微型電動汽車用FSPM調速系統建模仿真

劉濤只，全 力，朱孝勇

(江蘇大學，江蘇鎮江 212013)

0 引 言

當前，以內燃機為動力的傳統汽車雖然在發展，但受到石油資源的減少和環境污染這兩大難題的制約，具有無排放、噪聲較低和效率較高等優勢的電動汽車逐漸受到人們的重視。世界各大汽車公司以及各國都大量人力物力用于電動汽車的研究開發。

電動汽車體系中的一個重要分支是微型電動汽車。微型電動汽車，是指最高時速低于50 km，整車重量低于600 kg，一次充電續航里程為70～130 km一類純電動汽車。由于微型電動汽車具有質量輕、價格低、體積小、低速性能好等優點，是一種特別適合中小型城市及廣大農村運行的短途交通工具，出現之后便立即受到了國內外相關領域企業和學者的關注。

微型電動汽車是由儲能電池和能量管理系統、車體、電機驅動系統組成的一類新型運載車輛。蓄電池及電池管理系統技術、車體技術、電機及其驅動控制系統技術等是微型電動汽車的關鍵技術。

與普通微型汽車相比，微型電動汽車減少了發動機動力系統，包括減速箱、起動電機、水冷卻和油箱等部件，增加了電機、驅動控制系統和充電系統。考慮到微型電動汽車存在頻繁起動、加速、巡航、減速、爬坡等工況，且一般仍采用電壓等級為48 V/60 V/72 V的鉛酸電池供電，因此低壓大電流電機在微型電動汽車領域得到了廣泛應用。

本文在理論分析基礎上，以一臺低壓大電流磁通切換電機作為控制對象，應用MATLAB/Simulink構建了基于SVPWM的磁通切換電機驅動系統的仿真模型，并通過仿真及實驗驗證了系統具有穩態精度高、動態響應快、抗擾動能力強等優點，對所提出的SVPWM控制方法進行了有效性驗證。

1 磁通切換電機的結構及工作原理

磁通切換電機(以下簡稱FSPM)是一種新型結構的定子永磁型電機，其結構完全不同于轉子永磁型電機。圖1為一臺三相12/10極FSPM的截面圖。電機的轉子部分為凸極結構，上面既無繞組也無永磁體。定子也是凸極結構，采用集中繞組，繞組端部較小，節省用銅量并減小銅耗。定子中12個線圈共分成了三組，每四個串聯組成一相，例如圖中的A1～A4是A相的四個線圈，以此類推。每個線圈繞組橫跨在兩個定子齒上，中間嵌有一塊交替充磁的永磁體。磁通切換電機FSPM繞組里匝鏈的磁通(磁鏈)會根據轉子的不同位置切換正負極性和數值大小。在一個轉子極距范圍內，對應著電機的一個電周期，磁通的數量會從最大變到最小，方向從進入繞組到穿出繞組。磁通切換電機的特殊結構決定了其定子上每相繞組具有一致性和互補性，確保磁通切換電機每相的永磁磁鏈、反電動勢和電樞電流的波形為正弦波。圖2和圖3分別為電機在額定轉速750 r/min下的三相磁鏈波形和反電動勢波形，圖4為A相頻譜分析結果。

2 FSPM的結構及工作原理

三相FSPM在定子坐標系下的數學模型:

式中:ua、ub、uc為三相相電壓;L0為自感的基波直流分量;M0為互感的基波直流分量;ia、ib、ic為三相電流;Ψa、Ψb、Ψc為三相相繞組匝鏈的總磁鏈;ema、emb、emc為三相反電勢;Rph為每相繞組電阻;Lm為自感波形的脈動幅值;pr為電機轉子極數;θr為轉子位置角;Tpm為電機永磁體產生的永磁磁鏈與電樞電流作用產生的永磁轉矩;Tcog為電機定位力矩;Tr為電機磁阻轉矩;Pem為電機電磁功率。

其中:

忽略電動機鐵心飽和，不計電動機中的渦流和磁滯損耗，經過三相Park變換后FSPM在轉子坐標系下的數學模型:

式中:ud為電機交軸電壓;uq為電機交軸電壓;Ψd、Ψq分別為電機d、q軸繞組中匝鏈的總磁鏈;ωe為電機轉子的電角速度;Ψm為繞組中匝鏈的永磁磁鏈的峰值;Ld、Lq分別為直軸和交軸電感;id、iq分別為直軸和交軸電流。

3 FSPM調速系統的建模

基于FSPM的數學模型，本文對FSPM的SVPWM控制系統仿真建模，采用外速度環和內電流環的雙閉環控制方式，如圖5所示。

圖5 FSPM調速系統原理圖

本系統中，經過測量可得電機三相定子電流ia、ib、ic，經Clarke變換和Park變換為實際直交軸電流id和iq。參考交軸電流由實際轉速與給定參考轉速的差值通過控制器得到，直交軸電壓Ud和Uq由實際交直軸電流id和iq分別和參考直交軸電流比較后經電流調節器生成，再經過變換模塊得到控制電壓Uα、Uβ，最后經過SVPWM模塊生成六路脈沖信號來驅動逆變器模塊產生三相電壓，控制電機轉動。

主要功能包括交通控制系統、運輸系統、在物聯網基礎上建立起來的車輛狀況監測和管理系統、對車輛進行控制系統、行車路線的管理和規劃系統等，利用電子系統對這些功能進行集中協調和管理。

