新能源汽車驅動電機特性分析與研究
2025-11-12 00:00:00王東亮肖紅何智成羅鈿杜遙
專用汽車 2025年10期
Characteristic Analysis and Research of Drive Motors for New Energy Vehicles
Wang Dongliang1Xiao Hong2 He Zhicheng3Luo Tian’ Du Yao1 1.SchoolofAutomotive Engineering，Lanzhou Instituteof Technology，Lanzhou 73oo5o，China 2.School of Automotive Engineering，Chengdu Industry and Trade College，Chengdu 611731，China 3.College ofMechanical and Vehicle Engineering，Hunan University，Changsha 41oo82，China
Abstract：Adressngtherequirementsforelectricdriveoptimizationandmatchingdesign innewenergyvehicles，thispaperfocusesonthepermanentmagnetsynchronousmotor（PMSM）astheresearchobject，conductingsimulationmodelingandanalysisof its operationalcharacteristics.Basedonthecoordinatetransformationtheory，amathematicalmodeloftePMSMisdevelopedSubsequently，acomprehensive motorsystemsimulationmodelisconstructedusingsimulationsofware.Utilizingtis model，thedamic responsecharacteristicsduringthemotorstartingprocssandundertorquestepchangeconditionsarespecificallyanalyzed.Theesults demonstratethatthestudiedPMSMdrivesystemexhibitsexcelentstartingperformanceanddynamicstability，nablingrapidrecovery to steady-state operation under load disturbances.
Keywords：New energy vehicles;PMSM;Simulation modeling;Characteristic analysis
1前言
隨著全球不可再生能源消耗的快速增長以及環(huán)境問題的日益凸顯，新能源汽車受到了廣泛的關注并且正在快速發(fā)展壯大[1-2]]
驅動電機作為電動汽車的核心部件，與整車的動力性能和運行經濟性密切相關。因此，在針對電動汽車的動力匹配設計、性能分析以及產品開發(fā)中，必須首先要全面深人掌握驅動電機的運行特性。
基于此，本文以電動汽車使用的永磁同步電機為研究對象，依據數學理論方程在仿真軟件中進行建模分析，研究驅動電機在不同工況下的運行規(guī)律和基本特性。該研究方法完整展示了電機仿真建模分析中坐標變換理論和矢量方程的重要作用，為獲得合理、可信的仿真結果提供了有力支撐。
2車用驅動電機
目前，新能源汽車常用的驅動電機主要有四種類型，分別是直流電機、感應電機、永磁同步電機和開關磁阻電機2，其外形如圖1所示。
圖1車用驅動電機
不同類型的驅動電機具有的性能也各有差異，其簡單對比如表1所示[2]。在新能源汽車驅動電機的選用中，往往需要考查車輛的工況和電機的性能特點[3]。
表1不同類型驅動電機性能對比
3永磁同步電機建模
永磁同步電機通過安裝在轉子上的永磁體建立起隨轉子同步旋轉的轉子磁場，按照永磁體的安裝形式，通常分為面裝式和內置式兩大類。由于內置式的結構既有利于弱磁運行，擴展速度范圍，又可降低成本，所以，車用PMSM以內置式為主[4]
3.1坐標變換
在永磁同步電機建模過程中需要對自然坐標系下的基本方程線性變換為 dq 軸系，所以，此處首先對坐標變換理論進行仿真分析[5]。
a.從靜止ABC軸系到靜止 αβ 軸系。
將三相 ABC 坐標系下的物理量變換到兩相靜止αβ軸系時，坐標分量之間的對應關系，如圖2所示。
圖2靜止 ABC，aβ 軸系與任意同步旋轉 dq 軸系坐標分量之間的對應關系表達式如下：
式（1）也稱為Clark變換。
b.從靜止 αβ 軸系到任意同步旋轉 dq 軸系。
將兩相靜止 αβ 軸系下的物理量變換到任意同步旋轉 dq 軸系時，坐標分量之間的對應關系為：
式（2）也稱為Park變換。
c.坐標變換模型仿真。
根據式（1）式（2），在MATLAB中建立，如圖3所示的仿真模型。
圖3坐標變換仿真模型
仿真輸入信號為三相交流信號，幅值100，頻率50Hz ，如圖4所示。
圖4仿真輸入三相交流信號
運行仿真模型，則可得到圖5所示的Clark變換仿真結果和圖6所示的Park變換仿真結果。
