电动汽车永磁同步电机工况仿真分析

Simulation and Analysis of the Operating Conditions of PMSM on Electric Vehicle

赵　钢　成丁雨

(天津理工大学天津市复杂控制理论与应用重点实验室，天津　300384)



电动汽车永磁同步电机工况仿真分析

Simulation and Analysis of the Operating Conditions of PMSM on Electric Vehicle

赵钢成丁雨

(天津理工大学天津市复杂控制理论与应用重点实验室，天津300384)

摘要：永磁同步电机因其优越的特性可以作为电动汽车的驱动电机。为了测试电机运行过程中不同工况的性能，对永磁同步电机数学模型、控制策略进行了分析,并根据永磁同步电机的数学模型设计了电机控制方案。在Matlab/Simulink仿真平台上，构建了永磁同步电机转速电流双闭环控制系统，在不同的运行工况下对系统进行了仿真。仿真结果验证了在不同工况下永磁同步电机具有良好的动、静态特性。 是现代科技论文的必要附加部分，只有极短的文章才能省略。它是帮助读者从浩瀚的信息海洋中能较快、较准地找到他们所需要的科技信息的一种有效工具。摘要一般置于作者及其工作单位之后、关键词之前。

关键词：永磁同步电机电动汽车电机工况电机控制电机模型脉宽调试零排放电磁转矩

Abstract：Permanent magnet synchronous motor (PMSM) can be used as the drive motor of electric vehicle because of its superior characteristics,in order to test its performance under different operating conditions,the mathematical model and control strategy of PMSM are analyzed,and the motor control strategy in accordance with the mathematical model is designed.The dual closed-loop control system for the rotating speed current of PMSM is established on Matlab/Simulink simulation platform,and the system is simulated under different operating conditions.The results of simulation verify that the PMSM possesses excellent dynamic and static performances under various operating conditions.

Keywords:PMSMElectric vehicleOperating condition of motorMotor controlMotor modelPWMZero emission

Electromagnetic torque

0引言

当今能源危机和环境污染越来越引起大家关注，电动汽车以其零排放、无污染的特点，具有广阔的发展前景。而电机作为电动汽车动力系统的核心，其控制技术是电动汽车关键技术之一。电机的控制性能直接影响了电动汽车的整体性能，因此，电机的控制技术已成为电动汽车的研究热点[1]。

电动汽车运行工况非常复杂，包括从汽车启动到匀速运行，再到刹车制动以及高低速行驶等各种复杂的运行要求，而且，电动汽车的负载和其所处的路况有着密切的关系，例如上坡、下坡、加速、减速等，这就需要分析在不同工况下转速和转矩的关系。因此电动汽车电机控制系统需要达到的目的就是获得高性能电机转矩和转速的控制，从而达到电动汽车在运转过程中的控制要求。为了使电动汽车平稳可靠地运行，电机控制系统需具有精度高、响应快、转矩脉动小等特点，使电机输出平稳的电磁转矩，从而获得良好的调速性能。

1系统仿真模型建立

根据矢量控制策略[2]的基本思想：通过坐标变换的方法，可以将永磁同步电机的数学模型等效为直流电机模型，实现电机的数学模型解耦。通过控制器的设计，对电机交轴电流和直轴电流分别进行控制，使永磁同步电机具有直流电机的调速特性。本文采用电流转速双闭环的控制结构，根据基于转子磁链定向的矢量控制的基本原理构建永磁同步电机控制系统结构图[3]，如图1所示。

在三相坐标系上的定子交流电流iA、iB、iC，通过3/2 变换将三相静止坐标系转换到两相静止的正交坐标系，从而得到α-β坐标系下的两相电流isα、isβ;再通过与转子磁链的同步旋转变换，可以得到旋转正交坐标系上的直流电流id和交轴电流iq[4]。这样经过Clark变换、Park变换就实现了定子电流两个分量的解耦。根据PMSM的数学模型对转速电流控制器进行设计，对id和iq进行控制，得到期望输出，经过Park逆变换和SVPWM得到PWM信号，进而控制功率开关管的导通顺序，使电机稳定运行[5]。

根据图1所示控制系统结构图，在Matlab/Simulink中搭建电机控制系统。图1中，FBS表示电机转子速度位置反馈信号检测。整个系统主要包括PMSM、三相逆变器、转速电流调节器、坐标变换模块以及SVPWM调制模块，其中电机、逆变器直接在Simulink 中调用相应的模型，控制器采用PI控制。系统需要根据电机模型进行设计，搭建坐标变换和SVPWM模块[6]。

