基于凸極效應(yīng)的混合動(dòng)力車用IPMSM無(wú)傳感器控制的設(shè)計(jì)

柏躍程　王政

【摘 要】本文提出了一個(gè)集中繞組式IPMSM的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)基于凸極特性的無(wú)傳感器控制，采用高頻信號(hào)注入法。充分考慮到交叉耦合磁飽和和空間諧波，利用有限元理論檢測(cè)無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)的可行域。可靠性通過(guò)使用兩個(gè)原型來(lái)予以驗(yàn)證。然后，驗(yàn)證IPM電機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)可行域的影響。最后，建立設(shè)計(jì)指導(dǎo)以獲得合適的電機(jī)結(jié)構(gòu)。所提出的設(shè)計(jì)的有效性通過(guò)基于MATLAB/SIMULINK 的動(dòng)態(tài)仿真器進(jìn)行驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】混合動(dòng)力車用電機(jī)；有限元；MATLAB仿真；無(wú)傳感器安全運(yùn)行范圍

Design of Saliency-Based Sensorless Drive IPM Motors for Hybrid Electric Vehicles

BAI Yue-cheng WANG Zheng

（School of Electrical and Information Engineering of Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China）

【Abstract】This paper presents the design of concentrated winding IPMSM under the saliency-based sensorless drive using a high-frequency signal injection. The finite element （FE） analysis is used to examine the feasible region of the sensorless drive. The reliability of the feasible region is verified by experiment using two prototypes. Then， the influence of the IPM motor geometry on the feasible region is examined. Consequently， the design guideline is established to obtain a suitable motor geometry which can maximize the torque capability and stability of the sensorless drive.

【Key words】HEV motor； The finite element （FE） analysis； MATLAB simulation； SSOR

0 引言

混合動(dòng)力汽車中大多應(yīng)用內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)（IPMSM）作為重要的牽引電機(jī)，這是由于它的優(yōu)越的功率密度和高效率。在IPMSM的轉(zhuǎn)矩控制中少不了位置傳感器的影子。IPMSM的多種無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)的原理已經(jīng)被開發(fā)出來(lái)。常用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)位置估計(jì)算法有兩種。一是在中高速應(yīng)用的反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)算法，二是應(yīng)用在低速及零速的基于轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)的方式。然而，第二種方式在重載下并不能較好的運(yùn)行，這是由于轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)受到磁飽和的影響而減弱了。

本文提出一個(gè)混合動(dòng)力汽車牽引電機(jī)的無(wú)傳感器控制的集中繞組IPMSM的設(shè)計(jì)。在無(wú)傳感器控制設(shè)計(jì)中，主要是如何擴(kuò)大運(yùn)行的范圍。我們引入無(wú)傳感器安全運(yùn)行范圍（SSOR），這是為了解釋交叉耦合磁飽和電感分布的諧波。

1 在低速時(shí)無(wú)傳感器控制技術(shù)

1.1 IPMSM的數(shù)學(xué)模型

α-β坐標(biāo)系表示靜止坐標(biāo)系，d-q坐標(biāo)系代表旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。旋轉(zhuǎn)速度和d-q坐標(biāo)系角度轉(zhuǎn)子的速度和轉(zhuǎn)子位置是分別是ω和θ。因?yàn)樵跓o(wú)傳感器運(yùn)行的情況下，實(shí)際的轉(zhuǎn)子位置是不可知的，估計(jì)的γ-δ坐標(biāo)系，以ωe和θe旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行了虛擬定義。轉(zhuǎn)子速度和位置的實(shí)際值和估計(jì)值的差別分別定義為？駐ω=ωe-ω和？駐θ=θe-θ。

磁場(chǎng)定向控制器和解耦合控制器在γ-δ坐標(biāo)系中應(yīng)用，通過(guò)使用在無(wú)傳感器控制系統(tǒng)中得到的估計(jì)值ωe和θe。

這里vd，vq是d-q坐標(biāo)軸上的外加電壓，id，iq是d-q軸電流，R是電樞繞組電阻，Ld，Lq是d-q軸上的電感，KE是反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，p是d/dt 的代替。

假想，一個(gè)超過(guò)基頻足夠高的頻率作為測(cè)試信號(hào)同電壓一同注入，觀測(cè)高頻成分。這里vdh，vqh和idh，iqh分別是d-q坐標(biāo)系中電壓和電流的高頻成分，Ldh，Lqh分別是d軸和q軸上增加的自感。

1.2 傳統(tǒng)的無(wú)傳感器控制技術(shù)

