微型電動車永磁同步電機驅(qū)動矢量控制仿真研究

劉成好++孫在松

摘 要：針對微型電動車的發(fā)展趨勢，建立了其常用永磁同步電機矢量控制的數(shù)學(xué)建模，研究了永磁同步電機矢量控制控制系統(tǒng)策略，為整機匹配的實現(xiàn)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：微型電動車；永磁同步電機；矢量控制

0 引言

電動汽車的發(fā)展目標(biāo)是實現(xiàn)高效率、零污染、數(shù)字化、智能化和輕量化。目前電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)主要有電池、電機、電機驅(qū)動系統(tǒng)、車身和底盤設(shè)計及能量管理技術(shù)等，其中前3項構(gòu)成了電動汽車的電氣控制系統(tǒng)，也是電動汽車的發(fā)展瓶頸[1]。

微型電動機車常以永磁同步電機驅(qū)動為主，因此對永磁同步電機矢量控制控制系統(tǒng)策略進行研究有非常重要的意義。

1 永磁同步電機數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機由定子和轉(zhuǎn)子組成，在正弦波永磁同步電機中，轉(zhuǎn)子采用永磁體，定子由三相繞組以及鐵芯構(gòu)成，電樞繞組常以Y型連接，采用短距分布繞組，產(chǎn)生的氣隙場為正弦波，從而產(chǎn)生正弦的反電動勢，其數(shù)學(xué)模型可用下列方程表示：

定子電壓方程：

（1）

（2）

定子磁鏈方程：

（3）

（4）

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

（5）

永磁同步電機的運動方程：

（6）

式中：R為定子電樞繞組；Ld、Lq為交直軸電感；ud、uq為定子繞組的d、q軸電壓；id、iq為定子繞組的d、q軸電流；、為定子繞組的d、q軸的磁鏈；為轉(zhuǎn)子磁鏈；Np為極對數(shù)；為轉(zhuǎn)子角轉(zhuǎn)速；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量。

2 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制

永磁同步電機的矢量控制本質(zhì)上是對定子電流矢量實施控制，即控制磁鏈的幅值和方向，從而實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)矩的動態(tài)控制，以達到高的運行性能。轉(zhuǎn)矩線性化控制的基本思想是：在磁場定向坐標(biāo)上，將定子電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量id和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量iq，使兩個分量互相垂直，彼此獨立，然后分別進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制[2]。

矢量控制可以用圖1表示，實現(xiàn)過程是：給定轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速反饋量的偏差經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)器，輸出轉(zhuǎn)矩電流，同時給定電流、與電流反饋量id、iq的偏差經(jīng)過PI輸出；分別輸出相電壓和。和再經(jīng)過Park逆變換和Clarke逆變換，最后輸出三相靜止坐標(biāo)系下電壓分量、、。就可以利用電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，產(chǎn)生PWM控制信號來控制逆變器，實現(xiàn)永磁同步電機的閉環(huán)控制。

3 矢量控制系統(tǒng)仿真

在MATLAB的Simulink仿真環(huán)境下，根據(jù)前述永磁同步電機矢量控制策略，首先構(gòu)造了如下的id=0的電流、速度閉環(huán)的仿真系統(tǒng)框圖，并建立了永磁同步電機磁場定向控制系統(tǒng)仿真模型[3]，如圖2所示。在仿真中，將電機的參數(shù)設(shè)置如下：給定電機轉(zhuǎn)速為1000r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=3N·m，轉(zhuǎn)子極對數(shù)p=3，定子電阻RS=0.2Ω，轉(zhuǎn)子磁鏈值=0.56wb，交直軸電感Ld=Lq=15.3e-3H，轉(zhuǎn)矩慣量J=2.1e-4 kg·m2。

4 仿真結(jié)果分析

通過前述永磁同步電機矢量控制策略，對仿真模型進行Clarke、Park坐標(biāo)變換，并針對其進行仿真，得出圖3三相電流波形圖及圖4電機轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線圖。

5 結(jié)語

本文圍繞微型電動車的永磁同步電機控制系統(tǒng)展開，根據(jù)實際應(yīng)用的需求，做了大量的理論分析和實驗研究，并在此基礎(chǔ)上，搭建了矢量控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明微型電動車電機在矢量控制策略的控制下，電機具有優(yōu)越的控制性能。最后給出了實驗結(jié)果波形，分析了電機的控制性能，驗證了控制系統(tǒng)的適用性，為下一步的整機匹配奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]Ping X， Jing B. SMC with disturbance observer for high performance PMSM[C].Mechatronic Science， Electric Engineering and Computer （MEC），2011 International Conference on. IEEE， 2011：986-989.

[2]盧東斌，歐陽明高，谷靖.電動汽車永磁無刷輪轂電機磁場定向控制[J].電機與控制學(xué)報，2012，16（11）：76-83.

[3]肖金鳳，張壘，盛義發(fā).無刷直流電機磁場定向控制策略研究與實現(xiàn)[J].控制工程，2013，20（01）：158-162.

作者簡介：劉成好（1976-），男，河北保定人，碩士研究生，研究方向：汽車電子技術(shù)。endprint