電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)模糊直接轉(zhuǎn)矩控制

付主木，高愛(ài)云

（河南科技大學(xué)a.信息工程學(xué)院；b.車輛與交通工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471023）

電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)模糊直接轉(zhuǎn)矩控制

付主木a，高愛(ài)云b

（河南科技大學(xué)a.信息工程學(xué)院；b.車輛與交通工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471023）

為了提升電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)效率，本文提出了一種基于電動(dòng)汽車行駛模式切換的永磁同步電機(jī)（PMSM）模糊直接轉(zhuǎn)矩控制策略。在分析電動(dòng)汽車行駛模式的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，采用模糊控制器取代傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)中的滯環(huán)比較器和電壓矢量選擇器。針對(duì)不同的行駛模式，分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的模糊控制規(guī)則和控制器。在Matlab／Simulink中搭建了PMSM模糊DTC系統(tǒng)模型。仿真結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的PMSM模糊DTC策略與傳統(tǒng)DTC相比，PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，而且其高速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)效率提高了10.26%。

永磁同步電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；模糊控制；行駛模式切換

0 引言

電動(dòng)汽車是未來(lái)汽車行業(yè)發(fā)展的主要方向，由于車載動(dòng)力電池容量有限，電動(dòng)汽車的續(xù)航能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法與傳統(tǒng)燃油汽車相匹敵，在電池技術(shù)還未取得突破性進(jìn)展時(shí)，研究高性能和高效率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有非常重要的意義［1－3］。永磁同步電機(jī)（PMSM）具有體積小、質(zhì)量輕、效率高、電磁轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用作電動(dòng)汽車的牽引電機(jī)［4－6］。目前，永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普遍采用矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)，由于電動(dòng)汽車行駛工況復(fù)雜，轉(zhuǎn)子參數(shù)變化幅度大，嚴(yán)重影響了矢量控制效果，而直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，且轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，成為電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究熱點(diǎn)［7－8］。

PMSM傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩采用滯環(huán)控制，在一個(gè)控制周期內(nèi)僅作用一次有效的電壓空間矢量，因而不可避免地產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。針對(duì)此問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了許多改進(jìn)方案。文獻(xiàn)［9］將空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制技術(shù)應(yīng)用到直接轉(zhuǎn)矩控制方案中，可以有效地提高逆變器開(kāi)關(guān)頻率，降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜。文獻(xiàn)［10－11］將滑模變結(jié)構(gòu)控制與直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)相結(jié)合，明顯地減小磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但在滑模面會(huì)產(chǎn)生不良抖動(dòng)。文獻(xiàn)［12－13］用模糊控制器取代滯環(huán)比較器，并利用零矢量，有效地抑制了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)［14］研究了使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小的零矢量作用范圍，為轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。然而以上研究?jī)H針對(duì)獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，專門適用于電動(dòng)汽車且與電動(dòng)汽車行駛模式相結(jié)合的改進(jìn)方案尚不多見(jiàn)。

為了提高電動(dòng)汽車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)效率，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究成果，提出了一種基于電動(dòng)汽車行駛模式切換的PMSM模糊直接轉(zhuǎn)矩控制方案，并在Matlab／Simulink中進(jìn)行了仿真和對(duì)比分析。

1 電動(dòng)汽車行駛模式分析

通常電動(dòng)汽車行駛工況較為復(fù)雜，根據(jù)道路環(huán)境以及行駛速度、加速度等參數(shù)可將其簡(jiǎn)化為如圖1所示的5種典型行駛模式。

圖1中，在Ⅰ階段，電動(dòng)汽車處于加速（起動(dòng)）模式，加速度方向?yàn)檎姍C(jī)電磁轉(zhuǎn)矩正向快速增大；Ⅱ階段為巡航行駛模式，汽車行駛速度基本恒定，電磁轉(zhuǎn)矩為正且波動(dòng)幅度小，主要用來(lái)克服汽車行駛阻力；Ⅲ階段為勻速爬坡模式，電機(jī)需求電磁轉(zhuǎn)矩較大，其值跟路面坡度有關(guān)；Ⅳ階段為勻速下坡模式，電機(jī)提供的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，即工作于再生制動(dòng)狀態(tài)；Ⅴ階段為減速（停車）模式，為了使汽車速度迅速降低，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩需反向快速增大。

