混合動力電動汽車驅動電機控制器硬件在環仿真研究

童大權

摘 要：文章以混合動力電動汽車用永磁同步電機控制器為研究對象，采用硬件在環原理，借助Simulink仿真軟件，設計了一種在dq坐標系下簡化模型，設計了包含RT-LAB目標機和DSP電機控制器兩部分的硬件在環仿真平臺，通過電機定子電流數值仿真結果，可以得出硬件在環仿真模型的可行性和準確性，降低了產品開發的成本和周期，具有很好的理論和實踐價值。

關鍵詞：HEV;電機控制器;HIL

中圖分類號：U462.1? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）17-69-04

Study of Hardware-in-the-loop Simulation on Hybrid Electric Vehicle Drive

Motor Controller*

Tong Daquan

（ School of Vehicle Engineering， Hunan Automotive Engineering Vocational College， Hunan Zhuzhou 412001 ）

Abstract： The Article permanent magnet synchronous motor controller for hybrid electric vehicle is taken as the research object， and the hardware is adopted. Based on the principle of loop， a simplified model in dq coordinate system is designed with the help of Simulink simulation software. A hardware-in-the-loop simulation platform including RT-LAB target machine and DSP motor controller is designed. The feasibility and accuracy of hardware-in-the-loop simulation model reduces the cost and cycle of product development， and has good theoretical and practical value.

Keywords： HEV; Motor controller; HIL

CLC NO.： U462.1? Document Code： B? Article ID： 1671-7988（2020）17-69-04

1 引言

環境問題一直是困擾全球的實質性問題，另一方面全球石油資源在未來的可持續性可能性越來越低，因此針對新能源汽車的發展戰略勢在必行。混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）的產業化時代已經到來，為了提高市場競爭的優勢，擴大市場規模，相關的混合動力系統研究日益緊迫，包括總成開發、協調控制、能量管理等關鍵技術，發動機和電動機進一步的融合等，都是為了進一步提高性價比，破解混合動力汽車目前存在的難題，提高混合動力汽車整個體系的保障等機制。硬件在環仿真（harware-in-the-loop simulation，HIL），為了在實驗環境中進行仿真測試，減輕前期研發成本，采用實時仿真系統進行仿真模擬，將真實的控制器與仿真系統結合成一體，從而達到閉環控制的目的，從而避免了對電機、變流器以及傳感器的使用。本文以硬件在環仿真平臺為基礎，以混合動力汽車驅動電機控制器為應用對象，通過對驅動電機控制器的硬件在環仿真進行研究，相關成果可以為未來混合動力汽車乃至其他新能源車輛驅動系統的研究提供新的借鑒，并可以進一步引申作為相關的電機驅動系統硬件在環仿真試驗方法進行推廣使用。

2 混合動力汽車驅動電機的動態數學模型

永磁同步電機是混合動力汽車主要采用的動力驅動系統，為了保證對整個試驗系統的研究的準確性，要保證其特性的準確反映，這就要對該模型進一步研究、細化[1]。

2.1 相坐標下永磁同步電機的數學模型

（1）電壓方程

（1）

式中：μa、μb、μc為三相繞組的相電壓（V），ia、ib、ic為三相繞組的相電流（A），Rs為每相繞組的電阻（Ω），ψa、ψb、ψc為三相繞組的磁鏈（Vs），p為微分算子。

（2）磁鏈方程[2]

（2）

式中：Laa、Lbb、Lcc為每相繞組的自感（H），Mab、Mac、Mca、Mcb分別為兩相繞組之間的互感（H），ψfa、ψfb、ψfc為與三相繞組交鏈的永磁體磁鏈（Vs）。

2.2 dq坐標下永磁同步電機的數學模型

（1）定子電壓和磁鏈方程[3]

定子電流空間矢量如式3所示。

（3）

其中， 。在 ABC 坐標系中，同理定義定子電壓空間矢量如式4所示。

（4）

其中， ，Ls為等效同步電感，θr為ψf為相位角， Rs為定子相電阻。

dq軸坐標電壓方程如式5和式6所示。

（5）

（6）

式中：ψd，ψq分別為定子磁鏈的d軸和q軸分量;ωr=npωm為轉子的電角度;np為電動機的極對數;ωm為轉子的機械角速度;ud，uq為定子電壓矢量 的直軸d和交軸q的分量;Rs為定子繞組的電阻;id，iq分別是定子電流的d軸和q軸分量;p為微分算子， 。磁鏈方程如式7和式8所示。

（7）

（8）

式中： ; 。Lsσ為dq繞組漏感，Ld、Lmd、Lq、Lmq分別為dq軸系的定子繞組的自感、勵磁電感。

（2）轉矩方程

電磁轉矩的矢量表達式為：

（9）

若?? 用以dq軸表示，則有?? 得：

（10）

將磁鏈方程 代入電磁轉矩方程有：

（11）

其中， 為定子磁阻相對于轉子磁鏈旋轉角速度，即 是 相對于 的初始角， 為轉矩角的變化量， Ld=Lq=Ls，磁阻轉矩分量為 0，對公式11兩邊求導，得電機轉矩在t=0時刻的增長率為：

