新能源汽車散熱風(fēng)扇驅(qū)動系統(tǒng)仿真研究

張 程， 金 濤

（1.福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州 350108；2.福建工程學(xué)院電子信息與電氣工程系，福建 福州 350108）

0 引 言

蓄電池是新能源汽車的核心部件，直接影響著汽車的使用性能和續(xù)駛行程等。要保證新能源汽車可靠安全的行駛，必須采取有效的散熱措施對電池進行強制散熱以保證其動力電池的可靠安全工作[1]。本文研究的電池散熱風(fēng)扇屬于離心式風(fēng)機，以外轉(zhuǎn)子式的三相永磁同步電機作為驅(qū)動電機。永磁同步電機（PMSM）具有體積小、重量輕、能量轉(zhuǎn)換效率高、運行可靠性高、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點，已經(jīng)逐步取代直流伺服電動機而用于高性能的交流伺服系統(tǒng)中[2]；因此，建立永磁同步電機控制系統(tǒng)的仿真模型對驗證各種控制算法、優(yōu)化整個控制系統(tǒng)具有十分重要的意義[3]。這里在分析PMSM數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，借助于Matlab/Simulink強大的仿真建模能力，在Simulink中建立PMSM控制系統(tǒng)的仿真模型，通過對實例電機的仿真，給出了各種仿真波形，為實際新能源汽車蓄電池的可靠散熱控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試提供了有效的途徑。

1 PMSM的數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機在忽略鐵心飽和與電機繞組漏感，并且假設(shè)氣隙中磁勢呈正弦分布，同時又忽略磁場高次諧波的情況下，運用坐標變換理論，可以得到在同步旋轉(zhuǎn)d－q坐標系下的數(shù)學(xué)模型，通常由電壓方程、定子磁鏈方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程、機械運動方程組成，具體有：

式中：ud、uq——定子電壓d、q軸分量；

id、iq——定子電流d、q軸分量；

ψd、ψq——定子磁鏈d、q軸分量；

Ld、Lq——定子繞組d、q軸電感；

Rs——繞組電阻；

ωr——轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁鏈；

Te——電機電磁轉(zhuǎn)矩；

Tl——負載轉(zhuǎn)矩；

J——電機轉(zhuǎn)動慣量；

p——電機轉(zhuǎn)子極對數(shù)；

ωm——機械轉(zhuǎn)子角速度；

B——阻尼系數(shù)。

2 散熱風(fēng)扇控制系統(tǒng)方案設(shè)計

系統(tǒng)使用轉(zhuǎn)速－電流雙閉環(huán)控制方案[4]，考慮到PMSM進行變頻調(diào)速時的強耦合、時變、非線性等特點，在內(nèi)環(huán)對永磁同步電機進行空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制，為了增強系統(tǒng)的魯棒性及抗干擾能力，在外環(huán)采用速度PI控制器。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，主要由坐標變換、SVPWM、三相逆變器、PI控制器等模塊組成。

3 散熱風(fēng)扇控制系統(tǒng)的模型建立及分析

圖1 系統(tǒng)原理框圖

根據(jù)模塊化建模的思想，將永磁同步電機的散熱風(fēng)扇控制系統(tǒng)分為若干個功能不同且獨立的子模塊，主要包括速度控制器模塊、矢量控制模塊、坐標變換模塊、PWM發(fā)生器模塊、PMSM本體模塊等[5-6]。在Matlab的Simulink環(huán)境下，通過這些功能模塊的有機組合，建立永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，實現(xiàn)雙閉環(huán)控制。

根據(jù)永磁同步電機系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)，在Matlab7.0的Simulink仿真環(huán)境下，利用SimPowerSystem里面豐富的模塊庫，在分析永磁同步電機數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立永磁同步電機控制系統(tǒng)的仿真模型，仿真模型框圖如圖2所示。

模型建好后，就可直接對它進行相應(yīng)的仿真分析。選擇合適的輸入源模塊做信號輸入，用適當(dāng)?shù)慕邮漳K（如示波器）觀察系統(tǒng)響應(yīng)，分析系統(tǒng)特性。點擊菜單欄Simulation上的Start命令開始仿真，結(jié)果輸出到接收模塊上。還可以修改系統(tǒng)模塊及參數(shù)，來修正不符合要求的仿真結(jié)果，繼續(xù)進行仿真分析。

