基于DSP的混合動(dòng)力汽車(chē)永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)

夏若飛，祝龍記，朱 紅，陸 康

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南232001）

1 前言

由于當(dāng)今社會(huì)所面臨的能源和環(huán)境雙重壓力，要求人類(lèi)必須更加合理的利用能源，減少污染氣體的排放，因此開(kāi)發(fā)新能源汽車(chē)得到了全世界的關(guān)注[1]。到目前為止，電動(dòng)汽車(chē)根據(jù)其能量來(lái)源可分為純電動(dòng)汽車(chē)、氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)。常用的電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)有：永磁同步電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)[2]。由于混合動(dòng)力汽車(chē)采用電動(dòng)力源和發(fā)動(dòng)機(jī)雙重裝置，所以可顯著提高續(xù)航里程。傳統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車(chē)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速響應(yīng)和靜態(tài)特性不是很好，因此還有待于提高。

相對(duì)于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩較大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低損高效，調(diào)速性能較好[3]。高性能的永磁同步電機(jī)控制方法主要有直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制。直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子靜止坐標(biāo)系下，通過(guò)檢測(cè)到的定子電壓和電流，計(jì)算與控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩[4]。而矢量控制是將交流電機(jī)通過(guò)坐標(biāo)變換等效成直流電機(jī)，用直流電機(jī)的控制方法來(lái)控制交流電機(jī)，但是永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)會(huì)相對(duì)復(fù)雜一些。

本文采用雙閉環(huán)控制混合動(dòng)力汽車(chē)的永磁同步電機(jī)，設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

2 控制原理

電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由電池、三相鼠籠型永磁同步電機(jī)、三相電壓型PWM逆變器、微處理器和伺服系統(tǒng)構(gòu)成。采用的30 kW三相四極的3 600 r/min的水冷和風(fēng)冷永磁同步電機(jī)是與312 V的電源匹配的。伺服系統(tǒng)主要包括冷卻系統(tǒng)和指示系統(tǒng)[5]。

按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制基本思路是利用坐標(biāo)變換，通過(guò)按轉(zhuǎn)子定向的同步變換正交坐標(biāo)系，得出等效的直流電動(dòng)機(jī)模型，這樣就可以使用對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制方法來(lái)控制磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，再反變換到三相坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)量，實(shí)施控制。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The drive control system structure of permanent magnet synchronous motor

在圖2中，ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，AΨR為轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器；ACMR為定子電流勵(lì)磁構(gòu)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為轉(zhuǎn)子磁鏈環(huán)或轉(zhuǎn)速環(huán)，轉(zhuǎn)子磁鏈給定與實(shí)際轉(zhuǎn)速有關(guān)；ACTR為定子電流勵(lì)磁分量調(diào)節(jié)器；FBS為轉(zhuǎn)速傳感器。對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速而言，均表現(xiàn)為雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[6]。在額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鏈給定保持恒定；在額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鏈給定相應(yīng)減小。將檢測(cè)到的三相電流施行3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換，得到mt坐標(biāo)系中的電流ism和ist。采用PI調(diào)節(jié)軟件構(gòu)成電流閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器的輸出為電子電壓給定值和，經(jīng)過(guò)反旋轉(zhuǎn)變換得到靜止兩相坐標(biāo)系的定子電壓給定值和，再經(jīng)過(guò) SVPWM 控制逆變器輸出三相電壓。

圖2 定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[7]Fig.2 The closed-loop control structure of stator current excitation and torque component of the vector control system[7]

3 數(shù)學(xué)模型

盡管永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，但由于其數(shù)據(jù)的數(shù)量龐大而且是非線性的，而且存在耦合關(guān)系，所以它的數(shù)學(xué)模型很復(fù)雜。如圖3所示，A，B，C三相靜止坐標(biāo)系可以轉(zhuǎn)換成α，β兩相靜止坐標(biāo)系，而且a軸和α軸同向。若用M軸表示轉(zhuǎn)子磁鏈ψ*r，則可以把α，β兩相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成M，T兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（M，T）中，三相鼠籠型永磁同步電機(jī)的電壓方程可以用式（1）表示

