基于Z源逆變器的電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策略

許 力，曹青松，易 星

(江西科技學(xué)院 汽車工程學(xué)院，南昌 330098)

0 引 言

永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)由于其體積小、效率高、調(diào)速寬、轉(zhuǎn)矩大而在我國(guó)電動(dòng)汽車中應(yīng)用廣泛。作為電動(dòng)汽車核心技術(shù)之一的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)在車輛行駛過(guò)程中如突遇阻力轉(zhuǎn)矩或電池電壓突降等工況時(shí)，仍需要保證電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。通常，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)電壓源逆變器，并利用空間矢量脈寬調(diào)制算法(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)進(jìn)行調(diào)速控制。文獻(xiàn)[1]在永磁同步電機(jī)矢量模型下建立了模糊PI控制的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，削弱了電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，加強(qiáng)了電機(jī)響應(yīng)速度與精度。文獻(xiàn)[2]提出根據(jù)誤差絕對(duì)值范圍不同而引入不同比例或積分環(huán)節(jié)思想，設(shè)計(jì)出改進(jìn)型PI控制器，超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差和轉(zhuǎn)速追蹤響應(yīng)時(shí)間均有所降低。文獻(xiàn)[3]根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速不同提出速度分區(qū)調(diào)速方法，電機(jī)低速負(fù)載能力和最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速得到增強(qiáng)。

在傳統(tǒng)逆變器工作過(guò)程中，死區(qū)和輸出電壓的降低不可避免，影響波形質(zhì)量和寬范圍調(diào)速。浙江大學(xué)彭方正教授[4]提出Z源逆變器，允許同一橋臂的直通和輸出電壓的增益。文獻(xiàn)[5]分析電池電壓跌落對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響，采用雙向Z源逆變器拓?fù)渖咧绷髂妇€電壓，改善動(dòng)力性能。文獻(xiàn)[6]根據(jù)傳統(tǒng)脈寬調(diào)制策略并保證其諧波性能特征，分析Z源逆變器的連續(xù)、斷續(xù)工作模式。文獻(xiàn)[7]根據(jù)準(zhǔn)Z源逆變器小信號(hào)模型，設(shè)計(jì)出直通占空比的電壓電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，并針對(duì)準(zhǔn)Z源逆變器的特殊性，對(duì)空間矢量調(diào)制加以改進(jìn)，以提高直流或交流負(fù)載的干擾性。文獻(xiàn)[8]根據(jù)不同車速對(duì)直流母線電壓增益與否來(lái)改善汽車動(dòng)力性能，適用于寬調(diào)速運(yùn)行、轉(zhuǎn)矩和功率頻繁變化場(chǎng)合。文獻(xiàn)[9]利用電感型Z源逆變器高增壓特性，調(diào)整電機(jī)輸入電壓，構(gòu)建一種抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的控制方式。

根據(jù)上述研究背景，本文設(shè)計(jì)基于雙向Z源逆變器的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，建立永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，研究Z源逆變器空間矢量調(diào)制算法，確定零矢量的插入時(shí)刻，采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方式，仿真驗(yàn)證電機(jī)控制效果。

1 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案

電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)方案見(jiàn)圖1所示，由蓄電池、雙向Z源逆變器模塊、永磁同步電機(jī)、位置與速度檢測(cè)模塊、速度與電流控制模塊、SVPWM生成模塊等組成。電機(jī)輸出的三相電流經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換得到dq坐標(biāo)系上的值。d軸電流與參考值比較后送入電流控制器。同時(shí)，通過(guò)位置與速度檢測(cè)模塊檢測(cè)出永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速并與其參考值比較后，經(jīng)轉(zhuǎn)速控制器得到q軸參考電流，在與實(shí)際電流值比較后送到電流控制器。將兩個(gè)經(jīng)過(guò)比較后的值經(jīng)過(guò)Park逆變換后送入PWM生成模塊得到PWM信號(hào)來(lái)控制逆變器橋臂開關(guān)的通斷。其中，d軸電流，直通占空比和轉(zhuǎn)速為此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的3個(gè)控制參考值。

圖1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)用Z源逆變器控制系統(tǒng)示意圖

2 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)方程及其坐標(biāo)變換

根據(jù)永磁同步電機(jī)電氣關(guān)系，忽略定子渦流和磁滯等損耗，三相靜止ABC坐標(biāo)系下的電壓方程為[10]

(1)

式中，ua、ub、uc分別為三相定子繞組相電壓，ia、ib、ic分別為三相定子繞組相電流，ψa、ψb、ψc分別為三相定子繞組產(chǎn)生的磁鏈，Rs為電樞電阻。

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，為了控制簡(jiǎn)單，需將電機(jī)在ABC坐標(biāo)系的方程轉(zhuǎn)換成兩相靜止αβ坐標(biāo)系和兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系的方程。ABC坐標(biāo)系到αβ坐標(biāo)系的Clark變換矩陣及逆矩陣為

(2)

(3)

αβ坐標(biāo)系到dq坐標(biāo)系的Park變換矩陣及逆矩陣為

(4)

(5)

3 Z源逆變器工作原理

Z源逆變器驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī)拓?fù)淙鐖D2所示，由直流電源、Z源網(wǎng)絡(luò)、三相逆變橋和永磁同步電機(jī)組成。其中，Z源網(wǎng)絡(luò)由對(duì)稱電感和電容組成，與直流電源和傳統(tǒng)三相電壓型逆變器耦合。

圖2 基于Z源逆變器的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)