圖5Clark變換仿真結果
圖6Park變換仿真結果
從圖5可以看出，三相 ABC 信號經Clark變換后得到兩相信號，且 α 超前 β 為 90° 業(yè)
由圖6可見，兩相 αβ 軸系信號變換到任意同步旋轉 dq 軸系后，已將定子二相繞組中的對稱正弦電流變換為了 dq 軸系定子二相繞組中的恒定直流，實現了解耦，有利于電機的控制。
3.2三相PMSM數學模型
圖7所示為二極內置式PMSM等效物理模型，電機各矢量已進行了標注，則三相PMSM的數學模型可通過對這些物理量之間建立合理的矢量方程來進行描述[6-7]。
圖7二極內置式PMSM等效物理模型電機定子磁鏈矢量方程可表示為：
ψs=Lsis+ψf
定子電壓方程為：
定子電壓方程在同步坐標系 dq 下的分解：
磁場儲能可以用磁共能進行表征，通常選擇以電流為自變量，對磁鏈進行積分，得到磁共能的表達式：
磁共能對轉子位置 θr 的偏導即為PMSM的電磁轉矩：
對于PMSM在同步旋轉 DQ 軸系下，代入上式中，則可得到采用轉子同步坐標表示的轉矩方程：
電機的機械運動方程為：
式中， ω?m 為電機的機械角速度， rad/s;J 則代表轉動慣量， kg?m2;B 在此處被定義為阻尼系數；而 TL 則指的是負載轉矩， N?m 。
3.3永磁同步電機仿真模型搭建
永磁同步電機仿真模型采用分模塊分區(qū)域的方式進行搭建，下面對建模進行簡要分析。
首先，建立PMSM本體模型及其輸入輸出模塊，如圖8所示。電機的輸入以峰值311V的直流電壓源進行供電，通入三相逆變橋后，生成電機所需的三相交流信號，供給定子三相繞組，形成旋轉磁場。電機的輸出信號包含轉速、扭矩、三相電流、轉角等物理量。
圖8電機仿真模型（1）
其次，將電機的輸出轉速信號和三相電流 ia?ib?ic 引入Clark模塊與Park模塊，并經過轉速環(huán)PI調節(jié)器、電流環(huán)PI調節(jié)器以及SVPWM算法，生成6路電壓信號，從而對三相逆變橋進行有效地控制，其模型如圖9所示。
圖9電機仿真模型（2）
在模型中多次用到了坐標變換， ud?uq 的計算是基于式（2）～式（5），模型如圖10所示。
圖10電機仿真模型（3）
最后，按表2所示的內容，對電機主要參數進行了設置，形成圖11所示的PMSM仿真模型。
表2PMSM仿真模型主要參數
4永磁同步電機仿真分析
為了開展PMSM的模型仿真分析，設定如下仿真條件：參考轉速為 Nref=1000r/min 。在仿真開始時，將負載轉矩 TL 初始化為 TL=0N?m ，隨后在仿真時間 t=0.2 S時，將負載轉矩 TL 調整為 TL=10N?m 。
運行模型后得到的仿真結果如圖12～圖15所示。
圖11建立的PMSM仿真模型
圖12電機轉速 n 變化曲線
圖13電機電磁轉矩 Te 變化曲線
由仿真結果可知，在空載啟動階段，電機轉速從0快速上升至設定的轉速，并出現小幅超調后，在0.05s的時間內達到了穩(wěn)定轉速 1000r/min 。可見，該電機具有迅捷的動態(tài)響應能力。
在扭矩突變工況下，當 t=0.2 s時，面對突增的負載轉矩，電機轉速能夠迅速調整并回歸至預設的轉速。所以，該永磁同步電機系統(tǒng)在動態(tài)工況中具有良好的工作穩(wěn)定性以及應對負載擾動和轉速指令變化的綜合控制能力[7]。
圖14電機三相電流 ia，jb，ic 變化曲線
圖15電機d、q軸電流 
變化曲線
轉矩曲線和電流大小在啟動的短暫時刻會產生明顯的波動，隨后按照預設的狀態(tài)進行變化。圖15中 d 軸電流變化曲線是由于系統(tǒng)采用 id=0 控制，由于 q 軸與轉子磁場垂直， iq"與轉矩成正比，電機控制中通過調節(jié) iq"可直接控制轉矩。
5結語
通過MATLAB/Simulink軟件進行建模仿真，觀察到三相ABC信號經Clark變換與Park變換后可得到 dq 軸系定子二相繞組中的恒定直流，實現了解耦，利用 iq"與轉矩成正比的特點，在電機控制中可直接調節(jié) iq"控制轉矩。同時，電機仿真結果表明，該永磁同步電機系統(tǒng)具有良好的工作穩(wěn)定性以及抵抗負載擾動的能力。
參考文獻：
[1]趙升噸，鄭臻皓，杜威，等.電動汽車高效節(jié)能驅動與傳動系統(tǒng)研究進展[J].西安交通大學學報，2025，59（4）：1-15.
[2]故浩浩，吳杞康，鮑久圣，等.新能源汽車驅動電機技術現狀及混合勵磁研究進展[J].電機與控制應用，2025，52（1：36-51.
[3]王雯靜.電動汽車用永磁同步電機調速控制策略研究[D」.武漢：武漢理工大學，2023.
[4]賈廣隆，鞠孝偉，趙澤，等.電動汽車用集中驅動電機技術發(fā)展綜述[J].沈陽工業(yè)大學學報，2024，46（5）：526-540.
[5]陳裕楠，楊卓，羅達.基于Simulink的永磁同步電機直接轉矩控制仿真研究[J].船電技術，2024，44（9）：38-43.
[6]宋昱霖.新能源汽車永磁同步電機驅動控制系統(tǒng)設計[D].長春：中國科學院大學（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所），2021.
[7]周平，熊淑秋，安文俊，等.永磁同步電機SVPWM矢量控制仿真研究[J].黃河科技學院學報，2024，26（11）：39-42.
