電動汽車用永磁同步電動機控制淺析

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摘要：為了緩解能源短缺的危機，同時降低燃油車對環(huán)境的污染，電動汽車得到了普遍應用，而電動汽車的核心是其驅動系統(tǒng)，當前主要采用的驅動機是永磁同步電動機（PMSM）。通過坐標變換，搭建了永磁同步電機在d-q坐標系下的數學模型，為了得到良好的控制效果，在PMSM的控制中引入了電壓空間矢量（SVPWM）控制技術，通過闡述恒壓頻比（U/F）控制、矢量（VC）控制和直接轉矩控制（DTC）的優(yōu)缺點，選擇并設計了基于位置、速度和電流三閉環(huán)的永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)，并在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建了系統(tǒng)仿真模型，進行了仿真實驗。仿真結果表明：該控制系統(tǒng)的啟動、制動性能良好，具有較強的跟隨性、抗干擾性和穩(wěn)定性，能夠滿足電動汽車在實際情況下的性能要求。

關鍵詞：電動汽車；永磁同步電動機；矢量控制

0引言

隨著傳統(tǒng)能源短缺危機和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展需求的到來，新能源汽車將逐漸取代傳統(tǒng)燃油車，而電動汽車又是新能源汽車中不可忽視的存在。實際上，全球首輛電動汽車早于19世紀70年代被研制出來，比傳統(tǒng)燃油車還要早十幾年，但是鑒于當時電動汽車電池充電時間過長、續(xù)航里程短、造價高等問題并沒有得到解決，傳統(tǒng)燃油汽車由于石油被大量開采、內燃機及其控制技術的發(fā)展而成為汽車行業(yè)的主角。但是，隨著傳統(tǒng)汽車所排放的CO等有害物質對環(huán)境的影響及噪聲污染大、燃油短缺等問題的出現，電動汽車重新站上歷史舞臺。近年來，歐美、日本等發(fā)達國家政府都大力支持電動汽車上的發(fā)展，所投入的人力、財力均較多，并獲得了明顯的進步；我國也于2001年啟動了“863”計劃電動汽車專項，隨后以眾泰2008EV、超越一號、F3DM、F6DM等為代表的電動汽車陸續(xù)被研制出來，代表著我國電動汽車也進入了大跨越發(fā)展的新階段[1-5]。電動汽車的驅動系統(tǒng)擔負著能量轉換、傳遞的重任，而驅動系統(tǒng)的主要構成為電動機。永磁同步電動機（PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM）由于其結構簡單、效率高、噪聲小、控制性能好等優(yōu)勢，得到了廣泛使用。這類電機的控制主要采用恒壓頻比（U/F）控制、矢量控制（VC）和直接轉矩控制（DTC），其中U/F控制存在起動和低速時轉矩動態(tài)響應差、穩(wěn)定性不好等問題；DTC控制主要是采用定子磁鏈定向，利用離散的兩點式控制直接對電動機的定子磁鏈和轉矩進行調節(jié)，結構簡單、轉矩響應快，但將其用于永磁同步電動機的控制在技術上還存在缺陷。矢量控制又稱為磁鏈定向控制，是通過兩次坐標變換，把定子三相電流分解為id和iq分別進行調節(jié)，模擬直流電機轉矩的控制方法，屬于連續(xù)控制，轉矩脈動大大減小[6-9]。本文主要研究電動汽車用永磁同步電動機的矢量控制系統(tǒng)設計，并在Matlab/Simulink中進行仿真模擬。

1PMSM數學建模

為分析方便，在進行永磁同步電動機的數學建模時，作出如下假設：PMSM定子繞組采用星形連接，且其上流過的電流為對稱三相正弦量；忽略定子磁通的諧波及飽和影響；忽略磁滯損耗和渦流損耗。在此基礎上，研究PMSM矢量控制算法時，建立如圖1所示的坐標關系，其中a-b-c為三相靜止坐標系，α-β為兩相靜止坐標系，d-q為兩相旋轉坐標系[8]。經過兩次坐標變換，得到d-q坐標系下的數學模型如下。電壓方程：||||ud=Rsid+Lddiddt-ωLqiquq=Rsiq+Lqdiqdt+ω(ψf+Ldid)（1）磁鏈方程：{yd=Ldid+yfyq=Lqiq（2）轉矩方程：Te=1.5P[ψ]fiq+(Ld-Lq)idiq（3）運動方程：Jdωedt=Te-TL（4）式中：ud、uq、id、iq、yd、yq、Ld、Lq分別為永磁同步電動機定子側d軸和軸q上的電壓、電流、磁鏈和電感；ω為轉子旋轉的角速度；yf為轉子永磁體磁鏈；P為電動機極對數；Te為電磁轉矩；TL為負載轉矩；J為轉動慣量。通過上面的分析，將永磁同步電動機的數學模型大大簡化。由于本文主要是研究表貼式永磁同步電動機，屬于隱極式電機，故Ld=Lq=Ls，則轉矩方程進一步簡化為式（5），即，該永磁電機的Te僅決定于其交軸電流分量，當直軸分量id=0時，iq最大，功率大大提高，使電動機的定子銅耗降低，效率顯著提升。轉矩方程：Te=1.5Pyfiq（5）

