輪轂電機(jī)中的速度控制技術(shù)研究

劉開(kāi)文，錢(qián) 煒，孫福佳

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海200093)

輪轂電機(jī)中的速度控制技術(shù)研究

劉開(kāi)文，錢(qián) 煒，孫福佳

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海200093)

介紹了輪轂電機(jī)的控制原理，正弦脈寬調(diào)制和空間矢量脈寬調(diào)制算法,并建立了基于這兩種算法的輪轂電機(jī)控制系統(tǒng)的Matlab仿真模型,且對(duì)模型運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明,在同樣條件下, 采用 SVPWM 算法仿真系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間小于采用SPWM 算法仿真系統(tǒng),SVPWM方案不僅提高了逆變器的直流電壓利用率，還減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在輪轂電機(jī)控制系統(tǒng)中SVPWM是更理想的選擇。

正弦脈寬調(diào)制;空間矢量脈寬調(diào)制;輪轂電機(jī)

輪轂電機(jī)就是將動(dòng)力、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置都整合到輪轂內(nèi)部的電機(jī)，目前許多新能源汽車(chē)都在使用輪轂電機(jī)作為主要驅(qū)動(dòng)。與傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)相比，輪轂電機(jī)技術(shù)具有很定的優(yōu)勢(shì)。首先，其結(jié)構(gòu)更為緊湊、布局靈活，無(wú)需復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，大幅簡(jiǎn)化了汽車(chē)由于輪轂電機(jī)可以減小驅(qū)動(dòng)空間，內(nèi)部結(jié)構(gòu)同時(shí)增加了車(chē)內(nèi)空間；其次，輪轂電機(jī)具有單車(chē)輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的特性，因?yàn)?，容易?shí)現(xiàn)前驅(qū)、后驅(qū)甚至全四驅(qū)驅(qū)動(dòng)形式。所以，新能源汽車(chē)大多采用輪轂電機(jī)作為主要驅(qū)動(dòng)力[1]。

1 輪轂電機(jī)控制方式簡(jiǎn)介

目前輪轂電機(jī)的主要調(diào)速方式是變頻調(diào)速，即通過(guò)三相逆變器調(diào)節(jié)電樞繞組兩端電壓的方式，來(lái)達(dá)到來(lái)達(dá)到控制和調(diào)節(jié)輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的目的。三相逆變器供電輪轂電機(jī)連接原理圖[2]如圖1所示，S11S21S31S12S22S32為6個(gè)IGBT組成的逆變橋，它們分別被a,b,c和a′,b′,c′這 6個(gè)脈沖所控制。當(dāng)逆變橋上半部分的 IGBT開(kāi)通時(shí) , 其下半部分相對(duì)應(yīng)的 IGBT應(yīng)被關(guān)閉,即a,b或c為 1時(shí) ,則a′,b′和c′為 0。U,V和W分別為輪轂電機(jī)的定子三相繞組 。在 6個(gè) PWM脈沖的控制下, IGBT逆變橋?qū)⒅绷麟妷狠斎肽孀優(yōu)槿嘟涣餍盘?hào), 驅(qū)動(dòng) PMSM進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 三相逆變器

變頻調(diào)速系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)是脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)，常用的PWM 技術(shù)主要有基于正弦波對(duì)三角波脈寬調(diào)制的 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation) 技術(shù)和基于電壓空間矢量(Space Vector)的 SVPWM技術(shù)等。

2.1 正弦脈寬調(diào)制

SPWM以正弦電壓作為逆變器的期望輸出波形，以比正弦波頻率高的多的等腰三角形作為載波(Carrier Wave)，并用頻率和期望輸出頻率相同的正弦波作為調(diào)制波[3](Modulation Wave)。調(diào)制波與載波相交時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列的交匯點(diǎn)，由這些交匯點(diǎn)確定逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻，即正弦調(diào)制波VT大于三角載波Va時(shí)，上橋臂的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，下管關(guān)斷，具體通斷條件如下：

