《1 前言》

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》

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》

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ψr* 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ψr* 保持恒定；在额定转速以上时，转子磁链给定ψr* 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usm* 和ust* ，经过反旋转变换得到静止两相坐标系的定子电压给定值Usα* 和 Usβ* ，再经过 SVPWM 控制逆变器输出三相电压。

《图2》

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》

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，而且轴和α 轴同向。若用M轴表示转子磁链ψr* ，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 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；i m 、i t 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》

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T e 的公式

式（3）、式（4）中 T r =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T e 取决于静止电流iM 和iT 。

《4 仿真研究》

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》

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/min，测得的相电流波形和转速曲线如图4所示。

《图4》

图4 转速阶跃变化的相电流波形和转速曲线

Fig. 4 Phase current waveforms and speed curve when step changes of rotational speed

《4.2 负载阶跃变化的性能测试》

4.2 负载阶跃变化的性能测试

将转速设定为100 r/min，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5》

图5 负载阶跃变化的相电流波形和转速曲线

Fig. 5 Phase current waveforms and 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》

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。