圖1 電動(dòng)汽車行駛模式

不同的行駛模式對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能要求不同。當(dāng)系統(tǒng)處于加速、減速等動(dòng)態(tài)運(yùn)行模式時(shí)，為保證汽車的動(dòng)力性能，系統(tǒng)應(yīng)具有快速精確的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力；當(dāng)系統(tǒng)處于巡航行駛、勻速上坡、勻速下坡等穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式時(shí)，汽車對(duì)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力要求較低，應(yīng)盡可能地提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)效率，來(lái)延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。因此，在電動(dòng)汽車用PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，有必要針對(duì)各個(gè)行駛模式分別制定相應(yīng)的控制規(guī)則。

2 PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制原理

圖2為不同坐標(biāo)系下的PMSM磁鏈?zhǔn)噶繄D，圖中α-β為靜止坐標(biāo)系，d-q為按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，X-Y為按定子磁鏈定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。PMSM在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

圖2 PMSM不同坐標(biāo)系下的磁鏈?zhǔn)噶繄D

式中：ψd、ψq分別為定子磁鏈d軸和q軸分量；id、iq分別為定子電流d軸和q軸分量；ud、uq分別為定子電壓的d軸和q軸分量；Ld、Lq分別為d軸和q軸的等效電感；ψf為永磁體磁鏈；Rs為定子電阻；ωr為轉(zhuǎn)子角速度；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；np為極對(duì)數(shù)。

通過(guò)坐標(biāo)變換，可得到電磁轉(zhuǎn)矩在X-Y坐標(biāo)系下的表達(dá)式為：

式中：ψs為定子磁鏈；δ為定轉(zhuǎn)子磁鏈夾角，即轉(zhuǎn)矩角。

通過(guò)電壓空間矢量的作用可以調(diào)節(jié)定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向和角速度，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)矩角，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制。下面具體分析定子電壓空間矢量在直接轉(zhuǎn)矩控制中的作用效果。

PMSM定子磁鏈ψs在α-β坐標(biāo)系下的表達(dá)式為：

式中：us、is分別為定子電壓矢量、電流矢量。

忽略定子電阻壓降，則經(jīng)過(guò)一個(gè)控制周期T后，定子磁鏈的變化量為△ψs＝usT，如圖2所示。圖2中，γ為us與ψs的夾角；ψ′s為一個(gè)控制周期后的定子磁鏈；△θ為定子磁鏈相位角變化值。當(dāng)γ∈減小。另外，當(dāng)γ∈（0，π）時(shí)，△θ＞0，ψs逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)γ∈（π，2π）時(shí)，△θ＜0，ψs順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖3 定子磁鏈扇區(qū)和電壓空間矢量圖

為了方便選擇定子電壓矢量，將定子電壓矢量平面分成6個(gè)扇區(qū)，分別為θ1～θ6，如圖3所示。

設(shè)PMSM定子磁鏈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?，以第一扇區(qū)為例分析在一個(gè)控制周期內(nèi)電壓矢量的作用效果。若對(duì)電機(jī)施加u2，可使定子磁鏈ψs幅值增大，同時(shí)朝正向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩角δ增大，電磁轉(zhuǎn)矩Te也隨之增大；若施加u3，定子磁鏈ψs幅值減小，朝正向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩角δ增大，電磁轉(zhuǎn)矩Te增大；同理，若施加u5，ψs幅值和Te同時(shí)減?。蝗羰┘觰6，ψs幅值增大，Te減??；若施加零矢量u0或u7，ψs將保持不變，停止旋轉(zhuǎn)，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁鏈繼續(xù)正向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩角減小，由于一個(gè)控制周期時(shí)間很短，Te會(huì)有小幅降低，且降低幅度跟電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。

