電動汽車永磁同步輪轂電機(jī)控制方法的研究

宋先軍

(上海大郡動力控制技術(shù)有限公司，上海201114)

[摘要]近幾年我國純電動汽車發(fā)展速度越來越快，但研發(fā)純電動汽車時(shí)會因?yàn)閭鹘y(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)理念受到阻礙，在電動汽車中，有一種新型的驅(qū)動電力技術(shù)——永磁同步輪轂電機(jī)，依據(jù)電動汽車自身的特點(diǎn)，出現(xiàn)了永磁同步輪轂電機(jī)設(shè)計(jì)，電機(jī)在車輪內(nèi)部進(jìn)行安裝。輪轂直接驅(qū)動前進(jìn)，和傳統(tǒng)輪轂電機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)相比，潛力巨大。基于對電動汽車的永磁同步輪轂電機(jī)控制方法進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞 變頻技術(shù)永磁同步電機(jī) 矢量控制 三電平逆變器

中圖分類號U469

1永磁同步電機(jī)的發(fā)展概述

永磁同步電機(jī)具有效率高、輕量化以及高動態(tài)性能等三個(gè)特點(diǎn)。而且永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)組件主要有電流、電機(jī)，控制器和逆變器、速度傳感器等。伴隨著電力電子技術(shù)密切結(jié)合微電子控制技術(shù)的程度加深，F(xiàn)PGA和IH1的技術(shù)也得到很大的發(fā)展，使用永磁同步電機(jī)( PMSM)的頻率越來越高，而且研究控制方法如自適應(yīng)控制方法以及無位置傳感器等也多了起來。控制電機(jī)很多控制系統(tǒng)都是雙閉環(huán)控制，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)則為電流環(huán)，轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)是轉(zhuǎn)速負(fù)反饋?zhàn)饔茫请娏魍瑯邮怯呻娏髫?fù)反饋實(shí)現(xiàn)的。n

永磁同步電機(jī)的最大特點(diǎn)就是：轉(zhuǎn)速與電源頻率完全同步而且無差率。電力電子變壓變頻技術(shù)發(fā)展起來之后，調(diào)速的實(shí)現(xiàn)基本要靠變壓變頻.(Variable Voltage。Variable Fre-quency，WVF)，對于該怎樣控制變壓變頻，在發(fā)展、中已經(jīng)提出了新的控制策略，提高了控制性能，成本也得到降低。

2永磁同步電機(jī)控制方法

2.1矢量控制方法

矢量控制理論是在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的，最根本的目的是定向控制定子電流相位以及矢量幅值。坐標(biāo)變換電機(jī)的電流、三相電壓、磁鏈三相后，就有了兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系產(chǎn)生，同時(shí)定子電流分解為轉(zhuǎn)矩分量以及勵(lì)磁分量兩個(gè)分量，相互正交，前者較后者滯后90。矢量控制是控制轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量的，永磁同步電機(jī)就得到控制。和直流電機(jī)控制方式一樣，控制方式也是如此。通常勵(lì)磁分量保持不變，控制轉(zhuǎn)矩分量。這種控制方式具有眾多優(yōu)勢，如控制精度比較高，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快。

2.2直接轉(zhuǎn)矩控制方法

和矢量控制方法相比，雖然提出直接轉(zhuǎn)矩控制方法的時(shí)間晚了10年，但它依然是永磁同步電機(jī)的最重要控制方式之一。矢量控制方法是利用控制定子電流對電機(jī)進(jìn)行控制，那么直接轉(zhuǎn)矩控制方法就相反，通過控制磁鏈走向，進(jìn)一步控制電磁轉(zhuǎn)矩，直到直接控制了電機(jī)。具體分析就是，居于定子坐標(biāo)系下，利用觀測器對轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行觀測，進(jìn)一步比較這兩個(gè)值和相應(yīng)參考值的差別，基于定子磁鏈的位置，再把兩個(gè)差值經(jīng)過對應(yīng)的滯環(huán)比較器，在對電壓矢量進(jìn)行最優(yōu)選擇時(shí)要基于開關(guān)表部分，對逆變器的通斷進(jìn)行控制，以此就達(dá)到了控制電機(jī)的實(shí)現(xiàn)。該方法的優(yōu)勢更加明顯，如性能良好、對電機(jī)參數(shù)依賴小以及坐標(biāo)變換不很復(fù)雜等。

3永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

3.1永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)

