電動汽車永磁同步電機工況仿真分析

Simulation and Analysis of the Operating Conditions of PMSM on Electric Vehicle

趙　鋼　成丁雨

(天津理工大學天津市復雜控制理論與應用重點實驗室，天津　300384)

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電動汽車永磁同步電機工況仿真分析

Simulation and Analysis of the Operating Conditions of PMSM on Electric Vehicle

趙鋼成丁雨

(天津理工大學天津市復雜控制理論與應用重點實驗室，天津300384)

摘要：永磁同步電機因其優越的特性可以作為電動汽車的驅動電機。為了測試電機運行過程中不同工況的性能，對永磁同步電機數學模型、控制策略進行了分析,并根據永磁同步電機的數學模型設計了電機控制方案。在Matlab/Simulink仿真平臺上，構建了永磁同步電機轉速電流雙閉環控制系統，在不同的運行工況下對系統進行了仿真。仿真結果驗證了在不同工況下永磁同步電機具有良好的動、靜態特性。 是現代科技論文的必要附加部分，只有極短的文章才能省略。它是幫助讀者從浩瀚的信息海洋中能較快、較準地找到他們所需要的科技信息的一種有效工具。摘要一般置于作者及其工作單位之后、關鍵詞之前。

關鍵詞：永磁同步電機電動汽車電機工況電機控制電機模型脈寬調試零排放電磁轉矩

Abstract：Permanent magnet synchronous motor (PMSM) can be used as the drive motor of electric vehicle because of its superior characteristics,in order to test its performance under different operating conditions,the mathematical model and control strategy of PMSM are analyzed,and the motor control strategy in accordance with the mathematical model is designed.The dual closed-loop control system for the rotating speed current of PMSM is established on Matlab/Simulink simulation platform,and the system is simulated under different operating conditions.The results of simulation verify that the PMSM possesses excellent dynamic and static performances under various operating conditions.

Keywords:PMSMElectric vehicleOperating condition of motorMotor controlMotor modelPWMZero emission

Electromagnetic torque

0引言

當今能源危機和環境污染越來越引起大家關注，電動汽車以其零排放、無污染的特點，具有廣闊的發展前景。而電機作為電動汽車動力系統的核心，其控制技術是電動汽車關鍵技術之一。電機的控制性能直接影響了電動汽車的整體性能，因此，電機的控制技術已成為電動汽車的研究熱點[1]。

電動汽車運行工況非常復雜，包括從汽車啟動到勻速運行，再到剎車制動以及高低速行駛等各種復雜的運行要求，而且，電動汽車的負載和其所處的路況有著密切的關系，例如上坡、下坡、加速、減速等，這就需要分析在不同工況下轉速和轉矩的關系。因此電動汽車電機控制系統需要達到的目的就是獲得高性能電機轉矩和轉速的控制，從而達到電動汽車在運轉過程中的控制要求。為了使電動汽車平穩可靠地運行，電機控制系統需具有精度高、響應快、轉矩脈動小等特點，使電機輸出平穩的電磁轉矩，從而獲得良好的調速性能。

1系統仿真模型建立

根據矢量控制策略[2]的基本思想：通過坐標變換的方法，可以將永磁同步電機的數學模型等效為直流電機模型，實現電機的數學模型解耦。通過控制器的設計，對電機交軸電流和直軸電流分別進行控制，使永磁同步電機具有直流電機的調速特性。本文采用電流轉速雙閉環的控制結構，根據基于轉子磁鏈定向的矢量控制的基本原理構建永磁同步電機控制系統結構圖[3]，如圖1所示。

在三相坐標系上的定子交流電流iA、iB、iC，通過3/2 變換將三相靜止坐標系轉換到兩相靜止的正交坐標系，從而得到α-β坐標系下的兩相電流isα、isβ;再通過與轉子磁鏈的同步旋轉變換，可以得到旋轉正交坐標系上的直流電流id和交軸電流iq[4]。這樣經過Clark變換、Park變換就實現了定子電流兩個分量的解耦。根據PMSM的數學模型對轉速電流控制器進行設計，對id和iq進行控制，得到期望輸出，經過Park逆變換和SVPWM得到PWM信號，進而控制功率開關管的導通順序，使電機穩定運行[5]。

根據圖1所示控制系統結構圖，在Matlab/Simulink中搭建電機控制系統。圖1中，FBS表示電機轉子速度位置反饋信號檢測。整個系統主要包括PMSM、三相逆變器、轉速電流調節器、坐標變換模塊以及SVPWM調制模塊，其中電機、逆變器直接在Simulink 中調用相應的模型，控制器采用PI控制。系統需要根據電機模型進行設計，搭建坐標變換和SVPWM模塊[6]。

圖1　矢量控制系統結構圖

本設計選擇的PMSM額定功率為 28 kW，額定轉矩為 130 N·m，額定電流為 52 A，轉矩常數為 2.5 Nm/A，轉子轉動慣量為 28.5 kg·m2，額定電壓為 333 V，相電阻為 0.05 Ω，相電感為1 mH，反電動勢為149 V/(krad·min-1)。根據電機參數以及電機調速系統動態結構圖，對電流控制器和轉速控制器進行設計。在Simulink 中構建完整的電機控制系統，如圖2所示。