表1 定子電壓矢量選擇規(guī)則表

通過(guò)以上分析可知：在不同的扇區(qū)選擇合適的電壓矢量可以使電機(jī)的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩跟隨給定值，因此可以得到在各個(gè)扇區(qū)下定子電壓矢量選擇規(guī)則，如表1所示。表1中，φ和τ分別為定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩與給定值的偏差。如果φ＝1，則實(shí)際定子磁鏈小于給定值，對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩也同樣適用。傳統(tǒng)的PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制就是根據(jù)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩與期望值的偏差，并結(jié)合定子磁鏈所在扇區(qū)，直接選取合適的定子電壓矢量，通過(guò)定子電壓矢量的作用來(lái)減小定子磁鏈偏差和電磁轉(zhuǎn)矩偏差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。

3 PMSM模糊DTC策略設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文在傳統(tǒng)PMSM DTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，用模糊控制器取代傳統(tǒng)DTC系統(tǒng)中的磁鏈滯環(huán)比較器、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器和電壓空間矢量選擇器，將行駛模式M、定子磁鏈偏差△ψs、電磁轉(zhuǎn)矩偏差△Te、定子磁鏈位置θ作為模糊控制器的輸入變量，并將電壓空間矢量us作為模糊控制器的輸出變量。該方案能夠?qū)ⅰ鳓譻和△Te進(jìn)行合理的分級(jí)，并根據(jù)電動(dòng)汽車的行駛模式動(dòng)態(tài)地切換模糊控制規(guī)則。改進(jìn)后的PMSM模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中，PMSM逆變器為脈沖寬度調(diào)制逆變器。

3.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

圖4 PMSM模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

首先，將輸入輸出變量模糊化并確定各自的隸屬度函數(shù)。行駛模式M為離散變量，定義為5個(gè)單點(diǎn)模糊子集｛m1（加速模式），m2（巡航模式），m3（勻速爬坡模式），m4（勻速下坡模式），m5（減速模式）｝。將△ψs和△Te通過(guò)式［1－exp（－10x）］／［1＋exp（－10x）］量化到論域［－1，1］內(nèi)，并定義△ψs為4個(gè)模糊子集｛NL（負(fù)大），NS（負(fù)?。?，PS（正?。?，PL（正大）｝；定義△Te為3個(gè)模糊子集｛N（負(fù)），Z（零），P（正）｝。θ論域?yàn)椋?，2π］，定義為6個(gè)模糊子集｛θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6｝。us為離散變量，采用單點(diǎn)模糊集｛u0，u1，u2，u3，u4，u5，u6，u7｝來(lái)表示。各輸入變量對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)如圖6所示。

圖6 各輸入變量隸屬度函數(shù)

隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)完成后，針對(duì)電動(dòng)汽車不同行駛模式分別制定相應(yīng)的模糊控制規(guī)則，具體步驟如下：

表2 M＝m1或M＝m5時(shí)的模糊控制規(guī)則

表3 M＝m2或M＝m3時(shí)的模糊控制規(guī)則

表4 M＝m4時(shí)的模糊控制規(guī)則

（Ⅰ）當(dāng)M＝m1或M＝m5時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為動(dòng)態(tài)運(yùn)行，為了提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力，應(yīng)通過(guò)施加有效電壓矢量使定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩快速跟隨給定值。對(duì)于不同的△ψs和△Te的語(yǔ)言值，根據(jù)電壓控制矢量的作用效果選取最優(yōu)的us，由此可以得到θ＝θ1的模糊控制規(guī)則，如表2所示。表2中，零矢量按照開(kāi)關(guān)損耗最小的原則選取。其他θ值的模糊控制規(guī)則依此類推。

（Ⅱ）當(dāng)M＝m2或M＝m3時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，且期望電磁轉(zhuǎn)矩T*e＞0，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)效率，應(yīng)通過(guò)增加零矢量的方式來(lái)降低電機(jī)的輸入功率，同時(shí)也降低了逆變器的開(kāi)關(guān)頻率和功耗。若△Te為正，施加有效電壓矢量使定子磁場(chǎng)正向旋轉(zhuǎn)，增大電磁轉(zhuǎn)矩；反之則施加零矢量使定子磁場(chǎng)保持不變。由此制定出θ＝θ1的模糊控制規(guī)則，如表3所示。