（12）

當保持 恒定時，公式12表明轉矩隨轉矩角的增加而增加。

根據上文敘述研究分析，可以確定的是，在對轉矩角進行操作的時候，定子磁鏈的旋轉速度和方向也可以同步進行操作。

3 混合動力汽車驅動電機控制器硬件在環仿真

目標機是對永磁電動機進行仿真的核心部分有永磁同步電機和逆變器兩部分，通過RT-LAB運行仿真模型，而其控制過程則通過控制器實現，控制器采用的是DSP控制器，可以針對目標機中的電流與位置信號進行計算，然后控制仿真模型，完成整個系統的控制過程，控制器的核心部件使用的是TI公司的TMS32F2812芯片[4]～[6]。

3.1 仿真模型的建立

選擇Matlab/Simulink為離線仿真工具，首先進行仿真模型的構建工作。在模型的選擇上，電機選擇了JMAG-RT電機模型，逆變器選擇了RT-EVENT的帶時間戳的三相橋，電機的控制策略為矢量控制方法具體如圖1所示[7]。

如圖2所示，準備進行系統的調試工作，按照相關的規則完成操作。

RT-LAB主控界面及操作步驟：

（1）選擇模型（Open Model）：選擇相關模型，準備下一步操作;

（2）編輯（Edit）：按規則進行相關修改;

（3）模型編譯（Compile）：目的是形成目標文件，通過對模型進行編譯操作，最后獲取文件;

（4）節點分配（Assign Nodes）：目的是實現各個子系統的同步運行仿真，所以對具體的實時模型進行分配的過程;

（5）模型下載（Load）：下載文件到目標機中，進行下一步的準備工作;

（6）模型運行（Execute）：進行實時仿真，可以同時進行監控和修改模型的參數值;

（7）重置（Reset）：模型自動重置，重新傳遞數據。

3.2 仿真結果的分析

仿真的參數是：控制器的開關頻率為10kHz，死區時間為3.2μs，電機控制的算法為id=0矢量控制方法。模型的參數：直流母線電壓為538V，永磁同步電機參數為根據樣機建立的有限元分析JMAG-RT模型[8]。實時仿真模型運行的步長為20μs。

運行狀態1：電機初始運行轉速為300r/min，負載轉矩為3 Nm，在0.15s加速到500r/min，電機的轉速和電磁轉矩如圖3所示，永磁同步電機定子三相電流如圖4所示。

運行狀態2：電機初始運行轉速為300r/min，負載轉矩為3 Nm，在0.15s加速到400r/min，電機的轉速和電磁轉矩如圖5所示，永磁同步電機定子三相電流如圖6所示。

永磁電機的齒諧波次數v：

（13）

式中Z為定子槽數，k=1，2，3…，p為極對數。

根據13式，進行運算，當k=1，Z=24，p=2時，可以算得v的值為12±1次，據此進行下面的運算。對定子三相穩態電流進行相關研究分析，如表1所示。

4 結論

根據主次區分，選擇合適的理想模型，就電機數學模型進行推導，通過對永磁同步電機的動態數學模型的建立，保證了對整個仿真系統研究的準確性;

硬件在環仿真平臺的搭建。平臺系統構建了對應的仿真模型，對模型進行了相應的研究和搭建過程，通過搭建的控制器模型來對系統平臺進行控制，完成了整個平臺的搭建過程;

通過硬件在環仿真平臺最后展現的結果，對定子三相穩態電流進行了具體分析，得到了相關準確數值，可以確定在精度方面，硬件在環仿真已經能夠滿足系統需求，效果較好。

參考文獻

[1] 陳志新，曲白雪，張榮輝等.DCT電控系統硬件在環自動化測試平臺研究與應用[J].汽車技術，2017（07）.

[2] 成銘.永磁同步電機驅動系統硬件在環半實物仿真平臺研究[D].北京交通大學，2016.

[3] 林潛.永磁同步電機驅動系統的硬件在環半實物仿真平臺研究[D].北京交通大學，2014.

[4] 李磊.混合動力車用永磁同步電機控制策略研究及RCP在環仿真[D].湖南大學，2012.

[5] 朱魯佳.電動汽車用永磁同步電機驅動系統的高性能控制[J].電機與控制運用，2015，42（2）：56-59.

[6] Wang Z F， Yang J Z， Cao C， Gu Z L. Phase-phase short fault analysis of permanent magnet synchronous motor in electric vehicles. Energy Procedia， 2016（88）： 915-920.

[7] C. C. Chan， J. Z. Jiang. Novel wide range speed control of permanent magnet brushless motor drive. IEEE Trans. on Power Electronics. 2015，Vol 10（5）：539-546.

[8] Harnefors L.， Nee H. P. Model-based current control of AC machines using the internal model control method. IEEE Trans. on Industry Applications. 2016，Vol 34（l）：133-141.