圖3中，靜止的空間矢量is可以分解為沿M軸的勵(lì)磁電流和沿T軸的轉(zhuǎn)矩電流。永磁同步電機(jī)的磁鏈方程見(jiàn)式（2）

在式（1）、式（2）中，Rs是單位靜止電阻；Rr是單位旋轉(zhuǎn)電阻；Ls是單位靜止電感；Lr是單位旋轉(zhuǎn)電感；Lm是單位互感；p為積分算子；uM、uT分別為M軸和T軸的靜止電壓；im、it分別為M軸和T軸的旋轉(zhuǎn)電流；iM、iT分別為M軸和T軸的靜止電流；ωs為同步頻率；ωr為旋轉(zhuǎn)頻率；ωs1=ωs-ωr，為相對(duì)頻率；ψM是M軸的靜止磁鏈；ψT是T軸的靜止磁鏈；ψm是M軸的旋轉(zhuǎn)磁鏈。

圖3 電流和電壓與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系M，T以及靜止坐標(biāo)系a，b，c的關(guān)系Fig.3 The relationship among current and voltage，the rotating coordinate system M，T and stationary coordinate system a，b，c

從式（1）、（2）中，可以推斷出旋轉(zhuǎn)磁鏈ψ和轉(zhuǎn)矩Te的公式

式（3）、式（4）中Tr=Lr/Rr為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，p為極對(duì)數(shù)。

由式（3），式（4）可推得

可見(jiàn)，轉(zhuǎn)矩Te取決于靜止電流iM和iT。

4 仿真研究

為了驗(yàn)證在該矢量控制系統(tǒng)的控制下，永磁同步電機(jī)的性能，在MATLAB的環(huán)境下仿真，并做進(jìn)一步的分析。

4.1 轉(zhuǎn)速階躍變化的性能測(cè)試

將負(fù)載設(shè)定為4.8 N·m，轉(zhuǎn)速設(shè)定在5.8 s由50 r/min突增到100 r/m in，測(cè)得的相電流波形和轉(zhuǎn)速曲線如圖4所示。

4.2 負(fù)載階躍變化的性能測(cè)試

將轉(zhuǎn)速設(shè)定為100 r/m in，負(fù)載設(shè)定在5.8 s由空載突增到4.8 N·m，測(cè)得的相電流波形和轉(zhuǎn)速曲線如圖5所示。

圖4 轉(zhuǎn)速階躍變化的相電流波形和轉(zhuǎn)速曲線Fig.4 Phase current waveform sand speed curve when step changes of rotational speed

圖5 負(fù)載階躍變化的相電流波形和轉(zhuǎn)速曲線Fig.5 Phase current waveform sand speed curve when step changes of load

圖4表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生突增時(shí)，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速在0.05 s后就達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，響應(yīng)時(shí)間很短。電流波形表明在經(jīng)過(guò)0.1 s以后也達(dá)到新的穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間短，而且電流響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)速和電流的超調(diào)量都小。圖5則表明，當(dāng)負(fù)載發(fā)生突增時(shí)，電流波形的變化反映了轉(zhuǎn)矩的變化。而且轉(zhuǎn)速響應(yīng)波動(dòng)較小，動(dòng)態(tài)性能較快。以上結(jié)果表明，該永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)具有很好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)的混合動(dòng)力汽車(chē)基礎(chǔ)上，采用了一種基于DSP的矢量控制方案。通過(guò)系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明系統(tǒng)能平穩(wěn)的運(yùn)行，改進(jìn)的矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速超調(diào)比先前有所減小，響應(yīng)速度快，可以滿足混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)對(duì)控制系統(tǒng)的要求，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，使永磁同步電機(jī)獲得了快速的轉(zhuǎn)速響應(yīng)和穩(wěn)定的靜態(tài)特性。

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