【摘" 要】根據(jù)三相電壓型逆變器結(jié)構(gòu)，分別對(duì)比主動(dòng)短路、全關(guān)和調(diào)制模式的差異，并仿真測(cè)試永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在3種模式下的輸出特性，從電容電壓、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩兩個(gè)維度進(jìn)行分析，驗(yàn)證本文提出的調(diào)制模式在同步控制電容電壓和輸出轉(zhuǎn)矩方面更適用于新能源汽車(chē)斷電跛行回家。

【關(guān)鍵詞】驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)；主動(dòng)短路；全關(guān)；調(diào)制模式

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2022 ）12-0018-03

The Study and Application of the PMSM Driving Motor System Limp Home Method

XU Ya-mei，MIAO Qiang，HAN Fu-qiang

（Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】According to the structure of three-phase voltage inverter，the differences of ASC，SPO and the modulation mode are compared respectively and are verified through the simulation. The characteristics of permanent magnet synchronous motor driving system different in the three methods are evaluated in two dimensions of capacitor voltage，the output torque. It is proved that the modulation mode proposed in this paper is more suitable for new energy vehicles to limp home after power off.

【Key words】driving motor system；ASC；SPO；modulation mode

永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）具有功率密度高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、力能指標(biāo)好、電樞反應(yīng)小和控制方便等優(yōu)點(diǎn)，已在電動(dòng)汽車(chē)中得到大量應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)換[1]。由于永磁同步電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)特性，當(dāng)發(fā)生高壓斷電故障拖車(chē)時(shí)，電機(jī)控制器母線電容產(chǎn)生高壓并且續(xù)流二極管中帶電產(chǎn)生非預(yù)期轉(zhuǎn)矩，怎樣在不拆除電機(jī)三相線的情況下實(shí)現(xiàn)安全拖車(chē)是本文重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

1" 三相電壓型逆變器

對(duì)于典型的兩電平三相電壓源逆變器電路，其原理圖如圖1所示。定義開(kāi)關(guān)量S1～S6表示6個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)S1、S3或S5為1時(shí)，逆變器電路上橋臂的開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通，其下橋臂的開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷（S2、S4或S6為0）；反之，當(dāng)S1、S3或S5為0時(shí)，逆變器電路上橋臂的開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷而下橋臂的開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通（S2、S4或S6為1）。由于同一橋臂的上下開(kāi)關(guān)器件不能同時(shí)導(dǎo)通，則上述的逆變器三相逆變橋的開(kāi)關(guān)組態(tài)一共有8種[2]。

2" 三種狀態(tài)特性分析

2.1" ASC特性分析

ASC（Active Short Circuit，主動(dòng)短路）通過(guò)將逆變橋的三相短路（圖1中的S1、S3和S5為全為1則是上橋短路，S2、S4和S6為全為1則是下橋短路），從而實(shí)現(xiàn)控制器與電機(jī)的電氣隔離，避免電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)對(duì)控制器造成損害。

對(duì)于永磁同步電機(jī)來(lái)講，在ASC狀態(tài)下其輸出特性只與電機(jī)本體參數(shù)和進(jìn)入ASC狀態(tài)時(shí)的初始條件有關(guān)。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，可得電機(jī)主動(dòng)短路之后的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩輸出表達(dá)式（1）[3]。

（1）

從公式（1）可以看出，ASC狀態(tài)下的輸出轉(zhuǎn)矩與電感、電阻、磁鏈、電機(jī)轉(zhuǎn)速和極對(duì)數(shù)有關(guān)。根據(jù)分子式的特點(diǎn)，以轉(zhuǎn)速為準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行分段分析，高低轉(zhuǎn)速下公式（1）分別可進(jìn)行簡(jiǎn)化。

當(dāng)轉(zhuǎn)速高時(shí)LdLqω2gt;gt;R2s，公式（1）可以簡(jiǎn)化為

（2）

從公式（2）可見(jiàn)轉(zhuǎn)速高時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，轉(zhuǎn)速越大，輸出轉(zhuǎn)矩越小。

當(dāng)轉(zhuǎn)速低時(shí)，LdLqω2lt;lt;R2s，公式（1）可簡(jiǎn)化為：

（3）

從公式（3）可見(jiàn)轉(zhuǎn)速低時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速減小而減小。

2.2" SPO特性分析

SPO（Safe Pulse Off）是將上下橋臂全部關(guān)閉，如圖2所示的開(kāi)關(guān)量S1～S6全為0。在該條件下電機(jī)側(cè)的能量只能通過(guò)逆變橋臂上的反向二極管進(jìn)行被動(dòng)整流。當(dāng)反電動(dòng)勢(shì)超過(guò)母線電壓的一半時(shí)，反向二極管導(dǎo)通，反之二極管截止[4]。