這一部分總結(jié)用以檢測(cè)IPMSM轉(zhuǎn)子位置的脈振電壓矢量技術(shù)。它依賴于轉(zhuǎn)子空間凸極特性的檢測(cè)，同時(shí)利用疊加在基頻電壓上的高頻電壓分量（振幅Vh和頻率ωh）。

如果脈振電壓信號(hào)入到確定的d軸，q軸就會(huì)因?yàn)樽⑷氲碾妷簺](méi)有發(fā)生而產(chǎn)生電流紋波。

可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子位置誤差被放在估計(jì)q軸電流響應(yīng)中。為了把位置誤差從估計(jì)的q軸電流響應(yīng)中提取出來(lái)，采用簡(jiǎn)單外差解調(diào)，位置誤差能從q軸響應(yīng)電流中提取出來(lái)。可以指出的是，誤差信號(hào)與轉(zhuǎn)子位置誤差？駐θ的兩倍的正弦函數(shù)成比例，所以轉(zhuǎn)子位置估計(jì)是可行的。

1.3 交叉耦合效應(yīng)

交叉飽和效應(yīng)由于引入了依賴負(fù)載的位置誤差對(duì)無(wú)傳感器運(yùn)行有著不好的影響的事實(shí)已經(jīng)被廣為報(bào)道。

這里，Ldqh是交叉耦合的動(dòng)態(tài)電感，θm是由交叉飽和效應(yīng)引起的交叉飽和角。在無(wú)傳感器運(yùn)行狀態(tài)下，誤差信號(hào)εf的大小被控制為0；因此，由交叉飽和效應(yīng)引入的位置估計(jì)誤差可以通過(guò)？駐θ=-θm/2獲得。

為了評(píng)估在傳統(tǒng)無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)下的位置估計(jì)誤差的性能，MATLAB/SIMULINK開發(fā)了一個(gè)動(dòng)態(tài)仿真器。仿真中，為了實(shí)現(xiàn)精確地預(yù)估，交叉飽和和電感分布諧波被考慮在內(nèi)。

從中可以看出，？駐θ的平均值和位置相關(guān)變動(dòng)隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩τ的增加而增加，并且穩(wěn)定的無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)不能獲得超過(guò)190%的額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩。因此，需要補(bǔ)償由交叉耦合磁飽和帶來(lái)的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差。

1.4 補(bǔ)償由交叉飽和效應(yīng)帶來(lái)的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)誤差

電感Ldh、Lqh和Ldqh的值隨著電機(jī)工作點(diǎn)的改變而變化，因此誤差信號(hào)的大小依賴于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。結(jié)果，誤差信號(hào)εf的幅值被控制為εf（？駐θ=0°），并且轉(zhuǎn)子位置誤差將會(huì)為0，在Ldqh≠0的情況下。

在測(cè)量中，注入電壓的振幅和它的頻率分別是80V和5kHz。

為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的無(wú)傳感器控制，控制器采用基于誤差信號(hào)幅值里的誤差上的估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置修正。在大多數(shù)IPMSM中，因?yàn)橥箻O特性的存在，誤差信號(hào)εf/？駐θ的傾斜特性將會(huì)與位置估計(jì)誤差在-20°-20°范圍內(nèi)成反比。

這里，Kθ是一個(gè)修正因子，εf 是儲(chǔ)存在查找表參考值，這是預(yù)先由在最大轉(zhuǎn)矩電流比運(yùn)行軌跡下實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的。在目標(biāo)混合動(dòng)力汽車中，控制器只有一個(gè)電流反饋環(huán)。在低速時(shí)，IPMSM沿著最大轉(zhuǎn)矩電流比的跡線運(yùn)行。

2 IPMSM的無(wú)傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)流程

基于以上提到的交叉飽和與空間諧波的影響，下面的點(diǎn)必須在設(shè)計(jì)中考慮到，以增加最大轉(zhuǎn)矩額無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性。

（1）在最大轉(zhuǎn)矩條件下的？駐εf的值應(yīng)當(dāng)盡可能的大。

（2）為減小穩(wěn)態(tài)位置誤差，誤差信號(hào)的εf幅值的波動(dòng)應(yīng)當(dāng)被減小的值應(yīng)當(dāng)盡可能的小。

設(shè)計(jì)流程如下：

轉(zhuǎn)子齒寬βR應(yīng)當(dāng)通過(guò)考慮到使用嵌入式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的lm=6mm的固定值。嵌入式磁鐵的深度必須根據(jù)與固定轉(zhuǎn)子齒距βR來(lái)設(shè)計(jì)。定子軛寬與齒寬的比值應(yīng)當(dāng)被設(shè)計(jì)以減小電感變量。在下面的設(shè)計(jì)研究中，使用了有限元封裝。