相比于其他的電勵(lì)磁電機(jī)，永磁同步電機(jī)有高轉(zhuǎn)矩慣量比、效率較高及高功率密度等優(yōu)勢，在很多領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用。和電勵(lì)磁同步電機(jī)不同，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子材質(zhì)是高性能的磁性材料制成的，沒有勵(lì)磁線圈與滑環(huán)等結(jié)構(gòu)，取代電勵(lì)磁電機(jī)電樞繞組，簡化同步電機(jī)的大小以及整體結(jié)構(gòu)，有效提高了電機(jī)效率。相比電勵(lì)磁同步電機(jī)的定子部分，永磁同步電機(jī)的定子部分也一樣，主要包括了定予繞組以及定子鐵心，定子繞組是星形連接。永磁同步電機(jī)分類有很多的分析方法，基于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體的位置不一致分為內(nèi)置式以及貼面式兩種方法，貼面式有外表貼面式和內(nèi)表貼面式兩種。

3.2永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

本文是以三相兩極永磁同步電機(jī)舉例，分析永磁同步電機(jī)，采用的一般化的數(shù)學(xué)模型。轉(zhuǎn)子是永磁性的。在研究中，通常會基于忽略次要因素的前提下，做如下假設(shè)：忽略磁化曲線的飽和非線性因素、定子繞組的效應(yīng)以及定子電阻和漏抗的影響等。一般變換遵循正交變換矩陣，這是為了計(jì)算方便;不論是變換前還是變換后，電機(jī)的功率始終是遵循能量守恒;不管坐標(biāo)系怎樣變化，電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場始終恒等。重基于三電平逆變器的滑模控制電機(jī)系統(tǒng)

近幾年，要控制永磁同步電機(jī)，不能離開的調(diào)速方式就是可變壓可變頻方式。由于逆變器產(chǎn)生變壓變頻信號，由此逆變器與電機(jī)的控制有著密切聯(lián)系。但是永磁同步電機(jī)在運(yùn)行中，依然有一些問題，如電能利用率低以及轉(zhuǎn)矩脈動大等困擾，始終有著諧波危害( EMI)的出現(xiàn)。在PMSM控制系統(tǒng)中，解決這些問題，就提出了引入三電平逆變器的可行性研究方案。

三電平變換器控制中，最基礎(chǔ)的控制方式就是PWM控制方法，在掌握PWM控制法的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了準(zhǔn)正弦波PWM、SVPWM(空間矢量調(diào)制)、SPWM等算法。目前相對來說，“SVPWM方法還是比較成熟的，而且控制效果也較好。選擇三電平空間矢量調(diào)制法最重要的原因就是有27個(gè)空間矢量，兩電平逆變器具有8個(gè)空間矢量，此法判斷區(qū)域生很復(fù)雜，在計(jì)算在對應(yīng)區(qū)域每一個(gè)矢量時(shí)間作用時(shí)間上也是很復(fù)雜，但優(yōu)點(diǎn)大于缺點(diǎn)，此調(diào)制算法使磁同步電機(jī)更好地完成驅(qū)動控制，使電壓利用率得到大大提高。所以，電力電子研究人員把更多焦點(diǎn)集中在此法上。

5永磁同步電機(jī)控制方法的延展

輪轂式電動汽車系統(tǒng)是電子差速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了差速轉(zhuǎn)向動作，在研究電子差速系統(tǒng)時(shí)主要有設(shè)計(jì)電子差速策略和控制輪轂電機(jī)兩部分。基于分配轉(zhuǎn)速，建立了差速策略轉(zhuǎn)向模型，依據(jù)汽車轉(zhuǎn)角信號以及汽車的當(dāng)前速度進(jìn)一步科學(xué)地計(jì)算出了四個(gè)車輪的速度。在四輪轂電機(jī)電動汽車差速運(yùn)動過程申，受到外界各種干擾以及各種參數(shù)的影響，汽車轉(zhuǎn)向模型就有了很大不確定性。因此為了更好地研究，5就簡化了轉(zhuǎn)向模型，此模型的假設(shè)下車體是剛性的，而且車輪做的是純滾動運(yùn)動，后軸中心處的速度即為車速。忽略輪胎的側(cè)偏特性和輪胎差異以及地面影響等。

總之，近幾年在能源急劇短缺以及環(huán)境急劇惡化的背景下，電動汽車作為新興一員，受到越來越多的關(guān)注。出現(xiàn)了輪轂式電動汽車而廣受關(guān)注，它主要是由特殊的動力驅(qū)動系統(tǒng)——電子差速系統(tǒng)構(gòu)成。電子差速系統(tǒng)有電機(jī)控制和電子差速策略兩部分。希望通過本文對電動汽車永磁同步輪轂電機(jī)控制方法的研究，可以有利于電動汽車的發(fā)展，促進(jìn)城市環(huán)境的改善。

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