基于MATLAB 的電動汽車永磁同步電機特性仿真＊

魏東坡，張坤，趙宏霞，尹文榮，魏代禮

（山東華宇工學院 汽車工程學院，山東 德州 253034）

引言

電機是電動汽車的主要動力源，永磁同步電機具有結構簡單、功率因數高、噪聲小、免維護、可靠性高等諸多優點，并且由于我國在稀土永磁材料方面的豐富資源，永磁同步電機在電動汽車領域得到了廣泛的應用[1]。在目前電動汽車行業快速發展，市場保有量迅速擴大的情況下，電動汽車的可靠性提升成為重要的研究方向，而傳動系統的可靠性也逐漸成為制約電動汽車整車壽命的重要因素。為了提高傳動系統可靠性，從而延長整車壽命，在電動汽車傳動系統的設計過程中，需要獲取準確的電機輸出參數。本文利用MATLAB/ Simulink 對應用于電動汽車驅動的某型號永磁同步電機的輸出特性進行了仿真，得到的參數可以為電動汽車傳動系統的設計提供理論依據[2]。根據電動汽車使用過程中的工況特征，在MATLAB/Simulink 環境下分別對電機的機械特性、啟動特性、調速特性和制動特性進行仿真，本課題仿真研究的永磁同步電機的主要參數如表1 所示。

表1 永磁同步電機參數

1 永磁同步電機機械特性仿真

該永磁同步電機的仿真模型如圖1 所示，在該模型中，有輸入模塊Sinks 模塊、數學模塊Math Operations 模塊、輸入源模塊Sources 模塊、以及最后的輸出模塊Scope 模塊，另外還有與電機相關的模塊[3]，由以上模塊排列組合并經過系統關聯，得到了該永磁同步電機機械特性的模型圖。

模型中各元件參數設置如下。

永磁同步電機功率設置為30kw，頻率設置為50Hz，且在建模時的采樣時間設置為常數，設為-1。

對于坐標軸的設置區域，坐標系中x 軸的最小值設置為0，最大值設置為10000，y 軸的最小值也設置為0，最大值設置為800。

圖1 永磁同步電機機械特性仿真模型

圖2 永磁同步電機機械特性仿真結果

由圖2 可知永磁同步電機的機械特性仿真曲線的總體趨勢是隨著電壓的變化而變化的，當電壓較大時，機械特性曲線變化的趨勢會加劇。

2 永磁同步電機啟動特性仿真

永磁同步電機在起動過程中對電機的啟動有一定的要求，首先要求啟動的時間盡可能短，只有在很短的時間內啟動電機，才不會導致電機因啟動時間過長而受損，從而使得電機能達到正常運行；另一方面，啟動時的轉矩要足夠大，即啟動時的轉矩要明顯大于負載轉矩，從而保證啟動過程能夠平穩運行[4]。此外，啟動過程中在滿足啟動轉矩的前提下還要求啟動電流要足夠小，以免使得啟動電路中的電流過大而導致整個電路出現故障，進而導致電氣設備不能正常運行，因此我們在啟動電機時要在保證轉矩足夠大的前提下要盡量減小啟動電流，即在選擇永磁同步電機啟動方法時要根據機械負載對轉矩的要求等實際情況[5]，本次仿真以異步自啟動方式為例。圖3 為永磁同步電機異步自啟動的MATLAB 仿真模型，各模塊的參數設置如下。

圖3 永磁同步電機異步自啟動仿真模型

三相電壓電流測量模塊的電壓測量模式選擇相對地電壓測量，在三相正弦交流電源模塊模塊中振幅設置為100，相位設置為0，頻率設置為50Hz。

如圖4 是對永磁同步電機異步自啟動的仿真結果，由圖可知，永磁同步電機異步自啟動時，起動過程時間較短，在0.2 秒左右就已結束。在此過程中轉子的轉速隨著時間的推移在不斷上升，直到達到同步轉速1600 左右，且轉子轉速在上升的同時出現了一系列的震蕩現象，這個過程是受到了磁脈沖的原因。電機起動后電流降至正常工作電流。電機異步啟動過程中的電流最大為140A 左右，這與實際情況也相吻合。

圖4 永磁同步電機異步自啟動的仿真波形

電機最大起動轉矩為250N.m，有較大的啟動能力但轉矩在起動過程的很短時間內迅速減小，而這是不利于電機的啟動，且由于負載轉矩很小，電機在完全啟動后轉矩接近于0。

3 永磁同步電機調速特性仿真

一般電機的的調速方法有兩類：即變頻調速和變極調速，又由于永磁同步電機的極數相對固定，不容易改變，故只能采用變頻調速，而變頻調速又包括他控變頻和自控變頻兩大類。自控變頻調速改變了以往變頻調速精度不高的劣勢，它是目前永磁同步電機變頻調速的主要方式，通過自控變頻調速能夠大大的提高供電效率，并能減小功耗的損失。如圖5所示為自控變頻調速仿真的模型圖，其電機的參數設置如下。

開始時的參數時長設置為0.4 秒，頻率為60Hz。當沒有負載時，定子電流、轉子電流以及轉矩最終都趨于零，轉速最終穩定在1800r/min，同時在0.4 秒左右時，電機轉速達到標準。當改變電源頻率，即降至50Hz 時，電源電壓也要相應的降低，于是得到如圖6 所示的仿真結果，由圖6 可以看出，當電源頻率為 50Hz 時，最終的轉速大約穩定在1500r/min，穩定時間也由原來的0.4 秒變為0.35 秒左右，意味著反應時間更快了。

圖5 永磁同步電機自控變頻調速仿真波形

圖6 自控變頻調速仿真結果

4 永磁同步電機制動特性仿真

所謂能耗制動是指當永磁同步電機由交流電突然改為直流電，此時由于直流電的磁場不再隨時間變化，是一個恒定的磁通，而電動機的轉子會由于慣性繼續轉動，此時轉子繞組會切割磁通，從而產生電磁轉矩，這個電磁轉矩便會阻止轉子啟動，起到了制動作用。因為其制動過程涉及交流電與直流電的變化，故制動模型也會有相應的變化，因此整個仿真過程是變化的。首先構造電流變化前的穩態模型，如圖7所示。然后再構造制動后的仿真模型，如圖8 所示，該模型就是斷開交流電后通入直流電的模型。

圖7 永磁同步電機能耗制動前仿真模型

如圖9 所示，a 圖為制動前的仿真模型，該仿真曲線表明制動前的電機轉速和電機正常運行時的轉速并無差別，在 制動前的一瞬間，轉速由于慣性還是會保持原來的速度。b圖表明電機在制動后，剛開始電機轉速不穩定，會有一定的振蕩現象，后來經過轉矩的作用，轉速逐漸趨于穩定。

圖8 永磁同步電機能耗制動后仿真模型

圖9 永磁同步電機能耗制動仿真結果

5 結論

本文利用MATLAB 軟件實現了對永磁同步電機特性的建模與仿真，通過對這些仿真結果的分析，再結合零部件的制造精度和誤差，并對仿真曲線瞬態值進行修正，從而能夠為電動汽車傳動系統的設計提供計算參數，同時也是電動機動力輸出連接部位可靠性優化的關鍵因素。