定交軸電流和兩相電流采樣分解所獲得的實際交軸電流差值通過轉(zhuǎn)矩控制器輸出交軸給定電壓；同時直軸電流和實際直軸電流做差通過磁鏈控制器產(chǎn)生直軸給定電壓。生成的直軸電壓和交軸電壓通過坐標變換到兩相靜止坐標系下，再通過空間矢量調(diào)制產(chǎn)生開關信號輸入至三相逆變器，從而驅(qū)動電機運動。該閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構簡單，電流控制器和轉(zhuǎn)速控制器均采用普通PI控制器，所需硬件較少，控制過程中的電流環(huán)跟蹤和向逆變器發(fā)送的信號都是由軟件來實現(xiàn)的。

如下圖4所示，是在不同運行速度下，V型永磁同步電機仿真輸出的電流波形和力矩波形。其中，負載設定為初始0.2N.m，在t=0.05s時階躍到0.3N.m，速度輸入為1000rpm，行程設為無限大。仿真步長為0.1s，離散型仿真，解法為變步長ode45。電機在0時刻帶0.2N.m的負載啟動，速度很快被控制到目標速度1000rpm，在負載突變后，速度突然被拉低，電流環(huán)調(diào)節(jié)電流大小，力矩隨之增大。電流變化如圖（4-a）所示，力矩變化如圖（4-b）所示，經(jīng)過調(diào)整以后，速度又很快地恢復到目標速度，速度波形圖如圖（4-c）所示。該仿真結(jié)果表明：V型永磁同步電機電機雙閉環(huán)控制之后，在負載突變情況下，速度被拉到目標速度以下，內(nèi)環(huán)電流PI控制器可以瞬間響應，調(diào)節(jié)電流大小，增大電機力矩，外環(huán)速度PI控制器可以將速度穩(wěn)定在目標值1000rpm。

圖4 V型永磁同步電機輸出電流和力矩與速度的關系

如上所述，在電動車爬坡、高速運行狀態(tài)下，V型永磁同步電機能夠瞬間增大輸出力矩，不僅可以保障電動車安全穩(wěn)定行駛，而且也為電動車在空調(diào)的有效制冷效果提供了強有力的動力保障。

四、結(jié)束語

采用速度和電流控制的V型永磁同步電機雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)仿真和分析結(jié)果表明，雙閉環(huán)控制方法可以提高V型永磁同步電機的運行性能，實現(xiàn)力矩、電流與速度的瞬間響應，為電動車的車載空調(diào)提供穩(wěn)定的動力保障。并且，通過內(nèi)環(huán)電流PI控制器和外環(huán)速度PI控制器的組合作用，可以將V型永磁同步電機的運行速度穩(wěn)定在目標值。