圖2　永磁同步電機矢量控制系統仿真模型

2永磁同步電機仿真分析

2.1啟動特性仿真

電動汽車的首要性能就是啟動特性。首先，考慮極限狀況，轉速給定突加 2 000 r/min，負載轉矩為100 N·m，觀察電機轉速轉矩特性。在0.2 s負載轉矩突變為150 N·m，觀察電機轉速、轉矩波形變化，如圖3 所示。

由仿真波形可知，電機轉矩響應基本上突變為限幅值，在恒轉矩的條件下，轉速上升時間為0.06 s，超調量小于2%。因此，電機啟動轉速轉矩響應速度快，滿足系統要求指標。在負載轉矩變化時，轉矩迅速超調，轉速波動小于5%，且迅速跟隨給定值，保證轉速不受影響，最終轉速轉矩保持穩定。

圖3　啟動工況波形

仿真結果表明，電機控制系統啟動性能達到要求，抗擾性能好。

2.2制動特性仿真

電動汽車在運行過程中經常會發生頻繁的制動工況，良好的制動性能是電動汽車一個重要的指標。制動性能的好壞甚至關系到人身安全問題，所以系統更需要良好的制動性能。首先，轉速給定突加2 000 r/min，負載轉矩為100 N·m，在0.2 s 負載轉矩突變為150 N·m，0.3 s突加制動信號，使轉速給定為0，觀察電機轉速、轉矩波形變化，如圖4所示。

圖4　制動工況波形

由仿真波形可知，電機制動時，電機電磁轉矩迅速反向，電機轉速在0.02 s內下降為0，且超調量小于5%，說明轉速轉矩響應速度快，超調量小，可以可靠地實現制動功能。仿真結果表明，電機控制系統的制動性能達到系統要求，抗擾性能好。

運用SVPWM控制算法控制三相逆變橋功率管的導通順序，使得輸出的電壓矢量為正六邊形，得到旋轉磁鏈圓[8]。假設旋轉磁場逆時針方向為正方向，則順時針為制動和反轉方向。由于不方便觀察磁鏈的旋轉方向，所以從磁鏈圓和空間矢量輸出的仿真結果無法看出電機是否處在制動過程，但是可以從三相定子電流的相位變化中得到空間矢量輸出以及磁鏈圓反轉的信息。電機穩定運行時，空間矢量以及磁鏈圓三相定子電流是相互對應的，這時ABC三相電流相差120°，如果三相電流相序發生變化，則表明磁鏈圓旋轉方向發生變化，即電機處于制動工況。三相電流相位變化仿真圖如圖5所示。由仿真結果可知，在制動信號發出后，電機三相電流相序顛倒，進行制動。

圖5　制動電流波形

2.3基本工況運行仿真

電動汽車在運行過程中最基本的工況要求就是前進、加減速、剎車、倒車等，要完成這些工況本質上就是要實現電機的四象限運行，即實現電機正向電動、制動和反向電動等要求。因此對電機進行四象限運行仿真驗證。

電機負載轉矩為恒轉矩100 N·m，0.3 s后突變為150 N·m，轉速給定為1 000 r/min，0.2 s 突變為2 000 r/min，0.4 s 轉速給定突變為0，0.5 s突變為-1 000 r/min，在速度給定和轉矩給定下驗證電機運行狀況，仿真結果如圖6所示。

圖6　基本工況運行波形

由轉矩轉速波形可知，電機可以實現多種工況下的穩定運行，而且轉矩轉速響應速度快，穩定運行時靜差范圍在5%以內，符合設計要求。由此可以驗證永磁同步電機可以實現基本工況運行，并且可以達到設計要求。

由SVPWM 控制思想[9]可知，控制開關管導通順序是為了在電機三相繞組中產生旋轉磁場，空間矢量輸出為正六邊形，磁鏈波形為一組同心圓，半徑由轉速決定。而這種情況表現在電機三相定子電流上是三相互差120°的正弦波，幅值與負載轉矩成正比，頻率與轉速成正比。電機三相電流波形圖如圖7所示。

圖7　基本工況電流波形

由永磁同步電機轉矩方程[10]可知，采用id= 0控制時，轉矩與iq成正比，id、iq波形圖如圖8所示。同時由電磁轉矩與交軸電流iq之間呈線性關系可知，當電機處于電動狀態下，iq與電磁轉矩為正，轉速上升；當電機處于制動和反轉時，iq電流和轉矩變為負值，此時轉速也開始下降或反轉。

圖8　交直軸電流波形

3結束語

本文對永磁同步電機在d-q坐標系下數學模型進行分析，采用基于轉子磁鏈定向的矢量控制策略，采用轉速電流雙閉環的控制結構、控制電機直軸電流id=0的控制算法，構建電動汽車控制系統。在Matlab/Simulink 仿真平臺下搭建電機控制系統仿真，并對電機運行工況進行分析。通過仿真，對電動汽車驅動系統不同工況下的啟動性能、調速性能、制動性能以及四象限運行進行驗證，得到仿真結果與理論分析結果相符。

參考文獻

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中圖分類號：TH86;TP273

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602002

修改稿收到日期：2015-04-27。

第一作者趙鋼(1962-)，男，1984年畢業于天津大學冶金分校自動化專業，獲學士學位，教授；主要從事永磁同步電機驅動技術、電動汽車電池管理等方向的研究。