基于MATLAB 的電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)特性仿真＊

魏東坡，張坤，趙宏霞，尹文榮，魏代禮

（山東華宇工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 德州 253034）

引言

電機(jī)是電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿υ?，永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、功率因數(shù)高、噪聲小、免維護(hù)、可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且由于我國在稀土永磁材料方面的豐富資源，永磁同步電機(jī)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。在目前電動(dòng)汽車行業(yè)快速發(fā)展，市場保有量迅速擴(kuò)大的情況下，電動(dòng)汽車的可靠性提升成為重要的研究方向，而傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性也逐漸成為制約電動(dòng)汽車整車壽命的重要因素。為了提高傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性，從而延長整車壽命，在電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，需要獲取準(zhǔn)確的電機(jī)輸出參數(shù)。本文利用MATLAB/ Simulink 對應(yīng)用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的某型號永磁同步電機(jī)的輸出特性進(jìn)行了仿真，得到的參數(shù)可以為電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)[2]。根據(jù)電動(dòng)汽車使用過程中的工況特征，在MATLAB/Simulink 環(huán)境下分別對電機(jī)的機(jī)械特性、啟動(dòng)特性、調(diào)速特性和制動(dòng)特性進(jìn)行仿真，本課題仿真研究的永磁同步電機(jī)的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 永磁同步電機(jī)參數(shù)

1 永磁同步電機(jī)機(jī)械特性仿真

該永磁同步電機(jī)的仿真模型如圖1 所示，在該模型中，有輸入模塊Sinks 模塊、數(shù)學(xué)模塊Math Operations 模塊、輸入源模塊Sources 模塊、以及最后的輸出模塊Scope 模塊，另外還有與電機(jī)相關(guān)的模塊[3]，由以上模塊排列組合并經(jīng)過系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，得到了該永磁同步電機(jī)機(jī)械特性的模型圖。

模型中各元件參數(shù)設(shè)置如下。

永磁同步電機(jī)功率設(shè)置為30kw，頻率設(shè)置為50Hz，且在建模時(shí)的采樣時(shí)間設(shè)置為常數(shù)，設(shè)為-1。

對于坐標(biāo)軸的設(shè)置區(qū)域，坐標(biāo)系中x 軸的最小值設(shè)置為0，最大值設(shè)置為10000，y 軸的最小值也設(shè)置為0，最大值設(shè)置為800。

圖1 永磁同步電機(jī)機(jī)械特性仿真模型

圖2 永磁同步電機(jī)機(jī)械特性仿真結(jié)果

由圖2 可知永磁同步電機(jī)的機(jī)械特性仿真曲線的總體趨勢是隨著電壓的變化而變化的，當(dāng)電壓較大時(shí)，機(jī)械特性曲線變化的趨勢會(huì)加劇。

2 永磁同步電機(jī)啟動(dòng)特性仿真

永磁同步電機(jī)在起動(dòng)過程中對電機(jī)的啟動(dòng)有一定的要求，首先要求啟動(dòng)的時(shí)間盡可能短，只有在很短的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)電機(jī)，才不會(huì)導(dǎo)致電機(jī)因啟動(dòng)時(shí)間過長而受損，從而使得電機(jī)能達(dá)到正常運(yùn)行；另一方面，啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩要足夠大，即啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩要明顯大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，從而保證啟動(dòng)過程能夠平穩(wěn)運(yùn)行[4]。此外，啟動(dòng)過程中在滿足啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的前提下還要求啟動(dòng)電流要足夠小，以免使得啟動(dòng)電路中的電流過大而導(dǎo)致整個(gè)電路出現(xiàn)故障，進(jìn)而導(dǎo)致電氣設(shè)備不能正常運(yùn)行，因此我們在啟動(dòng)電機(jī)時(shí)要在保證轉(zhuǎn)矩足夠大的前提下要盡量減小啟動(dòng)電流，即在選擇永磁同步電機(jī)啟動(dòng)方法時(shí)要根據(jù)機(jī)械負(fù)載對轉(zhuǎn)矩的要求等實(shí)際情況[5]，本次仿真以異步自啟動(dòng)方式為例。圖3 為永磁同步電機(jī)異步自啟動(dòng)的MATLAB 仿真模型，各模塊的參數(shù)設(shè)置如下。

圖3 永磁同步電機(jī)異步自啟動(dòng)仿真模型

三相電壓電流測量模塊的電壓測量模式選擇相對地電壓測量，在三相正弦交流電源模塊模塊中振幅設(shè)置為100，相位設(shè)置為0，頻率設(shè)置為50Hz。

