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純電動汽車永磁同步電機矢量控制仿真研究

2019-09-04 10:15:20·  來源：汽車技術(shù)研究所  
　
電機對于EV 的作用如同人體的心臟一般，所以驅(qū)動電機的選擇顯得尤為重要。永磁同步電機以其優(yōu)越的可控性和可靠性足以滿足電動汽車多工況運行條件，成為電動汽車
電機對于EV 的作用如同人體的心臟一般，所以驅(qū)動電機的選擇顯得尤為重要。永磁同步電機以其優(yōu)越的可控性和可靠性足以滿足電動汽車多工況運行條件，成為電動汽車中應(yīng)用廣泛的驅(qū)動電機。PMSM 控制系統(tǒng)的高精準(zhǔn)度要求成為現(xiàn)代工業(yè)各個領(lǐng)域亟待解決的問題，由于空間矢量脈寬調(diào)制控制方式有諸多優(yōu)點，如調(diào)速區(qū)間大、高次諧波少、容易公式化等，SVPWM 方法成為PMSM 控制的?？?。磁鏈追蹤是SVPWM 方法的基本思想，簡單來說，就是將電源轉(zhuǎn)換器和PMSM 視為一體，再由IGBT 的6 個通路開關(guān)信號的交疊產(chǎn)生8 個初始電壓空間矢量，這8 個初始矢量再合成實際的電壓空間矢量，從而使合成矢量的轉(zhuǎn)動路徑最大程度上形似圓形的基本磁鏈圓。一般來說，高性能PMSM 矢量控制系統(tǒng)需要達到高精準(zhǔn)要求，因此在 Matlab/Simulink 軟件中搭建關(guān)于SVPWM 的永磁同步電動機的仿真模型是必不可少的。本文講述了PMSM 的數(shù)學(xué)建模方法，對空間矢量控制方法進行了簡單的梳理，用模型圖形象展示了經(jīng)典速度、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理，并對 Matlab/Simulink 得到的結(jié)果圖進行分析，證明了該仿真實驗的實用性。


1 永磁同步電機數(shù)學(xué)模型
由于永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型變量多，參數(shù)時變，且邏輯復(fù)雜，因此，為其設(shè)計合理的控制算法，建立合適的數(shù)學(xué)模型成為行業(yè)內(nèi)的重要任務(wù)。首先，簡化模型，假定PMSM為理想對象，且符合如下要求：
（1）忽略電機鐵芯的飽和。
（2）不考慮電機中的磁滯損耗和渦流效應(yīng)。
式中：T 為周期，T60，T120 分別為電壓矢量U60，U120 的作用時間，T0 為零矢量作用時間。將Uref 分解為Uα、Uβ 空間矢量，可得式（7）：


圖1 永磁同步電機的物理模型
采用基于d-q 坐標(biāo)的數(shù)學(xué)建模方法，是實現(xiàn)PMSM 數(shù)學(xué)模型解耦的常用方式，這樣便于構(gòu)建PMSM 的數(shù)學(xué)模型。
為實現(xiàn)坐標(biāo)置換前后功率的一致性，從定子ABC 三相坐標(biāo)軸到轉(zhuǎn)子d-q 軸的坐標(biāo)置換過程中，d-q 軸電流峰值應(yīng)為定子ABC 坐標(biāo)系下電流峰值的倍。將定子坐標(biāo)系下的電壓方程變換成d-q 坐標(biāo)系下的電壓方程需要通過一個變換因子實現(xiàn)，變換后的方程如下：
式中參數(shù)如下表：
表1 方程各參數(shù)
d-q 坐標(biāo)系中的PMSM 轉(zhuǎn)矩方程為：
式中：是機體永磁體的ψ和Isq 合成的永磁轉(zhuǎn)矩。
以Is 為例，經(jīng)過3/2 旋轉(zhuǎn)變換可得：
2 矢量控制原理
矢量控制算法是建立在PMSM 的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的控制理論，其主要思想是：通過坐標(biāo)置換把復(fù)雜的交流電機的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化成直流電機模型，對交流電機耦合的模型進行解耦，然后對其采用直流電機的控制方法，最終經(jīng)過坐標(biāo)逆變換回到控制對象本身。
2.1 坐標(biāo)變換理論
傳統(tǒng)矢量控制中，先把三相的a-b-c 坐標(biāo)轉(zhuǎn)成兩相的坐標(biāo)，此過程稱為Clark 變換；再把靜止的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)成不斷變化的d-q 坐標(biāo)，此過程稱為Park 變換。由于電機采用星形連接且通入的三相電流互差120o。則可得如下等式：
（3）通入電機中的三相繞組電流為對稱的三相正弦波電流。


