基于DSP的混合動力汽車永磁同步電機的矢量控制系統(tǒng)

夏若飛，祝龍記，朱 紅，陸 康

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南232001）

1 前言

由于當今社會所面臨的能源和環(huán)境雙重壓力，要求人類必須更加合理的利用能源，減少污染氣體的排放，因此開發(fā)新能源汽車得到了全世界的關(guān)注[1]。到目前為止，電動汽車根據(jù)其能量來源可分為純電動汽車、氫發(fā)動機汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車。常用的電動汽車電機有：永磁同步電機、感應(yīng)電機和開關(guān)磁阻電機[2]。由于混合動力汽車采用電動力源和發(fā)動機雙重裝置，所以可顯著提高續(xù)航里程。傳統(tǒng)的混合動力汽車啟動時轉(zhuǎn)速響應(yīng)和靜態(tài)特性不是很好，因此還有待于提高。

相對于開關(guān)磁阻電機和感應(yīng)電機，永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩較大，結(jié)構(gòu)簡單，低損高效，調(diào)速性能較好[3]。高性能的永磁同步電機控制方法主要有直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制。直接轉(zhuǎn)矩控制是直接在定子靜止坐標系下，通過檢測到的定子電壓和電流，計算與控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩[4]。而矢量控制是將交流電機通過坐標變換等效成直流電機，用直流電機的控制方法來控制交流電機，但是永磁同步電機的控制系統(tǒng)會相對復雜一些。

本文采用雙閉環(huán)控制混合動力汽車的永磁同步電機，設(shè)計整個系統(tǒng)，并且通過實驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)的可靠性。

2 控制原理

電動汽車永磁同步電機驅(qū)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要由電池、三相鼠籠型永磁同步電機、三相電壓型PWM逆變器、微處理器和伺服系統(tǒng)構(gòu)成。采用的30 kW三相四極的3 600 r/min的水冷和風冷永磁同步電機是與312 V的電源匹配的。伺服系統(tǒng)主要包括冷卻系統(tǒng)和指示系統(tǒng)[5]。

按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制基本思路是利用坐標變換，通過按轉(zhuǎn)子定向的同步變換正交坐標系，得出等效的直流電動機模型，這樣就可以使用對直流電動機的控制方法來控制磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，再反變換到三相坐標系的對應(yīng)量，實施控制。

圖1 電動汽車永磁同步電機驅(qū)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The drive control system structure of permanent magnet synchronous motor

在圖2中，ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，AΨR為轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器；ACMR為定子電流勵磁構(gòu)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為轉(zhuǎn)子磁鏈環(huán)或轉(zhuǎn)速環(huán)，轉(zhuǎn)子磁鏈給定與實際轉(zhuǎn)速有關(guān)；ACTR為定子電流勵磁分量調(diào)節(jié)器；FBS為轉(zhuǎn)速傳感器。對轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速而言，均表現(xiàn)為雙閉環(huán)控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[6]。在額定轉(zhuǎn)速以下時，轉(zhuǎn)子磁鏈給定保持恒定；在額定轉(zhuǎn)速以上時，轉(zhuǎn)子磁鏈給定相應(yīng)減小。將檢測到的三相電流施行3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換，得到mt坐標系中的電流ism和ist。采用PI調(diào)節(jié)軟件構(gòu)成電流閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器的輸出為電子電壓給定值和，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換得到靜止兩相坐標系的定子電壓給定值和，再經(jīng)過 SVPWM 控制逆變器輸出三相電壓。

圖2 定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[7]Fig.2 The closed-loop control structure of stator current excitation and torque component of the vector control system[7]

3 數(shù)學模型

盡管永磁同步電機結(jié)構(gòu)很簡單，但由于其數(shù)據(jù)的數(shù)量龐大而且是非線性的，而且存在耦合關(guān)系，所以它的數(shù)學模型很復雜。如圖3所示，A，B，C三相靜止坐標系可以轉(zhuǎn)換成α，β兩相靜止坐標系，而且a軸和α軸同向。若用M軸表示轉(zhuǎn)子磁鏈ψ*r，則可以把α，β兩相靜止坐標系轉(zhuǎn)換成M，T兩相旋轉(zhuǎn)坐標系。在同步旋轉(zhuǎn)坐標系（M，T）中，三相鼠籠型永磁同步電機的電壓方程可以用式（1）表示