（Ⅲ）當(dāng)M＝m4時(shí)，T*e＜0，應(yīng)通過(guò)增加零矢量的方式來(lái)提高再生制動(dòng)能量的回收效率。若△Te為負(fù)，施加有效電壓矢量使定子磁場(chǎng)反向旋轉(zhuǎn)，電磁轉(zhuǎn)矩反向增大；反之則施加零矢量使定子磁場(chǎng)保持不變。所制定的θ＝θ1的模糊控制規(guī)則如表4所示。

模糊推理系統(tǒng)采用mamdani型，推理方法選擇min-max法。由于us為離散變量，無(wú)需進(jìn)行解模糊運(yùn)算就可以得到電壓空間矢量的清晰值。

4 仿真對(duì)比分析

在Matlab／Simulink中搭建電動(dòng)汽車用PMSM模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真模型，如圖7所示。PMSM額定電壓為300 V，額定電流為2.3 A，額定轉(zhuǎn)速為3 750 r／m in，極對(duì)數(shù)為2，轉(zhuǎn)子磁鏈為0.184 8 Wb，定子電阻為0.184 8Ω，d軸和q軸電感均為0.014 H，系統(tǒng)采樣周期設(shè)為60μs。

首先對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仿真。給定轉(zhuǎn)速為2 000 r／min，定子磁通為0.2Wb?？蛰d起動(dòng)0.05 s后突加4 N·m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，0.1 s時(shí)再突降為2 N·m，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線如圖8所示。

隨著時(shí)代的進(jìn)步，近現(xiàn)代音樂(lè)視唱作品一定會(huì)越來(lái)越多的融入到視唱練耳教學(xué)當(dāng)中，可以看出傳統(tǒng)視唱與近現(xiàn)代視唱有著千絲萬(wàn)縷的關(guān)系。盡管視唱素材的寫作手法越來(lái)越新奇，盡管視唱作品的風(fēng)格越來(lái)越豐富，視唱的難度不斷增加。只要我們能夠了解音與音之間的聯(lián)系。不斷地總結(jié)并完善傳統(tǒng)視唱與近現(xiàn)代視唱相融合的教學(xué)方法。就能夠使兩者相互并存、共同發(fā)展。

圖7 PMSM模糊DTC系統(tǒng)仿真模型

圖8 動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

由圖8可知：當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，兩種控制方案的電磁轉(zhuǎn)矩均能迅速跟隨給定值，所設(shè)計(jì)的PMSM模糊DTC系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯減小，具有更好的動(dòng)態(tài)性能。

然后測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行效率。穩(wěn)態(tài)效率η計(jì)算公式如下：

式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；Tm為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；U、I分別為直流電源的電壓和電流。

對(duì)系統(tǒng)設(shè)置不同轉(zhuǎn)速和負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定值，當(dāng)電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)測(cè)量直流電源的輸出電壓和電流，由式（8）計(jì)算電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)效率。PMSM模糊DTC策略與傳統(tǒng)DTC策略相比，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最高效率由92%提高至95%，其高速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)效率提高了10.26%。

5 結(jié)論

本研究采用模糊控制和DCT相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一種基于行駛模式切換的PMSM模糊DTC策略，得到的主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)電動(dòng)汽車用PMSM系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，施加有效電壓矢量能夠使電磁轉(zhuǎn)矩快速跟隨給定值，從而提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能；當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通過(guò)增加零矢量的方式可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)效率。

（2）針對(duì)電動(dòng)汽車不同行駛模式，分別制定相應(yīng)的模糊控制規(guī)則和控制器，提升了電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)效率。

（3）仿真結(jié)果表明：采用所設(shè)計(jì)的模糊DTC策略與傳統(tǒng)DTC策略相比，PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，而且系統(tǒng)最高效率由92%提高至95%，在高速運(yùn)行時(shí)穩(wěn)態(tài)效率提升幅度可達(dá)10.26%。

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TP273

A

1672－6871（2015）05－0019－06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61473115，51277116，51375145）；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目（2013T60670）；河南省科技創(chuàng)新人才杰出青年計(jì)劃基金項(xiàng)目（144100510004）；河南省高?？萍紕?chuàng)新人才支持計(jì)劃項(xiàng)目（13HASTIT038）

付主木（1974－），男，湖北仙桃人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榛旌蟿?dòng)力汽車能量管理策略及電機(jī)控制.

2015－03－27