2SVPWM控制技術

矢量控制（VC）是一種模擬直流電機的控制方法，將定子電流分解為勵磁電流和轉矩電流兩部分，直接進行控制。永磁同步電動機是一個非線性、多變量、強耦合的動態(tài)系統(tǒng)，VC的提出很好地解決了PMSM控制系統(tǒng)復雜、效果差的問題，并且在永磁同步電動機的矢量控制中采用SVPWM控制技術，也就是通過直接控制功率器件的開關狀態(tài)，使得到的電機旋轉磁場接近于圓形，這樣不僅能使逆變器輸出電流的諧波成份及損耗大大降低，從而減小電磁轉矩的脈動，且算法簡單，效率高。圖2所示為一三相橋式電路，開關器件導通為1，截止為0，該電路共輸出如圖3所示的8種基本電壓空間矢量，其中U0（000）、U7（111）為零電壓矢量，其余的6個電壓矢量U1（100）、U2（110）、U3（010）、U4（011）、U5（001）、U6（101）為有效矢量，且各個空間矢量的幅值都為23Udc。通過這8個基本電壓空間矢量的組合可以合成任意需要的電壓矢量，圖3以第3扇區(qū)Usref為例[10]。式中：Ts為開關周期；T4為開關矢量U4的作用時間；T6為開關矢量U6的作用時間；T0為零矢量的作用時間，零矢量的選擇按照開關動作次數最少的原則。通過上面分析，電壓空間矢量在其他扇區(qū)時，均可得到相鄰兩個基本電壓矢量的作用時間，為方便計算，定義：

3PMSM矢量控制策略

永磁同步電動機的矢量控制是一種基于磁場定向的控制方法，包括轉子磁鏈定向控制、定子磁鏈定向控制、氣隙磁鏈定向控制和阻尼磁鏈定向控制4種，本文PMSM采用轉子磁鏈定向的控制方法[11-12]。根據數學建模中電磁轉矩的表達式可知，此控制策略是以轉子磁極軸線定向去控制定子的交軸電流id，可最大程度上防止永磁體去磁而導致的電機性能變化。圖4所示為電動汽車用永磁同步電機矢量控制的原理框圖，該控制系統(tǒng)在原來研究的基礎上增加了位置伺服控制，使系統(tǒng)能夠得到快速、精確的相位控制，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應能力，穩(wěn)定性更好。具體工作過程如下：三相逆變器輸出電流ia、ib、ic經過Clark變換成為ia、ib，再經過Park變換成為id、iq。速度給定值與位置傳感器反饋回來的電機實際速度的差值經速度PI調節(jié)器后輸出為iq*，再與實際檢測到的轉矩電流iq的差值經電流PI調節(jié)器后輸出為uq；勵磁電流的期望值id*=0與實際檢測值的差值經PI調節(jié)器后輸出為ud。ud、uq經反Park變換得到ua、ub，送入SVPWM控制器，得到6個功率器件的控制信號，最終為永磁同步電動機提供合適的三相電壓。該控制系統(tǒng)為包括了位置控制、速度控制和電流控制的三閉環(huán)控制系統(tǒng)，且SVPWM控制技術的引入，使得逆變電路的開關損耗大大減小，電壓利用率顯著提升，諧波及脈動成份降低，電動機的調速性能得到明顯改善。

4控制系統(tǒng)仿真建模及分析

根據圖4所示的控制系統(tǒng)原理框圖，在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建仿真模型，如圖5所示。具體電機參數為：定子電阻Rs=1.9Ω，交直軸電感Ld=Lq=2.7mH，主磁鏈ψf=0.27Wb，極距τ=45mm，動子質量M=5kg，阻尼系數Bv=0N?m/s，極對數P=4。從仿真結果分析出，該PMSM由空載啟動，轉速很快從0加速到給定轉速1100r/min，僅需要0.007s的時間，動態(tài)響應快，定子側三相電流ia、ib、ic也很快接近正弦波；當0.01s負載突然增加、0.022s負載突然減小時，定子三相電流，dq軸電流及電磁轉矩也很快相應，且id接近于0，說明這種基于位置、速度、電流的三閉環(huán)矢量控制算法能得到滿意的控制效果。

5結束語

本文針對電動汽車用PMSM的矢量控制進行了分析研究，搭建了電機的數學模型，對SVPWM控制技術進行了分析，在原來基于速度、電路的雙閉環(huán)PMSM矢量控制系統(tǒng)中，又增加了位置伺服控制，構成了一種三閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)，并在Matlab/Simlink環(huán)境下進行建模仿真，從實驗波形圖分析可知，位置環(huán)的增加使控制系統(tǒng)能夠得到快速、精確的相位信號，系統(tǒng)能夠快速作出反應。整體來說，該控制系統(tǒng)動態(tài)響應快，具有很好的穩(wěn)定性、跟隨性、抗干擾性等，啟動、制動性能良好，且電流畸變率低，整體控制效果理想。

作者:趙曉娟 單位:山西水利職業(yè)技術學院