基于DSP的混合动力汽车永磁同步电机的矢量控制系统

夏若飞，祝龙记，朱 红，陆 康

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001）

1 前言

由于当今社会所面临的能源和环境双重压力，要求人类必须更加合理的利用能源，减少污染气体的排放，因此开发新能源汽车得到了全世界的关注[1]。到目前为止，电动汽车根据其能量来源可分为纯电动汽车、氢发动机汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车。常用的电动汽车电机有：永磁同步电机、感应电机和开关磁阻电机[2]。由于混合动力汽车采用电动力源和发动机双重装置，所以可显著提高续航里程。传统的混合动力汽车启动时转速响应和静态特性不是很好，因此还有待于提高。

相对于开关磁阻电机和感应电机，永磁同步电机的转矩较大，结构简单，低损高效，调速性能较好[3]。高性能的永磁同步电机控制方法主要有直接转矩控制和矢量控制。直接转矩控制是直接在定子静止坐标系下，通过检测到的定子电压和电流，计算与控制电动机的磁链和转矩，获得高动态性能的转矩[4]。而矢量控制是将交流电机通过坐标变换等效成直流电机，用直流电机的控制方法来控制交流电机，但是永磁同步电机的控制系统会相对复杂一些。

本文采用双闭环控制混合动力汽车的永磁同步电机，设计整个系统，并且通过实验结果验证了系统的可靠性。

2 控制原理

电动汽车永磁同步电机驱动控制系统结构图如图1所示，主要由电池、三相鼠笼型永磁同步电机、三相电压型PWM逆变器、微处理器和伺服系统构成。采用的30 kW三相四极的3 600 r/min的水冷和风冷永磁同步电机是与312 V的电源匹配的。伺服系统主要包括冷却系统和指示系统[5]。

按转子磁链定向的矢量控制基本思路是利用坐标变换，通过按转子定向的同步变换正交坐标系，得出等效的直流电动机模型，这样就可以使用对直流电动机的控制方法来控制磁链和电磁转矩，再反变换到三相坐标系的对应量，实施控制。

图1 电动汽车永磁同步电机驱动控制系统结构图Fig.1 The drive control system structure of permanent magnet synchronous motor

在图2中，ASR为转速调节器，AΨR为转子磁链调节器；ACMR为定子电流励磁构，内环为电流环，外环为转子磁链环或转速环，转子磁链给定与实际转速有关；ACTR为定子电流励磁分量调节器；FBS为转速传感器。对转子磁链和转速而言，均表现为双闭环控制的系统结构[6]。在额定转速以下时，转子磁链给定保持恒定；在额定转速以上时，转子磁链给定相应减小。将检测到的三相电流施行3/2变换和旋转变换，得到mt坐标系中的电流ism和ist。采用PI调节软件构成电流闭环控制，电流调节器的输出为电子电压给定值和，经过反旋转变换得到静止两相坐标系的定子电压给定值和，再经过 SVPWM 控制逆变器输出三相电压。

图2 定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制系统结构图[7]Fig.2 The closed-loop control structure of stator current excitation and torque component of the vector control system[7]

3 数学模型

尽管永磁同步电机结构很简单，但由于其数据的数量庞大而且是非线性的，而且存在耦合关系，所以它的数学模型很复杂。如图3所示，A，B，C三相静止坐标系可以转换成α，β两相静止坐标系，而且a轴和α轴同向。若用M轴表示转子磁链ψ*r，则可以把α，β两相静止坐标系转换成M，T两相旋转坐标系。在同步旋转坐标系（M，T）中，三相鼠笼型永磁同步电机的电压方程可以用式（1）表示

图3中，静止的空间矢量is可以分解为沿M轴的励磁电流和沿T轴的转矩电流。永磁同步电机的磁链方程见式（2）

在式（1）、式（2）中，Rs是单位静止电阻；Rr是单位旋转电阻；Ls是单位静止电感；Lr是单位旋转电感；Lm是单位互感；p为积分算子；uM、uT分别为M轴和T轴的静止电压；im、it分别为M轴和T轴的旋转电流；iM、iT分别为M轴和T轴的静止电流；ωs为同步频率；ωr为旋转频率；ωs1=ωs-ωr，为相对频率；ψM是M轴的静止磁链；ψT是T轴的静止磁链；ψm是M轴的旋转磁链。

图3 电流和电压与旋转坐标系M，T以及静止坐标系a，b，c的关系Fig.3 The relationship among current and voltage，the rotating coordinate system M，T and stationary coordinate system a，b，c

从式（1）、（2）中，可以推断出旋转磁链ψ和转矩Te的公式

式（3）、式（4）中Tr=Lr/Rr为转子时间常数，p为极对数。

由式（3），式（4）可推得

可见，转矩Te取决于静止电流iM和iT。

4 仿真研究

为了验证在该矢量控制系统的控制下，永磁同步电机的性能，在MATLAB的环境下仿真，并做进一步的分析。

4.1 转速阶跃变化的性能测试

将负载设定为4.8 N·m，转速设定在5.8 s由50 r/min突增到100 r/m in，测得的相电流波形和转速曲线如图4所示。

4.2 负载阶跃变化的性能测试

将转速设定为100 r/m in，负载设定在5.8 s由空载突增到4.8 N·m，测得的相电流波形和转速曲线如图5所示。

图4 转速阶跃变化的相电流波形和转速曲线Fig.4 Phase current waveform sand speed curve when step changes of rotational speed

图5 负载阶跃变化的相电流波形和转速曲线Fig.5 Phase current waveform sand speed curve when step changes of load

图4表明，当转速发生突增时，电机的实际转速在0.05 s后就达到新的稳定状态，响应时间很短。电流波形表明在经过0.1 s以后也达到新的稳定，动态过程时间短，而且电流响应速度快，转速和电流的超调量都小。图5则表明，当负载发生突增时，电流波形的变化反映了转矩的变化。而且转速响应波动较小，动态性能较快。以上结果表明，该永磁同步电机的矢量控制系统具有很好的静态和动态性能。

5 结语

本文在传统的混合动力汽车基础上，采用了一种基于DSP的矢量控制方案。通过系统仿真和实验，结果表明系统能平稳的运行，改进的矢量控制系统的转速超调比先前有所减小，响应速度快，可以满足混合动力电动汽车对控制系统的要求，达到预期的设计目标，使永磁同步电机获得了快速的转速响应和稳定的静态特性。

[1] 陈晓丽.混合动力汽车电驱动控制系统研究[D].上海：上海交通大学，2008（5）：1-2.

[2] 廖永衡，冯晓云，王 珍.基于定子磁链滑模观测器的异步电机空间矢量调制直接转矩控制[J].中国电机工程学报，2012，(18)：106-112.

[3] 陈正龙.混合电动汽车能源总成控制器及驱动电机的矢量控制研究[D]．湖南：湖南大学，2007（3）：8-9.

[4] 陈 勇，张大明，姜丕杰.电动汽车用异步电机矢量控制系统仿真分析[J].系统仿真学报，2007，19（16）：3761-3765.

[5] Enrique L，Carrillo Arroyo.Modeling and simulation of permanent magnet synchronous motor drive system[D].UM I：University of Puerto Rico Mayaguez Campus，2006（5）：31-41.

[6] 聂晓华，肖倩华，刘建国，等.一种应用于电动汽车的异步电动机矢量控制方法[D].南昌：南昌大学学报（工学版），2013.

[7] 阮 毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2011.