新能源汽車散熱風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真研究

張 程， 金 濤

（1.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)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(duì)電池進(jìn)行強(qiáng)制散熱以保證其動(dòng)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(jī)，以外轉(zhuǎn)子式的三相永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。永磁同步電機(jī)（PMSM）具有體積小、重量輕、能量轉(zhuǎn)換效率高、運(yùn)行可靠性高、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐步取代直流伺服電動(dòng)機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型對(duì)驗(yàn)證各種控制算法、優(yōu)化整個(gè)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(qiáng)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(guò)對(duì)實(shí)例電機(jī)的仿真，給出了各種仿真波形，為實(shí)際新能源汽車蓄電池的可靠散熱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)在忽略鐵心飽和與電機(jī)繞組漏感，并且假設(shè)氣隙中磁勢(shì)呈正弦分布，同時(shí)又忽略磁場(chǎng)高次諧波的情況下，運(yùn)用坐標(biāo)變換理論，可以得到在同步旋轉(zhuǎn)d－q坐標(biāo)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(jī)械運(yùn)動(dòng)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(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；

Tl——負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

J——電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

p——電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)；

ωm——機(jī)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(jì)

系統(tǒng)使用轉(zhuǎn)速－電流雙閉環(huán)控制方案[4]，考慮到PMSM進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)的強(qiáng)耦合、時(shí)變、非線性等特點(diǎn)，在內(nèi)環(huán)對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制，為了增強(qiáng)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(biāo)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(jī)的散熱風(fēng)扇控制系統(tǒng)分為若干個(gè)功能不同且獨(dú)立的子模塊，主要包括速度控制器模塊、矢量控制模塊、坐標(biāo)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(guò)這些功能模塊的有機(jī)組合，建立永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制。

根據(jù)永磁同步電機(jī)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(kù)，在分析永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立永磁同步電機(jī)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(duì)它進(jìn)行相應(yīng)的仿真分析。選擇合適的輸入源模塊做信號(hào)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(diǎn)擊菜單欄Simulation上的Start命令開(kāi)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(lái)修正不符合要求的仿真結(jié)果，繼續(xù)進(jìn)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(jiǎn)單，由PI調(diào)節(jié)器和限幅輸出模塊組成。通過(guò)反復(fù)調(diào)整使Kp=11.7，Ki=140，讓系統(tǒng)輸出達(dá)到最佳狀態(tài)。電流調(diào)節(jié)其實(shí)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(biāo)變換模塊

坐標(biāo)變換模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。坐標(biāo)變換模塊實(shí)現(xiàn)的是d-q軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相電流向abc靜止坐標(biāo)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(biāo)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(hào)，可以采用Matlab7.0的Simulink中的SimPowerSystem模塊庫(kù)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和性能分析，以驗(yàn)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(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為 15.2 kHz，負(fù)載轉(zhuǎn)矩起始值為0.5N·m，在0.1s時(shí)降至0.2N·m，仿真時(shí)間 t＝0.2s，當(dāng)參考速度 speed（ref）=2000r/min 時(shí)，由示波器觀測(cè)各參數(shù)波形圖，仿真結(jié)果如圖5所示。

永磁同步電機(jī)的參數(shù)[7]設(shè)置如表1所示。

從圖5（a）中可以看出電機(jī)在啟動(dòng)后的0.02s內(nèi)轉(zhuǎn)速快速上升，并在經(jīng)過(guò)0.01s的波動(dòng)之后迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)響應(yīng)較快且較平穩(wěn)，實(shí)際轉(zhuǎn)速能快速跟蹤參考轉(zhuǎn)速幾乎無(wú)超調(diào)，電機(jī)動(dòng)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?yàn)殡姍C(jī)啟動(dòng)初期轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(shí)間內(nèi)起到制動(dòng)作用。當(dāng)牽引轉(zhuǎn)矩小于制動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)總轉(zhuǎn)矩下降，從而出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，此時(shí)轉(zhuǎn)矩值為0.5 N·m，在0.1 s突降為0.2N·m的負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)矩和電流均有相應(yīng)響應(yīng)，但經(jīng)過(guò)短暫的波動(dòng)之后均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩能跟蹤負(fù)載轉(zhuǎn)矩，穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)矩和電流略有波動(dòng)，但基本平穩(wěn)。圖5（d）為電機(jī)的機(jī)械特性曲線，可以看出機(jī)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(jī)械特性曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

在分析永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上，建立了電機(jī)的數(shù)學(xué)方程，通過(guò)數(shù)學(xué)的方法去研究永磁同步電機(jī)，并在Matlab/Simulink里搭建模型進(jìn)行仿真。由電機(jī)仿真波形可以看出，系統(tǒng)具有調(diào)速范圍較寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、穩(wěn)態(tài)誤差較小的特點(diǎn)[8-9]，這與實(shí)際散熱風(fēng)扇的運(yùn)行狀態(tài)是一致的，系統(tǒng)起動(dòng)后保持恒定轉(zhuǎn)矩，突加擾動(dòng)時(shí)系統(tǒng)波動(dòng)較小，充分說(shuō)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(dòng)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)提供了新穎的思路。

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