3.1 電機模型

系統建模的關鍵在于電機本體的建模。可以根據FSPM的數學模型中三相電壓方程建立三相繞組子模塊;根據三相輸出轉矩方程和機械運動方程建立運動子模塊。最后將這些子模塊通過接口模塊組合起來就是電機子系統的模型，如圖6所示。

圖6 三相FSPM電機仿真模型

圖中“A+”、“B+”、“C+”為三相繞組與功率變換器主電路相連的三個端口;“Net”是與分裂電容中點相連的三相繞組的公共端;θ為轉子位置的機械角度，它由給定轉速與時間的乘積得到，單位為(°);n為給定轉子轉速，單位為r/min。

3.2 SVPWM 模型

利用MATLAB可建立如圖7所示的SVPWM仿真模型。SVPWM仿真模型主要包括坐標變換模塊、扇區判斷模塊、T1、T2計算模塊、導通時刻計算模塊以及PWM波生成模塊。

圖7 SVPWM仿真模型

3.3 SVPWM控制系統仿真模型

SVPWM控制的FSPM調速系統的仿真模型如圖8所示。

本文采用id=0控制方式。調速系統模型包括電機本體模型、SVPWM模型、三相逆變模型等。

圖8 SVPWM控制系統仿真模型

4 仿真分析

仿真所需的FSPM實驗樣機參數:定子齒數為12;轉子極數為10;定子外徑為160 mm;定子內徑為100 mm;氣隙長度為0.4 mm;轉子內徑為24 mm;有效軸長為80 mm;每相繞組匝數為30;額定轉矩為25.4 N·m;額定電流為20.5 A;每相電阻為0.718 Ω;永磁磁鏈為 0.0987 Wb;摩擦系數為0.003 N·m·s，轉動慣量為 0.008 kg·m2，功率器件的開關頻率為10 kHz。

為了驗證模型有效性，進行了以下的仿真實驗:

(1)負載恒定，轉速突變

保持三相FSPM的負載轉矩18 N·m，當t=0.02 s時，將給定轉速值500 r/min突然增加到700 r/min，所得到的電機動態仿真結果如圖9～圖12所示。

從仿真曲線可以看出，電機起動后，電機轉速在0.005 s左右上升到給定值的轉速值500 r/min，超調量很小，穩定后轉矩波動較小。而當仿真時間到達0.02 s時，轉速值由給定的500 r/min增加到要求的700 r/min，并且在0.025 s左右達到穩定，轉矩也很快穩定且波動較小，可見系統滿足電動車在行駛過程中加速工況的要求。

(2)轉速恒定，負載突變

保持三相FSPM的轉速500 r/min，電機從t=0開始空載起動，當t=0.02 s時，將負載轉矩值突然增加到18 N·m，所得到的電機動態仿真結果如圖13～圖15所示。

圖13 FSPM轉速波形

圖14 交直軸電流id、iq

圖15 FSPM電機轉矩波形

由仿真波形可知，電機空載起動后，轉速在t=0.005 s時穩定在給定值500 r/min，超調量小，穩定后轉矩波動小，符合電動車起動工況的要求。t=0.02 s突加負載18 N·m時，電磁轉矩立刻上升到給定轉矩，電流也能立刻切換并穩定，符合電動汽車爬坡工況的要求。

仿真結果驗證了SVPWM控制策略的可行性，以及SVPWM控制的FSPM電機調速系統具有穩態精度高、轉矩脈動小、動態響應快、抗擾動能力強等優點。

5 結 語

本文主要在MATLAB/Simulink環境下研究了FSPM基于SVPWM的控制系統，并進行仿真。由仿真結果可知，系統的穩態精度較高，響應較快，電機定子電流及轉矩在轉矩負載突變后能較快趨于穩定，在轉速突變后也能較快趨于穩定。仿真實驗表明SVPWM控制系統對于FSPM調速系統控制的正確合理性，通過幾個簡單工況的仿真，進而驗證了FSPM在微型電動車上的適用性。

［1］薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/Simulink的系統仿真技術與應用［M］.北京:清華大學出版社，2002.

［2］趙輝，魯超，馮金釗，等.基于SVPWM的永磁同步電機控制策略研究［J］.電測與儀表，2009，46(7):14 －16.

［3］張春喜，廖文建，王佳子.異步電機SVPWM矢量控制仿真分析［J］.電機與控制學報，2008，12(2):160 －163，168.

［4］朱瑛，程明，花為，等.磁通切換永磁電機的空間矢量脈寬調制控制［J］.電機與控制學報，2010，14(3):45 －50.

［5］王妍，杜軍紅，陶偉宜，等.基于DSP的空間電壓矢量法PWM的研究［J］.電機與控制學報，2000，4(2):98 －101，105.

［6］趙輝，魯超，岳友軍，等.基于三電平逆變器的永磁同步電機控制策略研究［J］.電氣自動化，2010，32(3):1 －3.

［7］王艾萌，孫鵬緯，付超，等.基于SVPWM的永磁同步電機交流調速系統的實驗研究［J］.華北電力大學學報，2005，32(2):15 －17.

［8］花為，程明，諸志強，等.新型磁通切換型雙凸極永磁電機的靜態特性研究［J］.中國電機工程學報，2006，26(13):129－134.

［9］陸煒，程明，花為.新型兩相磁通切換型永磁電機調速系統建模與仿真研究［J］.微電機，2007，40(7):1－6.