如圖4 是對永磁同步電機(jī)異步自啟動(dòng)的仿真結(jié)果，由圖可知，永磁同步電機(jī)異步自啟動(dòng)時(shí)，起動(dòng)過程時(shí)間較短，在0.2 秒左右就已結(jié)束。在此過程中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨著時(shí)間的推移在不斷上升，直到達(dá)到同步轉(zhuǎn)速1600 左右，且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在上升的同時(shí)出現(xiàn)了一系列的震蕩現(xiàn)象，這個(gè)過程是受到了磁脈沖的原因。電機(jī)起動(dòng)后電流降至正常工作電流。電機(jī)異步啟動(dòng)過程中的電流最大為140A 左右，這與實(shí)際情況也相吻合。

圖4 永磁同步電機(jī)異步自啟動(dòng)的仿真波形

電機(jī)最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為250N.m，有較大的啟動(dòng)能力但轉(zhuǎn)矩在起動(dòng)過程的很短時(shí)間內(nèi)迅速減小，而這是不利于電機(jī)的啟動(dòng)，且由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩很小，電機(jī)在完全啟動(dòng)后轉(zhuǎn)矩接近于0。

3 永磁同步電機(jī)調(diào)速特性仿真

一般電機(jī)的的調(diào)速方法有兩類：即變頻調(diào)速和變極調(diào)速，又由于永磁同步電機(jī)的極數(shù)相對固定，不容易改變，故只能采用變頻調(diào)速，而變頻調(diào)速又包括他控變頻和自控變頻兩大類。自控變頻調(diào)速改變了以往變頻調(diào)速精度不高的劣勢，它是目前永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速的主要方式，通過自控變頻調(diào)速能夠大大的提高供電效率，并能減小功耗的損失。如圖5所示為自控變頻調(diào)速仿真的模型圖，其電機(jī)的參數(shù)設(shè)置如下。

開始時(shí)的參數(shù)時(shí)長設(shè)置為0.4 秒，頻率為60Hz。當(dāng)沒有負(fù)載時(shí)，定子電流、轉(zhuǎn)子電流以及轉(zhuǎn)矩最終都趨于零，轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在1800r/min，同時(shí)在0.4 秒左右時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)改變電源頻率，即降至50Hz 時(shí)，電源電壓也要相應(yīng)的降低，于是得到如圖6 所示的仿真結(jié)果，由圖6 可以看出，當(dāng)電源頻率為 50Hz 時(shí)，最終的轉(zhuǎn)速大約穩(wěn)定在1500r/min，穩(wěn)定時(shí)間也由原來的0.4 秒變?yōu)?.35 秒左右，意味著反應(yīng)時(shí)間更快了。

圖5 永磁同步電機(jī)自控變頻調(diào)速仿真波形

圖6 自控變頻調(diào)速仿真結(jié)果

4 永磁同步電機(jī)制動(dòng)特性仿真

所謂能耗制動(dòng)是指當(dāng)永磁同步電機(jī)由交流電突然改為直流電，此時(shí)由于直流電的磁場不再隨時(shí)間變化，是一個(gè)恒定的磁通，而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子會(huì)由于慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)轉(zhuǎn)子繞組會(huì)切割磁通，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，這個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩便會(huì)阻止轉(zhuǎn)子啟動(dòng)，起到了制動(dòng)作用。因?yàn)槠渲苿?dòng)過程涉及交流電與直流電的變化，故制動(dòng)模型也會(huì)有相應(yīng)的變化，因此整個(gè)仿真過程是變化的。首先構(gòu)造電流變化前的穩(wěn)態(tài)模型，如圖7所示。然后再構(gòu)造制動(dòng)后的仿真模型，如圖8 所示，該模型就是斷開交流電后通入直流電的模型。

圖7 永磁同步電機(jī)能耗制動(dòng)前仿真模型

如圖9 所示，a 圖為制動(dòng)前的仿真模型，該仿真曲線表明制動(dòng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速并無差別，在 制動(dòng)前的一瞬間，轉(zhuǎn)速由于慣性還是會(huì)保持原來的速度。b圖表明電機(jī)在制動(dòng)后，剛開始電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，會(huì)有一定的振蕩現(xiàn)象，后來經(jīng)過轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)速逐漸趨于穩(wěn)定。

圖8 永磁同步電機(jī)能耗制動(dòng)后仿真模型

圖9 永磁同步電機(jī)能耗制動(dòng)仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本文利用MATLAB 軟件實(shí)現(xiàn)了對永磁同步電機(jī)特性的建模與仿真，通過對這些仿真結(jié)果的分析，再結(jié)合零部件的制造精度和誤差，并對仿真曲線瞬態(tài)值進(jìn)行修正，從而能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供計(jì)算參數(shù)，同時(shí)也是電動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出連接部位可靠性優(yōu)化的關(guān)鍵因素。