图1　矢量控制系统结构图

本设计选择的PMSM额定功率为 28 kW，额定转矩为 130 N·m，额定电流为 52 A，转矩常数为 2.5 Nm/A，转子转动惯量为 28.5 kg·m2，额定电压为 333 V，相电阻为 0.05 Ω，相电感为1 mH，反电动势为149 V/(krad·min-1)。根据电机参数以及电机调速系统动态结构图，对电流控制器和转速控制器进行设计。在Simulink 中构建完整的电机控制系统，如图2所示。

图2　永磁同步电机矢量控制系统仿真模型

2永磁同步电机仿真分析

2.1启动特性仿真

电动汽车的首要性能就是启动特性。首先，考虑极限状况，转速给定突加 2 000 r/min，负载转矩为100 N·m，观察电机转速转矩特性。在0.2 s负载转矩突变为150 N·m，观察电机转速、转矩波形变化，如图3 所示。

由仿真波形可知，电机转矩响应基本上突变为限幅值，在恒转矩的条件下，转速上升时间为0.06 s，超调量小于2%。因此，电机启动转速转矩响应速度快，满足系统要求指标。在负载转矩变化时，转矩迅速超调，转速波动小于5%，且迅速跟随给定值，保证转速不受影响，最终转速转矩保持稳定。

图3　启动工况波形

仿真结果表明，电机控制系统启动性能达到要求，抗扰性能好。

2.2制动特性仿真

电动汽车在运行过程中经常会发生频繁的制动工况，良好的制动性能是电动汽车一个重要的指标。制动性能的好坏甚至关系到人身安全问题，所以系统更需要良好的制动性能。首先，转速给定突加2 000 r/min，负载转矩为100 N·m，在0.2 s 负载转矩突变为150 N·m，0.3 s突加制动信号，使转速给定为0，观察电机转速、转矩波形变化，如图4所示。

图4　制动工况波形

由仿真波形可知，电机制动时，电机电磁转矩迅速反向，电机转速在0.02 s内下降为0，且超调量小于5%，说明转速转矩响应速度快，超调量小，可以可靠地实现制动功能。仿真结果表明，电机控制系统的制动性能达到系统要求，抗扰性能好。

运用SVPWM控制算法控制三相逆变桥功率管的导通顺序，使得输出的电压矢量为正六边形，得到旋转磁链圆[8]。假设旋转磁场逆时针方向为正方向，则顺时针为制动和反转方向。由于不方便观察磁链的旋转方向，所以从磁链圆和空间矢量输出的仿真结果无法看出电机是否处在制动过程，但是可以从三相定子电流的相位变化中得到空间矢量输出以及磁链圆反转的信息。电机稳定运行时，空间矢量以及磁链圆三相定子电流是相互对应的，这时ABC三相电流相差120°，如果三相电流相序发生变化，则表明磁链圆旋转方向发生变化，即电机处于制动工况。三相电流相位变化仿真图如图5所示。由仿真结果可知，在制动信号发出后，电机三相电流相序颠倒，进行制动。

图5　制动电流波形

2.3基本工况运行仿真

电动汽车在运行过程中最基本的工况要求就是前进、加减速、刹车、倒车等，要完成这些工况本质上就是要实现电机的四象限运行，即实现电机正向电动、制动和反向电动等要求。因此对电机进行四象限运行仿真验证。

电机负载转矩为恒转矩100 N·m，0.3 s后突变为150 N·m，转速给定为1 000 r/min，0.2 s 突变为2 000 r/min，0.4 s 转速给定突变为0，0.5 s突变为-1 000 r/min，在速度给定和转矩给定下验证电机运行状况，仿真结果如图6所示。

图6　基本工况运行波形

由转矩转速波形可知，电机可以实现多种工况下的稳定运行，而且转矩转速响应速度快，稳定运行时静差范围在5%以内，符合设计要求。由此可以验证永磁同步电机可以实现基本工况运行，并且可以达到设计要求。

由SVPWM 控制思想[9]可知，控制开关管导通顺序是为了在电机三相绕组中产生旋转磁场，空间矢量输出为正六边形，磁链波形为一组同心圆，半径由转速决定。而这种情况表现在电机三相定子电流上是三相互差120°的正弦波，幅值与负载转矩成正比，频率与转速成正比。电机三相电流波形图如图7所示。

