基于低分辨率霍爾傳感器的電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

張金寶

摘 要： 考慮到對(duì)電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的成本以及控制算法的復(fù)雜程度，在此研究一種基于低分辨率霍爾傳感器的電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用三相對(duì)稱開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器進(jìn)行位置估計(jì)。由于傳統(tǒng)的基于平均速度的位置估算方法，在速度變化不大時(shí)，估算出的速度和位置值較準(zhǔn)確，但是在電機(jī)加速、減速或者受到速度擾動(dòng)時(shí)，估算出的速度和位置值就會(huì)存在較大偏差，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。因此這里使用基于平均加速度的位置估算方法，考慮當(dāng)前扇區(qū)的加速度值，以減小估算誤差。通過(guò)Matlab進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的基于平均速度的位置估算方法，基于平均加速度的位置估算方法無(wú)論是平穩(wěn)運(yùn)行階段還是加速、減速階段，系統(tǒng)估計(jì)速度和位置對(duì)實(shí)際速度和位置都具有較好的跟蹤性能，速度超調(diào)量?jī)H為2%。

關(guān)鍵詞： 永磁同步電動(dòng)機(jī)； 電動(dòng)汽車； 霍爾傳感器； 矢量控制

中圖分類號(hào)： TN710?34； TH39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）19?0128?05

Abstract： Taking account of the cost of the traditional driving system for permanent magnet synchronous motor and complexity of control algorithm for electric vehicle， a new driving system based on low resolution Hall sensor is proposed for permanent magnet synchronous motor of electric vehicle， which uses three?phase symmetrical switch type Hall sensor to estimate position. Since the traditional position estimation method based on average velocity can not estimate the accurate velocity and position values， and even affects the system performance severely while the motor is accelerating， decelerating or influenced by speed perturbance， a position estimation method based on average acceleration is adopted in this paper to reduce the estimation error， which allows for the acceleration magnitude of the current sector. The Matlab simulation results show that， compared with the traditional estimation method based on average velocity， the new one based on average acceleration has a better tracking performance for the actual velocity and position， whether it is in stable operation stage， acceleration stage or deceleration stage. Its speed overshoot is only 2%.

Keywords： permanent magnet synchronous motor； electric vehicle； Hall sensor； vector control

0 引 言

隨著能源短缺問(wèn)題的日益加劇以及石油等燃料對(duì)環(huán)境影響的日益惡化，電動(dòng)汽車越來(lái)越多的受到人們的關(guān)注，而對(duì)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)控制問(wèn)題也得到了廣泛的研究?，F(xiàn)在永磁同步電動(dòng)機(jī)是一種應(yīng)用比較廣泛的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此有必要對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制進(jìn)行深入研究[1]。

永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制精度在很大程度上取決于對(duì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的精度，針對(duì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)，現(xiàn)在主要分為兩類：一是使用無(wú)位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)算法，主要對(duì)電機(jī)的電流、電壓進(jìn)行采集然后通過(guò)智能算法對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行估計(jì)，這種方法的缺點(diǎn)是，對(duì)于控制系統(tǒng)的運(yùn)算能力等性能以及對(duì)算法智能程度的要求比較高，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較復(fù)雜；另一類是在電機(jī)上安裝位置檢測(cè)傳感器，位置檢測(cè)傳感器主要有，旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器和霍爾傳感器等多種類型。旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器一方面由于成本比較高，另一方面由于安裝體積大，并且容易受到車身振動(dòng)等外界干擾而影響其性能，因此不適合用于電動(dòng)汽車的永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)?；魻杺鞲衅鲗儆谝环N成本低、性能穩(wěn)定的傳感器，由單個(gè)或多個(gè)霍爾傳感器組成的低分辨率霍爾傳感器，配合位置估計(jì)算法，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車的永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)。因此本文著重對(duì)基于低分辨率霍爾傳感器的電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行討論和研究[2]。

1 電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)系統(tǒng)組成

本文研究的用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由永磁同步電動(dòng)機(jī)、核心控制器、低分辨率霍爾位置傳感器、電流電壓傳感器、電源模塊、CAN總線通信模塊等組成。其硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