2.2 SVPWM 原理
SVPWM 是以等均值原則為基礎(chǔ)的 ，所謂等均值原則，就是在一個上下電平組合中，求電壓空間矢量均值，并且將此均值等效為某一電壓值。由此以來，該矢量通過轉(zhuǎn)動到對應(yīng)區(qū)域中的零矢量，并且在時域上進行不同的組合得到不同時刻的電壓矢量。通過電源轉(zhuǎn)換器的不同開關(guān)組合所對應(yīng)的實時磁通去接近理論磁通圓[6]。
假定某時間內(nèi)Uref 在第2 個扇形區(qū)域，依據(jù)伏秒平衡原理：
回到家，老伴早已準(zhǔn)備好了晚餐，是典型的中式清淡食譜，兩盤青菜一壇菌湯。雖說都是蔣利學(xué)可口的，他都幾乎沒顧上看一眼，便一頭扎進書房改起學(xué)術(shù)報告來。老伴擔(dān)心他身體吃不消，忙不迭地盛好飯菜端進書房，想勸他趁熱趕緊吃一口再趕寫學(xué)術(shù)報告，蔣利學(xué)卻一點兒也不領(lǐng)情，揮手說：你沒看我正忙著嗎？
有效電壓空間矢量幅值都為Udc，由式（6）和式（7）兩式推導(dǎo)可得式（8），由式（8）推導(dǎo)可得式（9）：


式（9）表明，電源轉(zhuǎn)換器輸出相電壓最大值是，SPWM相電壓最大值是0.5Udc，在相同的直流母線電壓下，SVPWM要高出SPWM 大約15%。當(dāng)參考電壓Uref 介于不同扇區(qū)時，同理可得鄰邊電壓矢量作用時間，為了較方便的確定時間，定義：


如果相鄰電壓矢量作用時間TX，TX+60 之和大于周期T，則進行飽和約束：


3 仿真模型的建立
本文利用MatlabR2014b 仿真軟件，基于其中的Simulink Common 模塊庫和SimPowerSystems 庫中的模塊，搭建PMSM的矢量控制仿真模型。SimPowerSystems 欄里具有電力電子領(lǐng)域各種成型模塊，利用其中的電機模塊、電源逆變器模塊可以大大降低模型搭建的復(fù)雜程度。整個模型由多個不同的小模塊構(gòu)成，其中矢量控制模塊主要包括坐標(biāo)變換模塊和SVPWM 模塊。模型搭建流程如圖2 所示。


圖2 速度、電流雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)原理框圖
利用id=0 的控制方法，是PMSM 矢量控制的核心。通過對定子側(cè)電流和轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)速的監(jiān)控，來構(gòu)建電流側(cè)和轉(zhuǎn)速側(cè)的矢量控制系統(tǒng)。矢量控制系統(tǒng)主要是由Is 監(jiān)控，ωr 監(jiān)控，Clark、Park 變換及其逆變換、空間矢量脈寬調(diào)制等幾個模塊組成。其中，定子側(cè)的電流由同步電機定子端提供，然后整合到轉(zhuǎn)子側(cè)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下得到一個回饋值，再與實際值進行對比后由電流整流器產(chǎn)生。定子三相電流經(jīng)過空間矢量脈寬調(diào)制得到脈沖驅(qū)動逆變器產(chǎn)生三相定子電壓輸送給PMSM的定子端，達到控制目的。以PMSM 的數(shù)學(xué)模型及控制框圖為基礎(chǔ)，搭建出Simulink 模型,如圖3、4 所示。


