電動汽車永磁驅(qū)動電機(jī)控制器仿真設(shè)計

孫登輝

江蘇大學(xué) 江蘇鎮(zhèn)江 212013

電動汽車永磁驅(qū)動電機(jī)控制器仿真設(shè)計

孫登輝

江蘇大學(xué) 江蘇鎮(zhèn)江 212013

本文基于Matlab設(shè)計了永磁無刷直流電機(jī)控制器。以轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制為控制策略，利用Simulink構(gòu)建系統(tǒng)控制仿真模型，設(shè)計過程中提出了通過調(diào)節(jié)滯環(huán)寬度減少轉(zhuǎn)速波動、利用查表法實現(xiàn)反電動勢求取的想法。調(diào)試確定轉(zhuǎn)速、電流控制器參數(shù)，結(jié)合汽車運行工況，測試了控制器在不同速度與負(fù)載下的性能。結(jié)果表明，所設(shè)計控制系統(tǒng)在精度、響應(yīng)時間、穩(wěn)態(tài)誤差等方面符合設(shè)計要求。

永磁無刷直流電機(jī)；PID控制；Matlab仿真

一、引言

電動汽車的驅(qū)動電機(jī)主要有永磁無刷電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、有刷直流電機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)。其中永磁無刷直流電動機(jī)因其卓越的性能和優(yōu)勢倍受關(guān)注，尤其是伴隨著永磁材料、計算機(jī)自動控制技術(shù)、大功率半導(dǎo)體和電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，永磁無刷直流電機(jī)也得到迅速發(fā)展。對永磁無刷直流電機(jī)的控制至關(guān)重要，利用計算機(jī)仿真技術(shù)，對控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字仿真，可以大大加快其開發(fā)速度。

二、永磁無刷直流電機(jī)（BLDC）數(shù)學(xué)模型

（一）永磁無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理。永磁無刷直流電機(jī)主要由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和逆變器構(gòu)成。直流電源通過電子開關(guān)向電動機(jī)定子繞組供電，位置傳感器檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置并發(fā)出電信號控制逆變器的導(dǎo)通或關(guān)斷，使電動機(jī)轉(zhuǎn)動。永磁無刷直流電動機(jī)的基本物理量有反電動勢、電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等。

（二）永磁無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。為了簡化分析，采用電機(jī)本身的相變量法建立數(shù)學(xué)模型，采用分段線性表示感應(yīng)電動勢，并做如下假設(shè)：a）三相定子Y形連接，完全對稱；b）忽略齒槽效應(yīng)，不考慮磁路飽和；c）忽略磁滯、渦流、溫度等影響。

1、電壓平衡方程

式1.1為定子電壓平衡方程，其中，ua、ub、uc為三相定子電壓；ea、eb、ec為三相定子的反電動勢；ia、ib、ic為三相定子相電流；L為三相定子自感；M為三相定子繞組之間的互感；R為三相定子繞組

電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和運動方程為：

3、永磁無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的Matlab模型

電機(jī)控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速，轉(zhuǎn)速環(huán)由PID調(diào)節(jié)器構(gòu)成，電流環(huán)由電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器構(gòu)成。

（三）電機(jī)本體及反電動勢

電機(jī)本體模塊根據(jù)輸入的位置信號Pos__D_Dd__ea、eb、ec，再由式1.1獲得三相電流信號ia、ib、ic利用Lookup Table模塊實現(xiàn)反

表2　.1 位置信號與單位反電動勢的關(guān)系

（四）電流滯環(huán)控制與速度調(diào)節(jié)模塊

電流滯環(huán)模塊采用滯環(huán)控制原理來實現(xiàn)電流的調(diào)節(jié)，此模塊輸入為三相參考電流和三相實際電流，輸出為逆變器的控制信號。速度調(diào)節(jié)采用PID算法，輸入?yún)⒖嫁D(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速之差，輸出三相參考電流幅值 。

（五）參考電流及電壓逆變器模塊

表2　.2 轉(zhuǎn)子位置與三相參考電流對應(yīng)關(guān)系

（六）轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速

根據(jù)式1.2和式1.3，建立轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速計算模塊。

三、控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

（一）參數(shù)設(shè)定

電機(jī)各部分參數(shù)設(shè)置如下：定子繞組每相電阻；定子相繞組

圖3　-1 參考轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

四、結(jié)論

本文采用了經(jīng)典的速度、電流雙閉環(huán)控制策略，用常見的PID速度控制和電流滯環(huán)控制仿真設(shè)計了無刷電機(jī)控制器。仿真結(jié)果表明：各參考量波形符合理論分析，系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運行，具有較好的靜、動態(tài)特性，所設(shè)計控制系統(tǒng)的精度、響應(yīng)時間、穩(wěn)態(tài)特性及跟蹤性能良好。在對三相梯形反電動勢、三相參考電流逆變器等進(jìn)行建模的過程中，本文采用的查表法和S函數(shù)充分發(fā)揮了Matlab的靈活性，對電機(jī)控制器的開發(fā)調(diào)試有借鑒意義。但對于較大的力矩負(fù)荷該系統(tǒng)響應(yīng)效果不佳，需要進(jìn)一步的研究分析或?qū)で笮碌目刂撇呗浴?/p>