由于Z源網(wǎng)絡(luò)的存在，三相逆變橋在傳統(tǒng)6個(gè)有效矢量和2個(gè)零矢量基礎(chǔ)上多了直通零矢量，其直通態(tài)和非直通態(tài)的等效電路如圖3所示。

圖3 Z源逆變器的等效電路

直通狀態(tài)下，VC+VL=Vd,VL=VC=0.5Vd。非直通狀態(tài)下：VC+VL=V0,VL+Vi=VC。如果直通時(shí)間為T0非直通時(shí)間為T1，根據(jù)伏秒平衡原則，穩(wěn)態(tài)時(shí)電感平均電壓為0，即

(6)

(7)

(8)

4 Z源逆變器的SVPWM算法

矢量調(diào)制算法由3個(gè)步驟組成：扇區(qū)判斷，作用時(shí)間和切換點(diǎn)的計(jì)算。

4.1 扇區(qū)判斷

電機(jī)輸入電壓Uref所在扇區(qū)由在αβ坐標(biāo)系下的兩個(gè)分量決定，如圖4所示。

圖4 空間矢量扇區(qū)

表1 扇區(qū)表

4.2 作用時(shí)間及切換點(diǎn)的計(jì)算

令兩個(gè)相鄰非零矢量作用時(shí)間分別為T1,T2，傳統(tǒng)零矢量作用時(shí)間為T0，直通零矢量作用時(shí)間為t0，根據(jù)圖4可知各矢量的作用時(shí)間為

(9)

式中，D為直通零矢量占空比。將直通零矢量完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)零矢量，以最大程度提升增壓比。將直通零矢量平均分為6等分，插在開關(guān)切換的時(shí)刻，且一個(gè)周期內(nèi)直通次數(shù)由3個(gè)橋臂均分，如圖5所示。上橋臂S1, S3, S5的切換時(shí)間為

(10)

下橋臂S4, S6, S2的切換時(shí)間為

(11)

圖5 插入直通矢量的PWM波形

5 系統(tǒng)仿真

5.1 系統(tǒng)仿真模型及參數(shù)

根據(jù)圖1及以上分析，采用Matlab/Simulink軟件建立PMSM矢量控制系統(tǒng)仿真模型，如圖6所示，系統(tǒng)模型由雙向Z源逆變器模塊、SVPWM模塊、坐標(biāo)變換模塊、位置與速度檢測(cè)模塊和PI調(diào)節(jié)模塊組成，采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方式。在SVPWM模塊內(nèi)得到6路包含直通矢量的PWM信號(hào)，對(duì)Z源逆變器進(jìn)行矢量調(diào)制。同時(shí)，對(duì)同一橋臂上下兩開關(guān)的PWM信號(hào)進(jìn)行“AND”操作得到三路信號(hào)后進(jìn)行“NOR”操作獲得一路信號(hào)，作為直流側(cè)反向并聯(lián)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

其中，Z源網(wǎng)絡(luò)參數(shù)取電感L1，L2為10 μH，電容C1,C2為33 μF。永磁同步電機(jī)參數(shù)取d軸電感5.25 mH，q軸電感12 mH，定子電阻0.958 Ω。載波頻率為10 kHz，直通占空比為0.2，調(diào)制度為1。直流電源為600 V。

圖6 永磁同步電機(jī)矢量控制模型

5.2 仿真結(jié)果與分析

仿真總時(shí)間為0.3 s，在0.15s時(shí)刻突加10 Nm 的阻力轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速參考值為1000 r/min。輸出電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖7所示，阻力轉(zhuǎn)矩施加之前，電磁轉(zhuǎn)矩趨于0，阻力轉(zhuǎn)矩施加之后，在“10 Nm” 上下波動(dòng)，以平衡阻力轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速波形如圖8所示，在0.05 s時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到參考值，永磁同步電機(jī)經(jīng)過(guò)外加阻力轉(zhuǎn)矩作用后，在0.02 s內(nèi)恢復(fù)到原轉(zhuǎn)速值，結(jié)果表明本調(diào)速方法達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間短，抗外界干擾能力強(qiáng)。電機(jī)輸入線電壓波形如圖9所示，符合正弦分布規(guī)律，可使磁鏈趨于理想圓，并有效減少諧波的產(chǎn)生。電機(jī)輸出相電流波形如圖10所示，波形趨于正弦波，諧波含量少，并且對(duì)外界阻力轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快。圖11為蓄電池電壓陡降到300 V時(shí)的轉(zhuǎn)速波形，與圖7比較可知，兩波形相差不大，表明空間矢量調(diào)制的雙向Z源逆變器在電池電壓陡降時(shí)，可以表現(xiàn)良好的穩(wěn)定性。

圖7 電磁轉(zhuǎn)矩波形

圖8 轉(zhuǎn)速波形

圖9 電機(jī)輸入電壓波形

圖10 電機(jī)輸出相電流波形

圖11 電源電壓降為300V時(shí)的轉(zhuǎn)速波形

6 結(jié) 語(yǔ)

本文采用雙向Z源逆變器，通過(guò)空間矢量調(diào)制方式對(duì)電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)進(jìn)行施加外部阻力轉(zhuǎn)矩和蓄電池電壓突降兩種工況下的調(diào)速研究。提出通過(guò)改變直通占空比的大小對(duì)直流母線電壓進(jìn)行升壓的控制策略。仿真結(jié)果表明此種調(diào)速方式具有良好的抗負(fù)載干擾能力和抵抗蓄電池電壓陡降時(shí)的影響，有效保證電動(dòng)汽車行駛平穩(wěn)性，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。