图7　基本工况电流波形

由永磁同步电机转矩方程[10]可知，采用id= 0控制时，转矩与iq成正比，id、iq波形图如图8所示。同时由电磁转矩与交轴电流iq之间呈线性关系可知，当电机处于电动状态下，iq与电磁转矩为正，转速上升；当电机处于制动和反转时，iq电流和转矩变为负值，此时转速也开始下降或反转。

图8　交直轴电流波形

3结束语

本文对永磁同步电机在d-q坐标系下数学模型进行分析，采用基于转子磁链定向的矢量控制策略，采用转速电流双闭环的控制结构、控制电机直轴电流id=0的控制算法，构建电动汽车控制系统。在Matlab/Simulink 仿真平台下搭建电机控制系统仿真，并对电机运行工况进行分析。通过仿真，对电动汽车驱动系统不同工况下的启动性能、调速性能、制动性能以及四象限运行进行验证，得到仿真结果与理论分析结果相符。

参考文献

[1] 陈虹，宫洵．汽车控制的研究现状与展望[J]．自动化学报，2013，39(4)：322-346．

[2] 李耀华，刘晶郁．永磁同步电机矢量控制系统MTPA控制实现[J]．电气传动自动化，2011,33(4)：9-11

[3] 张玲，胡赤兵，杨荣荣．PMSM调速系统SVPWM 控制的建模仿真[J]．科学技术与工程，2008，8(9)：2435-2438．

[4] 艾青，陈功贵．电动汽车用永磁同步电机调速系统研究[J]．牡丹江大学学报，2012，21(2)：147-149．

[5] Mohamed A，Benaifa N，Nowicki E．A PMSM drive design with inverter-stage soft-switching hysteresis current control and space vector modulation for two-level operation of a very sparse matrix converter[C]//IEEE Electrical Power & Energy Conference，2009：1649-1661．

[6] 王桂荣，李太峰．基于SVPWM 的PMSM 矢量控制系统的建模与仿真[J]．大电机技术，2012(2)：9-12．

[7] 高延荣，舒志兵，耿宏涛．基于Matlab/Simlink的永磁同步电机(PMSM)矢量控制仿真[J]．机床与液压，2008，36(7)：297-299．

[8] 苏娟莉，张双运，靳小军．PMSM控制系统中SVPWM与SPWM的比较研究[J]．西安文理学院学报：自然科学版，2006，9(2)：55-58．

[9] 宋舒，龚建国，林薇．基于SVPWM的永磁同步电动机控制系统仿真与实验研究[J]．武汉理工大学学报，2012，34(4)：118-122．

[10]洪乃刚．电力电子、电机控制系统的建模和仿真[M]．北京:机械工业出版社，2009．

科技期刊中文文摘的撰写

根据GB/T 6447-1986《文摘编写规则》关于摘要的定义，摘要是以提供文献内容梗概为目的，不加评论和补充解释，简明、确切地记述文献重要内容的短文。按摘要的不同功能来划分，它大致分为报道性摘要、指示性摘要、报道-指示性摘要3种类型。一般的科技论文应尽可能采用报道性摘要。摘要中应写的内容一般包括研究工作的目的、方法、结果和结论，而重点是结果和结论。根据有关规定，撰写摘要应注意以下几点。

① 省略“我们”“作者”“笔者”“本文”这样的主语。

② 简短精炼，明确具体。简短，指篇幅短，一般以不超过200字为宜(依摘要类型而定)；精炼，指摘录出原文的精华，无多余的话；明确具体，指表意明白，不含糊，无空泛、笼统的词语，应有较多而有用的定性和定量的信息。

③ 一般不要交代背景，更不要阐述一般性知识。

④ 格式要规范，一般不分段，尽可能用规范术语，不用非共知共用的符号和术语。不能简单地重复题名中已有的信息，并切忌罗列段落标题来代替摘要。除了实在无变通办法可用以外，一般不出现插图、表格，以及参考文献序号，一般不用数学公式和化学结构式。

中图分类号：TH86;TP273

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602002

修改稿收到日期：2015-04-27。

第一作者赵钢(1962-)，男，1984年毕业于天津大学冶金分校自动化专业，获学士学位，教授；主要从事永磁同步电机驱动技术、电动汽车电池管理等方向的研究。