圖3 PMSM 矢量控制仿真模型


圖4 Matlab/Simulink 系統(tǒng)中SVPWM 模型
4 仿真結(jié)果分析
在Matlab/Simulink 中搭建永磁同步電機基于id=0 的矢量控制模型后，進行仿真分析，仿真時需要規(guī)定PMSM 的具體參數(shù)，本文規(guī)定PMSM 的參數(shù)如下：定子每相電阻R=2.75，轉(zhuǎn)子直、交軸電感Ld=Lq=0.008H，轉(zhuǎn)子永磁磁鏈=0.273Wb，轉(zhuǎn)動慣量J=0.000815kg。m2=，Nn=1000rad/min，Tn=4N.m，in=3.3A，極對數(shù)p=4。起始給定轉(zhuǎn)速500rad/s，0.4s 時加載到800 rad/s，模擬超車加速工況；起始加轉(zhuǎn)矩5N.m，0.8s時加載到10 N.m，模擬大力矩爬坡工況。仿真時間設(shè)置為1.2s。由此仿真獲得的的電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形圖如圖5 所示，轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)速結(jié)果圖如圖6 所示，定子側(cè)電流結(jié)果圖如圖7 所示。


圖5 電機電磁轉(zhuǎn)矩波形圖


圖6 轉(zhuǎn)子側(cè)轉(zhuǎn)速


圖7 定子三相電流
由圖5 可得：在0.4s 時，轉(zhuǎn)速突變，轉(zhuǎn)矩波動時間短且恢復(fù)較快，即代表超車加速工況下，電動汽車轉(zhuǎn)矩脈動響應(yīng)迅速，行駛穩(wěn)定性能好；在0.8s 時，負(fù)載突變，轉(zhuǎn)矩曲線輕度浮動，即代表大力矩爬坡工況下，電動汽車轉(zhuǎn)矩脈動小，行駛穩(wěn)定性能好。
由圖6 可得：在0.4s 時，轉(zhuǎn)速突變，轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度快，說明電動汽車加速性能好；在0.8s 時，負(fù)載突變，轉(zhuǎn)速急劇下降，但又可以很快恢復(fù)到初始值附近，運行在穩(wěn)定狀態(tài)時無靜差，說明電動汽車動力性好。
由圖7 可得：在兩種工況下，電機相電流脈動均不大且波形合理，相電流沖擊很小說明系統(tǒng)具有較好的魯棒性。
通過分析各個仿真圖可證明了本文所提出的PMSM 控制系統(tǒng)仿真建模方法的有效性，PMSM 矢量控制系統(tǒng)具有很好的動態(tài)響應(yīng)特性和速度控制特性，控制效果突出，適用于電動汽車多工況運行的情況。
5 結(jié)論
本文在結(jié)合PMSM 基本原理，對PMSM 進行數(shù)學(xué)建模，利用矢量控制思想和SVPWM 技術(shù)，搭建了基于Simulink 環(huán)境下的仿真模型。通過在仿真平臺中模擬電動汽車超車加速工況和大力矩爬坡工況進行仿真，根據(jù)仿真波形分析得出兩種工況下永磁同步電機的特性。由分析結(jié)果可知：矢量控制系統(tǒng)穩(wěn)定性能好，且靜、動態(tài)特性優(yōu)秀，與實際的永磁同步電機的運行特性相吻合，且適用于電動汽車多工況運行的情況。采用該仿真系統(tǒng)，可證明數(shù)學(xué)建模的合理性，且此仿真模型的適用性好，改變各個模塊的參數(shù)可以適應(yīng)不同的控制需求。 
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