3.1 速度控制模塊

圖2 散熱風(fēng)扇控制系統(tǒng)的PMSM仿真模型圖

速度控制模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，可以看出速度控制模塊的結(jié)構(gòu)比較簡單，由PI調(diào)節(jié)器和限幅輸出模塊組成。通過反復(fù)調(diào)整使Kp=11.7，Ki=140，讓系統(tǒng)輸出達到最佳狀態(tài)。電流調(diào)節(jié)其實就是轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)模塊，將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出電流作為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸入，其中Saturation飽和限幅模塊的功能是將輸出的三相參考相電流限定在要求的范圍之內(nèi)。電流調(diào)節(jié)模型圖與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模型圖相同。

3.2 坐標變換模塊

坐標變換模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。坐標變換模塊實現(xiàn)的是d-q軸旋轉(zhuǎn)坐標系下的兩相電流向abc靜止坐標系下的三相電流的等效變換，如式（5）所示。

圖3 轉(zhuǎn)速控制模塊結(jié)構(gòu)框圖

圖4 坐標變換模塊結(jié)構(gòu)框圖

3.3 PWM發(fā)生器模塊

PWM發(fā)生器模塊為逆變橋提供SVPWM （脈寬調(diào)制）觸發(fā)信號，可以采用Matlab7.0的Simulink中的SimPowerSystem模塊庫中提供的通用逆變模塊搭建。

4 系統(tǒng)的仿真及分析

根據(jù)圖2所示的散熱風(fēng)扇控制系統(tǒng)的仿真電路圖對系統(tǒng)進行仿真實驗和性能分析，以驗證其可行性和有效性。仿真參數(shù)的設(shè)置如下：逆變器直流電源電壓為24 V，IGBT的開關(guān)頻率設(shè)置為 15.2 kHz，負載轉(zhuǎn)矩起始值為0.5N·m，在0.1s時降至0.2N·m，仿真時間 t＝0.2s，當(dāng)參考速度 speed（ref）=2000r/min 時，由示波器觀測各參數(shù)波形圖，仿真結(jié)果如圖5所示。

永磁同步電機的參數(shù)[7]設(shè)置如表1所示。

從圖5（a）中可以看出電機在啟動后的0.02s內(nèi)轉(zhuǎn)速快速上升，并在經(jīng)過0.01s的波動之后迅速達到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)響應(yīng)較快且較平穩(wěn)，實際轉(zhuǎn)速能快速跟蹤參考轉(zhuǎn)速幾乎無超調(diào)，電機動態(tài)響應(yīng)性能良好。圖 5（b）和圖 5（c）中可以看出 0.03 s之前轉(zhuǎn)矩和電流都出現(xiàn)很大的振蕩，這是因為電機啟動初期轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，定子磁鏈和永磁體磁鏈產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩在較短的時間內(nèi)起到制動作用。當(dāng)牽引轉(zhuǎn)矩小于制動轉(zhuǎn)矩時，電機總轉(zhuǎn)矩下降，從而出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，此時轉(zhuǎn)矩值為0.5 N·m，在0.1 s突降為0.2N·m的負載時，轉(zhuǎn)矩和電流均有相應(yīng)響應(yīng)，但經(jīng)過短暫的波動之后均達到穩(wěn)定狀態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩能跟蹤負載轉(zhuǎn)矩，穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)矩和電流略有波動，但基本平穩(wěn)。圖5（d）為電機的機械特性曲線，可以看出機械特性較為理想。

表1 PMSM參數(shù)表

圖5 散熱風(fēng)扇系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流及機械特性曲線

5 結(jié)束語

在分析永磁同步電機數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上，建立了電機的數(shù)學(xué)方程，通過數(shù)學(xué)的方法去研究永磁同步電機，并在Matlab/Simulink里搭建模型進行仿真。由電機仿真波形可以看出，系統(tǒng)具有調(diào)速范圍較寬、動態(tài)響應(yīng)好、穩(wěn)態(tài)誤差較小的特點[8-9]，這與實際散熱風(fēng)扇的運行狀態(tài)是一致的，系統(tǒng)起動后保持恒定轉(zhuǎn)矩，突加擾動時系統(tǒng)波動較小，充分說明系統(tǒng)具有較好的魯棒性，為新能源汽車散熱風(fēng)扇驅(qū)動系統(tǒng)的分析與設(shè)計提供了新穎的思路。

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