核心控制器使用MS320F28035型芯片處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)信號(hào)的采集與控制。電源模塊能夠?yàn)榭刂破魈峁? V和12 V的直流源。為了確保電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全性能和穩(wěn)定性，電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置有軟硬件過(guò)壓、欠壓以及過(guò)流過(guò)載保護(hù)功能[3]。endprint

2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制

2.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)屬于非線性、多變量耦合的系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是由一組變系數(shù)的微分方程組成，變系數(shù)與電機(jī)、轉(zhuǎn)子定子位置有關(guān)。

2.1.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

（1） 電壓方程

（2） 磁鏈方程

（3） 轉(zhuǎn)矩方程

通常情況下，通過(guò)坐標(biāo)變換方法來(lái)消除永磁同步電動(dòng)機(jī)在三相靜止坐標(biāo)下數(shù)學(xué)模型存在時(shí)變系數(shù)微分方程而帶來(lái)的求解上的麻煩[4]。

2.1.2 坐標(biāo)變換

通過(guò)坐標(biāo)變換，將永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型等效轉(zhuǎn)換，才能夠按照類似控制直流電動(dòng)機(jī)的方式對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行矢量控制，對(duì)電機(jī)定子電流勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的進(jìn)行解耦控制。

坐標(biāo)變換一般分為兩個(gè)步驟，第一個(gè)步驟是Clark變換，也就是將三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)系，其逆過(guò)程需要使用Clark 逆變換來(lái)完成；第二個(gè)步驟是Park變換，也就是將兩相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其逆過(guò)程需要使用Park逆變換來(lái)完成。

（1） Clark變換

2.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制

永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制主要有最大轉(zhuǎn)矩控制、弱磁控制、電流[id=0]控制以及[cosφ=1]控制等。電流[id=0]控制的實(shí)現(xiàn)方法相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比關(guān)系，電動(dòng)機(jī)性能不會(huì)因?yàn)橛来呸D(zhuǎn)子磁性退化而變?nèi)?，其?yīng)用也比較廣泛。

3 基于低分辨率傳感器的位置估計(jì)算法

3.1 低分辨率霍爾傳感器位置信號(hào)

本文研究的控制系統(tǒng)進(jìn)行位置估計(jì)算法采用的是由三相對(duì)稱開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器組成的低分辨率傳感器，其是目前應(yīng)用最為廣泛的一種傳感器。

3.2 低分辨率霍爾傳感器位置估算原理

由于驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)的正弦波無(wú)法通過(guò)低分辨率傳感器檢測(cè)的精準(zhǔn)離散位置信號(hào)直接獲得，因此低分辨率傳感器位置估計(jì)方法的核心就是通過(guò)低分辨率傳感器檢測(cè)離散位置信號(hào)，估計(jì)出精度滿足驅(qū)動(dòng)要求的位置和速度值。

傳統(tǒng)的基于平均速度的位置估算方法在速度變化不大時(shí)，估算出的速度和位置值較準(zhǔn)確；但是在電機(jī)加速、減速或者受到速度擾動(dòng)時(shí)，估算出的速度和位置值就會(huì)存在較大偏差，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。

因此本文使用基于平均加速度的位置估算方法，考慮當(dāng)前扇區(qū)的加速度值，以減小估算誤差?；谄骄铀俣裙浪惴椒ǖ脑砣鐖D4所示[7]。

5 結(jié) 論

本文對(duì)基于低分率霍爾傳感器的電動(dòng)汽車永磁同步控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。首先分析了電動(dòng)汽車的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，以及電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和矢量控制方法。然后對(duì)基于低分辨率傳感器的位置估算方法進(jìn)行了分析，傳統(tǒng)的基于平均速度的位置估算方法，在速度變化不大時(shí)，估算出的速度和位置值較準(zhǔn)確，但是在電機(jī)加速、減速或者受到速度擾動(dòng)時(shí)，估算出的速度和位置值就會(huì)存在較大偏差，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。因此本文使用基于平均加速度的位置估算方法，考慮當(dāng)前扇區(qū)的加速度值，以減小估算誤差。最后通過(guò)Matlab進(jìn)行仿真研究。

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