圖3中，靜止的空間矢量is可以分解為沿M軸的勵磁電流和沿T軸的轉(zhuǎn)矩電流。永磁同步電機的磁鏈方程見式（2）

在式（1）、式（2）中，Rs是單位靜止電阻；Rr是單位旋轉(zhuǎn)電阻；Ls是單位靜止電感；Lr是單位旋轉(zhuǎn)電感；Lm是單位互感；p為積分算子；uM、uT分別為M軸和T軸的靜止電壓；im、it分別為M軸和T軸的旋轉(zhuǎn)電流；iM、iT分別為M軸和T軸的靜止電流；ωs為同步頻率；ωr為旋轉(zhuǎn)頻率；ωs1=ωs-ωr，為相對頻率；ψM是M軸的靜止磁鏈；ψT是T軸的靜止磁鏈；ψm是M軸的旋轉(zhuǎn)磁鏈。

圖3 電流和電壓與旋轉(zhuǎn)坐標系M，T以及靜止坐標系a，b，c的關(guān)系Fig.3 The relationship among current and voltage，the rotating coordinate system M，T and stationary coordinate system a，b，c

從式（1）、（2）中，可以推斷出旋轉(zhuǎn)磁鏈ψ和轉(zhuǎn)矩Te的公式

式（3）、式（4）中Tr=Lr/Rr為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，p為極對數(shù)。

由式（3），式（4）可推得

可見，轉(zhuǎn)矩Te取決于靜止電流iM和iT。

4 仿真研究

為了驗證在該矢量控制系統(tǒng)的控制下，永磁同步電機的性能，在MATLAB的環(huán)境下仿真，并做進一步的分析。

4.1 轉(zhuǎn)速階躍變化的性能測試

將負載設(shè)定為4.8 N·m，轉(zhuǎn)速設(shè)定在5.8 s由50 r/min突增到100 r/m in，測得的相電流波形和轉(zhuǎn)速曲線如圖4所示。

4.2 負載階躍變化的性能測試

將轉(zhuǎn)速設(shè)定為100 r/m in，負載設(shè)定在5.8 s由空載突增到4.8 N·m，測得的相電流波形和轉(zhuǎn)速曲線如圖5所示。

圖4 轉(zhuǎn)速階躍變化的相電流波形和轉(zhuǎn)速曲線Fig.4 Phase current waveform sand speed curve when step changes of rotational speed

圖5 負載階躍變化的相電流波形和轉(zhuǎn)速曲線Fig.5 Phase current waveform sand speed curve when step changes of load

圖4表明，當轉(zhuǎn)速發(fā)生突增時，電機的實際轉(zhuǎn)速在0.05 s后就達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，響應(yīng)時間很短。電流波形表明在經(jīng)過0.1 s以后也達到新的穩(wěn)定，動態(tài)過程時間短，而且電流響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)速和電流的超調(diào)量都小。圖5則表明，當負載發(fā)生突增時，電流波形的變化反映了轉(zhuǎn)矩的變化。而且轉(zhuǎn)速響應(yīng)波動較小，動態(tài)性能較快。以上結(jié)果表明，該永磁同步電機的矢量控制系統(tǒng)具有很好的靜態(tài)和動態(tài)性能。

5 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)的混合動力汽車基礎(chǔ)上，采用了一種基于DSP的矢量控制方案。通過系統(tǒng)仿真和實驗，結(jié)果表明系統(tǒng)能平穩(wěn)的運行，改進的矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速超調(diào)比先前有所減小，響應(yīng)速度快，可以滿足混合動力電動汽車對控制系統(tǒng)的要求，達到預期的設(shè)計目標，使永磁同步電機獲得了快速的轉(zhuǎn)速響應(yīng)和穩(wěn)定的靜態(tài)特性。

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