電動汽車永磁驅動電機控制器仿真設計

孫登輝

江蘇大學 江蘇鎮江 212013

電動汽車永磁驅動電機控制器仿真設計

孫登輝

江蘇大學 江蘇鎮江 212013

本文基于Matlab設計了永磁無刷直流電機控制器。以轉速、電流雙閉環控制為控制策略，利用Simulink構建系統控制仿真模型，設計過程中提出了通過調節滯環寬度減少轉速波動、利用查表法實現反電動勢求取的想法。調試確定轉速、電流控制器參數，結合汽車運行工況，測試了控制器在不同速度與負載下的性能。結果表明，所設計控制系統在精度、響應時間、穩態誤差等方面符合設計要求。

永磁無刷直流電機；PID控制；Matlab仿真

一、引言

電動汽車的驅動電機主要有永磁無刷電機、感應電機、有刷直流電機和開關磁阻電動機。其中永磁無刷直流電動機因其卓越的性能和優勢倍受關注，尤其是伴隨著永磁材料、計算機自動控制技術、大功率半導體和電力電子技術的快速發展，永磁無刷直流電機也得到迅速發展。對永磁無刷直流電機的控制至關重要，利用計算機仿真技術，對控制系統進行數字仿真，可以大大加快其開發速度。

二、永磁無刷直流電機（BLDC）數學模型

（一）永磁無刷直流電機的結構原理。永磁無刷直流電機主要由電機本體、轉子位置傳感器和逆變器構成。直流電源通過電子開關向電動機定子繞組供電，位置傳感器檢測電動機轉子位置并發出電信號控制逆變器的導通或關斷，使電動機轉動。永磁無刷直流電動機的基本物理量有反電動勢、電樞電流、電磁轉矩和轉速等。

（二）永磁無刷直流電機的數學模型。為了簡化分析，采用電機本身的相變量法建立數學模型，采用分段線性表示感應電動勢，并做如下假設：a）三相定子Y形連接，完全對稱；b）忽略齒槽效應，不考慮磁路飽和；c）忽略磁滯、渦流、溫度等影響。

1、電壓平衡方程

式1.1為定子電壓平衡方程，其中，ua、ub、uc為三相定子電壓；ea、eb、ec為三相定子的反電動勢；ia、ib、ic為三相定子相電流；L為三相定子自感；M為三相定子繞組之間的互感；R為三相定子繞組

電機的電磁轉矩和運動方程為：

3、永磁無刷直流電機控制系統的Matlab模型

電機控制系統采用轉速和電流雙閉環調速，轉速環由PID調節器構成，電流環由電流滯環調節器構成。

（三）電機本體及反電動勢

電機本體模塊根據輸入的位置信號Pos__D_Dd__ea、eb、ec，再由式1.1獲得三相電流信號ia、ib、ic利用Lookup Table模塊實現反

表2　.1 位置信號與單位反電動勢的關系

（四）電流滯環控制與速度調節模塊

電流滯環模塊采用滯環控制原理來實現電流的調節，此模塊輸入為三相參考電流和三相實際電流，輸出為逆變器的控制信號。速度調節采用PID算法，輸入參考轉速與實際轉速之差，輸出三相參考電流幅值 。

（五）參考電流及電壓逆變器模塊

表2　.2 轉子位置與三相參考電流對應關系

（六）轉矩及轉速

根據式1.2和式1.3，建立轉矩和轉速計算模塊。

三、控制系統仿真結果

（一）參數設定

電機各部分參數設置如下：定子繞組每相電阻；定子相繞組

圖3　-1 參考轉速的轉矩響應曲線

四、結論

本文采用了經典的速度、電流雙閉環控制策略，用常見的PID速度控制和電流滯環控制仿真設計了無刷電機控制器。仿真結果表明：各參考量波形符合理論分析，系統能夠平穩運行，具有較好的靜、動態特性，所設計控制系統的精度、響應時間、穩態特性及跟蹤性能良好。在對三相梯形反電動勢、三相參考電流逆變器等進行建模的過程中，本文采用的查表法和S函數充分發揮了Matlab的靈活性，對電機控制器的開發調試有借鑒意義。但對于較大的力矩負荷該系統響應效果不佳，需要進一步的研究分析或尋求新的控制策略。