當(dāng)VT>Va時(shí)，S11導(dǎo)通，S12關(guān)斷；

當(dāng)VT

當(dāng)VT>Vb時(shí)，S21導(dǎo)通，S22關(guān)斷；

當(dāng)VT

當(dāng)VT>Vc時(shí)，S31導(dǎo)通，S31關(guān)斷；

當(dāng)VT

由此可以獲得在正弦調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)呈現(xiàn)兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波，進(jìn)而控制輸出電壓控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速[4]。

2.2 空間矢量脈寬調(diào)制

空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse-Width Modulation，SVPWM)具有輸出波形好，電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于逆變器控制器和三相電力系統(tǒng)等領(lǐng)域中[5]。

當(dāng)定子三相電壓為對(duì)稱(chēng)的正弦電壓時(shí)，則定子電壓空間矢量方程

(1)

方程定義的是一個(gè)幅值與相電壓相等的空間矢量，矢量端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)圓，運(yùn)動(dòng)角度為相電壓的電角頻率。

逆變器在六拍運(yùn)行時(shí)，每個(gè)60°切換一次，一周內(nèi)有8種開(kāi)關(guān)狀態(tài)每一種開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸出合成電壓空間矢量分別記為V0～V7,與之相對(duì)應(yīng)的電壓空間矢量如圖2所示。

圖2 電壓空間矢量

3 輪轂電機(jī)仿真及結(jié)果

基于Matlab軟件對(duì)控制系統(tǒng)分別使用 SVPWM 、SPWM 方法建立的輪轂電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模[6-7]。SVPWM 、SPWM 脈沖均采用單極性方式 , 兩系統(tǒng)在速度 (400 rad/s)、負(fù)載(10 N·m)、載波頻率(10 kHz)、和 PI 調(diào)節(jié)參數(shù)均相同的條件下進(jìn)行仿真[8-12]，電機(jī)仿真參數(shù)選取為:電磁轉(zhuǎn)矩Te=0.8 N·m;額定電壓Udc=300 V;電機(jī)最高轉(zhuǎn)速ωm=3 000 r/m。

3.1 正弦脈寬調(diào)制技術(shù)(SPWM)仿真結(jié)果

圖3 電磁轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化

圖4 速度響應(yīng)

圖5 定子相電流

3.2 SVPWM空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)仿真結(jié)果

圖6 電磁轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化

圖7 速度響應(yīng)

圖8 定子相電流

3.3 仿真結(jié)果分析

(1)從圖3和圖6可看出，采用 SPWM 算法時(shí)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩稍大，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于采用 SPWM 算法；(2)由圖4和圖7可知，基于SVPWM算法的系統(tǒng)速度響應(yīng)時(shí)間要比基于SPWM算法的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短；(4)由圖5和圖8得知，采用SVPWM算法控制輪轂電機(jī)定子繞組電流總諧波失真，遠(yuǎn)小于采用SPWM建立的模型[13-14]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了 SPWM和 SVPWM算法 , 及以 輪轂電機(jī)為對(duì)象建立的仿真模型, 并對(duì)兩種模型運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明：采用 SVPWM算法建立的輪轂電機(jī)控制系統(tǒng)定子電流總諧波失真遠(yuǎn)小于采用

SPWM建立的模型。且 SPWM易于采用模擬硬件電路實(shí)現(xiàn),而 SVPWM更適合于數(shù)字化控制系統(tǒng)，以微控制器為核心的數(shù)字化控制系統(tǒng)是今后發(fā)展的趨勢(shì)，所以在輪轂電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)中 SVPWM應(yīng)是優(yōu)先的選擇。

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Research on Hub Motor Speed Control

LIU Kaiwen，QIAN Wei，SUN Fujia

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The basic idea, implementation principle as well as modulation function of the space vector pwm (SVPWM) and SPWM are presented. Simulation results show that under the same conditions, the time it takes for the system to reach the stable state by the SVPWM algorithm is less than that by the SPWM. The SVPWM algorithm improves the utilization rate of dc voltage of inverter and reduces the torque ripple, thus a better candidate for the wheel hub motor control system.

spwm; svpwm; hub motor

2016- 04- 01

劉開(kāi)文(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：機(jī)器人控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.016

TN787

A

1007-7820(2017)02-062-03