當(dāng)電機(jī)低速運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行SPO，反電勢(shì)小于導(dǎo)通閾值，反向二極管截止，電機(jī)不會(huì)產(chǎn)生較大的非預(yù)期轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)高速狀態(tài)下SPO時(shí)，反向二極管導(dǎo)通向母線電容充電，電壓升高，進(jìn)而也會(huì)影響IGBT等掛在母線上的其他電子元器件，增加了控制器失效的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3" 調(diào)制特性分析

SVPWM作為PWM技術(shù)的一種，由于其較高的電壓利用率，適用于數(shù)字化控制系統(tǒng)等特點(diǎn)在交流電機(jī)控制中得到廣泛應(yīng)用。SVPWM控制策略是依據(jù)變流器空間電壓矢量切換來(lái)控制變流器的一種控制策略，其主要思想在于采用逆變器空間電壓矢量的切換以獲得準(zhǔn)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而在不高的開(kāi)關(guān)頻率條件下，使得交流電機(jī)獲得更好的控制性能。

本文提出一種根據(jù)電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和實(shí)時(shí)電流基于傳統(tǒng)PI控制進(jìn)行計(jì)算IGBT占空比的調(diào)制方案，原理如圖3所示。

采用傳統(tǒng)基于PI的母線電壓控制，其表達(dá)式為：

式中：kp和ki——PI控制器的比例和積分增益。

電流環(huán)PI控制器的表達(dá)式為：

式中：kpd和kpq——PI控制器的比例增益；kid和kiq——PI控制器的積分增益。

本方案采用的母線電壓控制模式，通過(guò)調(diào)節(jié)Ud和Uq維持母線電壓的穩(wěn)定，因在本文研究的應(yīng)用場(chǎng)景中的永磁同步電機(jī)既是發(fā)電電機(jī)，也是負(fù)載電機(jī)，根據(jù)功率公式可知適當(dāng)提高電壓值可以減小電機(jī)負(fù)載電流，所以提出了根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)速設(shè)置不同的母線電壓目標(biāo)值。

3" 仿真分析

永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置參考表1，分別測(cè)試分析3種被測(cè)控制器工作狀態(tài)下的電機(jī)輸出特性。

不提供高壓，負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，拖動(dòng)被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速在0～2500～0r/min范圍之內(nèi)變化，分別驗(yàn)證3種狀態(tài)下控制器電容電壓和電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩的情況，如圖4～圖6所示。

如圖4所示，沒(méi)有高壓有轉(zhuǎn)速的情況下，SPO模式會(huì)使被測(cè)電機(jī)控制器電容產(chǎn)生電壓，隨著轉(zhuǎn)速增大到1800r/min時(shí)發(fā)生過(guò)壓故障，且隨著轉(zhuǎn)速變化有非預(yù)期扭矩產(chǎn)生。

從圖5可以看出，沒(méi)有高壓時(shí)ASC模式下升高轉(zhuǎn)速，電容電壓沒(méi)有變化，保持初值6.9V，低轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生大的制動(dòng)扭矩，超過(guò)該轉(zhuǎn)速點(diǎn)轉(zhuǎn)矩減小，達(dá)到一定高轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)矩基本不再隨轉(zhuǎn)速變化。但短路狀態(tài)下，流經(jīng)電機(jī)繞組電流非常大，導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，增加燒毀電機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

從圖6可以看出，沒(méi)有高壓的情況下，采用調(diào)制模式可以有效平衡電容電壓和電機(jī)的非預(yù)期轉(zhuǎn)矩，最大電壓不超過(guò)100V，不會(huì)對(duì)電子器件造成損害。

綜上對(duì)比3種模式，本文提出的調(diào)制模式有效抑制反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的母線電壓的同時(shí)盡可能減小電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩且保障輸出平穩(wěn)性，更適用于新能源汽車(chē)拖車(chē)工況。

4" 結(jié)束語(yǔ)

新能源汽車(chē)市場(chǎng)保有量日益增加，怎樣在其發(fā)生故障時(shí)安全拖車(chē)也越來(lái)越受到重視。文中對(duì)比了3種模式，從產(chǎn)生的電容電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)矩等方面驗(yàn)證了各模式的差異。經(jīng)過(guò)仿真測(cè)試驗(yàn)證了本文提出的調(diào)制模式在全轉(zhuǎn)速工況內(nèi)可同時(shí)使電壓和非預(yù)期轉(zhuǎn)矩控制在可接受范圍內(nèi)，更具有優(yōu)勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 吳志紅，陸科，朱元. 車(chē)用電機(jī)控制器功能安全及主動(dòng)短路分析[J]. 統(tǒng)計(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，46（9）：1301-1302.

[4] 黃步甲，于海生，劉野. 電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)系統(tǒng)三相主動(dòng)短路分析及應(yīng)用[J]. 汽車(chē)電器，2018（12）：1-3.

（編輯" 楊" 景）