2.2 轉(zhuǎn)子齒距

定子齒寬Ts為18mm，定子扼寬為12.97mm，在所有模型里都是同樣的。βR從3° 增加到 13°。在下面的設(shè)計(jì)中，βR-opt=5°作為最優(yōu)解使用。

2.3 嵌入式永磁的深度

永磁的尺寸（lm=6mm，wm=33mm）、轉(zhuǎn)子齒開度（βR=5°，wrt=8.1mm）在所有模型中都是一樣的。深度d從2.6mm變化到5.8mm。

和內(nèi)置永磁轉(zhuǎn)子相比，內(nèi)嵌永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的估計(jì)指數(shù)較小。然而，弧形磁鐵花費(fèi)太大，制造困難。所以，本設(shè)計(jì)中使用帶有平面磁鐵的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子。內(nèi)嵌式磁鐵深度d的增加在？駐εf不符合要求，有兩個(gè)原因：

（1）Ldh隨著d的增加而增加

（2）因?yàn)閝軸明顯的電感隨著d的增加而增加，Lqh隨著d的增加而減小，這是由于q軸磁飽和。

最終，深度d應(yīng)當(dāng)盡可能的小，以增大SSOR。

2.4 定子扼寬與齒寬的比值

永磁的尺寸（lm=6mm，wm=33mm）深度d（=2.6mm），轉(zhuǎn)子齒開度（βR=5°，wrt=8.1mm）在所有的模型中是一樣的。比值η在固定定子槽區(qū)域Sslot內(nèi)從0.4變化到0.72。？駐S在？駐εf>0時(shí)取到最小值的最優(yōu)比值η=0.5。在η=0.5的前提下，定子中的磁通密度相比于其他三種電機(jī)類型較低。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果

3.1 轉(zhuǎn)矩特性

設(shè)計(jì)的電機(jī)實(shí)現(xiàn)了最大的轉(zhuǎn)矩期望在目標(biāo)混合動(dòng)力車應(yīng)用。

3.2 無(wú)傳感器控制可運(yùn)行區(qū)域

在文獻(xiàn)[5]中，Ldif>0是由無(wú)傳感器位置監(jiān)測(cè)的可運(yùn)行區(qū)域定義的。基于此，設(shè)計(jì)電機(jī)最大的轉(zhuǎn)矩在80Nm左右。然而，基于式15的最大的轉(zhuǎn)矩容量超過(guò)100Nm。20Nm的轉(zhuǎn)矩差別是由于考慮到控制器的動(dòng)態(tài)特性，包括估計(jì)轉(zhuǎn)子位置的修正所造成的。因此，設(shè)計(jì)的電機(jī)實(shí)現(xiàn)了必要的最大轉(zhuǎn)矩的要求。

3.3 位置無(wú)傳感器起動(dòng)特性

為了評(píng)估無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)的性能，我們?cè)贛ATLAB/SIMULINK平臺(tái)上開發(fā)了一個(gè)動(dòng)態(tài)仿真器。在仿真中，考慮交叉飽和與電感分布諧波以實(shí)現(xiàn)精確地預(yù)計(jì)。通過(guò)比較測(cè)量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果來(lái)驗(yàn)證動(dòng)態(tài)仿真器的精確度。

在100r/min時(shí)負(fù)載情況下，測(cè)試信號(hào)是在200ms內(nèi)參考轉(zhuǎn)矩從0增加到100NM。這些負(fù)載變化在目標(biāo)應(yīng)用中是標(biāo)準(zhǔn)的要求。位置估計(jì)誤差？駐θ在一個(gè)負(fù)載變化后增加，收斂于一個(gè)穩(wěn)態(tài)水平（穩(wěn)態(tài)位置誤差在±15°范圍內(nèi)）。設(shè)計(jì)的電機(jī)能達(dá)到期望的表現(xiàn)性能。

4 結(jié)論

我們提出了一個(gè)應(yīng)用于混合動(dòng)力車應(yīng)用的基于凸極特性的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。利用仿真以研究電機(jī)結(jié)構(gòu)如何影響SSOR。結(jié)論是，推導(dǎo)出了集中繞組式內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的無(wú)傳感器控制的指導(dǎo)方針。100NM、10kW、12極、18槽的IPM電機(jī)正好滿足了目標(biāo)混合動(dòng)力車應(yīng)用設(shè)計(jì)需求。所提出的設(shè)計(jì)的有效應(yīng)通過(guò)基于MATLAB/SIMULINK的動(dòng)態(tài)仿真器驗(yàn)證。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]