電動汽車永磁同步電機DTC 策略優(yōu)化研究

居曉琴

摘要：針對永磁同步電機（PMSM）在實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的過程中存在的低速電磁轉(zhuǎn)矩脈動大的問題，提出了應(yīng)用電壓矢量細化控制策略和七階滯環(huán)細化控制策略進行電動汽車永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制策略的優(yōu)化方法。首先深入研究DTC策略及其在PMSM中的實現(xiàn)方法；然后，在此基礎(chǔ)上提出電壓矢量細分策略和七階滯環(huán)細分策略，對PMSM的DTC策略進行優(yōu)化，以減小電磁脈動；最后，運用Matlab/Simulink對優(yōu)化控制策略與系統(tǒng)進行建模和仿真實驗，結(jié)果表明，優(yōu)化后的DTC系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動減少約17%，磁鏈圓曲線較窄，脈動明顯降低。該方法可以有效用于電動汽車永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制。

關(guān)鍵詞：電動汽車；永磁同步電機；直接轉(zhuǎn)矩控制；轉(zhuǎn)矩脈動

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）13-0230-03

永磁同步電機具有功率密度高、低速轉(zhuǎn)矩密度高、調(diào)速范圍寬、可靠性高等優(yōu)點，成為現(xiàn)在新能源電動汽車驅(qū)動電機的主要發(fā)展方向，能夠滿足電動汽車低速恒轉(zhuǎn)矩與高速恒定功率方面的相關(guān)需求[1-2]。進行能量轉(zhuǎn)換的永磁同步電機主要采用矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制兩種控制方法[3-6]。其中，以轉(zhuǎn)矩為中心進行綜合控制的直接轉(zhuǎn)矩控制策略，是直接實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的控制，車輛可獲取優(yōu)良的動態(tài)特性。

本文采用滯環(huán)細分策略與電壓矢量細分理論對電機進行直接轉(zhuǎn)矩控制等問題進行優(yōu)化，運用Matlab/Simulink對優(yōu)化控制策略與系統(tǒng)進行建模仿真，仿真結(jié)果驗征優(yōu)化策略的可行性和正確性。

1 直接轉(zhuǎn)矩控制策略

1.1 直接轉(zhuǎn)矩控制策略分析

定子DQ坐標系和轉(zhuǎn)子dq坐標系中磁鏈空間矢量分析如圖1所示，在轉(zhuǎn)子dq坐標系中，對永磁同步電機進行分析。電磁轉(zhuǎn)矩[5]可表示為

定子磁鏈矢量與轉(zhuǎn)子磁鏈矢量的夾角定義為負載角。式（4）中中括號內(nèi)左起第一、二項分別為勵磁轉(zhuǎn)矩與磁阻轉(zhuǎn)矩大小。對于表貼式永磁同步電機則沒有磁阻轉(zhuǎn)矩。上式表明，在同步電機的相關(guān)參數(shù)已知的情況下，對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩的數(shù)值由定子與勵磁磁場的磁鏈矢量對應(yīng)的相位差和幅值大小等參量決定。

一般情況下，電機轉(zhuǎn)子的值恒定不變。設(shè)計時，為了把電機鐵心的作用實現(xiàn)最大程度的發(fā)揮，一般采用固定定子磁鏈的大小的方法。此時，只需調(diào)整負載角值就能實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的合理調(diào)整和控制。

對于表貼式永磁同步電動機，由于，所以，式（4）可表示為

1.2 PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制策略的實現(xiàn)

能夠?qū)崿F(xiàn)綜合控制目的的直接轉(zhuǎn)矩控制原理如圖2所示，在該控制系統(tǒng)中要對磁鏈和轉(zhuǎn)矩進行控制，就必須選擇合適的電壓矢量[6-7]。為了選取合適的電壓矢量，就必須分割電壓矢量平面。如圖3所示，電壓矢量平面被分割為六個區(qū)域，每個區(qū)域以某一基本電壓矢量為中心線，以兩基本電壓矢量的中心線為邊界。

直接轉(zhuǎn)矩控制采用兩個滯環(huán)比較器來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制，當給定值與反饋值的偏差在滯環(huán)比較器的上下限內(nèi)，則輸出維持上一個狀態(tài)值不變；當超出上下限時，滯壞比較器則輸出相應(yīng)的設(shè)定值。

轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)比較器的輸入輸出可用公式（6 ）和（7 ） 表示。式（6）中轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸出量1表不控制系統(tǒng)將增大轉(zhuǎn)矩，T （k-1）表示上一時刻的轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸出量，-1表示控制系統(tǒng)將減小轉(zhuǎn)矩式（7）磁鏈滯環(huán)比較器輸出量為1表示控制系統(tǒng)將增大磁鏈，表示上一時刻磁鏈滯環(huán)比較器輸出量，-1表示控制系統(tǒng)將減小磁鏈。

2 直接轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制策略

2.1 電壓矢量細分策略

理想情況下，只要控制系統(tǒng)采樣周期足夠小，功率器件的開關(guān)頻率夠高，應(yīng)用SVPWM技術(shù)[8]可以合成連續(xù)的任意幅值任意角度的空間電壓矢量，使得定子磁鏈的軌跡完全成圓形，電磁轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的脈動很小并完全跟蹤期望轉(zhuǎn)矩，而且系統(tǒng)直流電壓利用率非常高。然而現(xiàn)在的問題是，當具體操作時，該算法要對時間量進行計算，這樣就會相應(yīng)的增大控制周期的大小，這種情況對限制轉(zhuǎn)矩發(fā)生震蕩現(xiàn)象發(fā)生產(chǎn)生阻礙，對控制效果產(chǎn)生不良影響。

根據(jù)前述公式可知，需基本電壓矢量（100）與來合成，可得到

同理，可得出合成時基本電壓矢量（100）與（110）所需作用時間為；合成時基本電壓矢量（100）與（110）所需作用時間為，。

根據(jù)細分矢量的圓周對稱性，各扇區(qū)合成電壓矢量除了兩個基本電壓矢量不同之外，有此特點：合成的電壓矢量與合成的電壓矢量的作用時間等同；合成的電壓矢量與合成u3的電壓矢直作用時間等同；合成電壓矢直與合成的電壓矢量的作用時間等同。合成電壓矢量的幅值 恒為，所求時間結(jié)果顯示并不需要零矢量作用。

為了使電壓波揪對減小轉(zhuǎn)矩脈動有利，這里把每種電壓狀態(tài)的作用時間都一分為二，使其關(guān)于0.5T中心線對稱。以第一個扇區(qū)為例，合成電壓矢量波形如圖4所示。

2.2 七階滯環(huán)細分策略

基本的滯環(huán)比較器只能取兩個值，僅僅提供了偏差方向的信息（+1，-1），（偏差是期望值與實際值之差）這些偏差信息不能反映出實際偏差的大小，因此有控制不精確、轉(zhuǎn)矩脈動偏大的問題[11]。為了解決這個問題，使開關(guān)電壓矢量的選擇更加合理，即不僅根據(jù)偏差信息，還要根據(jù)偏差的大小來確定，所以在此引入滯環(huán)細分的方法。將定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩偏差各自分為七個等級，見圖5，等級1-7分別代表偏差信息：3、2、1、0、-1、-2、-3。絕對值越大代表需要采用能夠越大程度的改變磁鏈與轉(zhuǎn)矩的空間電壓矢量。

當偏差落在以下某個區(qū)間時，取值見表1。

3 結(jié)論

為了解決永磁同步電機在實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的過程中存在的低速電磁轉(zhuǎn)矩脈動大問題，提出了應(yīng)用電壓矢量細化控制策略和七階滯環(huán)細化控制策略優(yōu)化永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制策略。在Simulink仿真環(huán)境下，對采用常規(guī)直接轉(zhuǎn)矩布控策略與優(yōu)化策略的電機直接轉(zhuǎn)矩控制操作進行建模和仿真，仿真結(jié)果表明優(yōu)化后的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快，電磁轉(zhuǎn)矩脈動明顯減小。

參考文獻：

[1] 陳虹，宮洵，胡云峰，等.汽車控制的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 自動化學(xué)報， 2013， 39（4）： 322-346.

[2] Li J，Yu J J，Chen Z. A Review of Control Strategies for Permanent Magnet Synchronous Motor Used in Electric Vehicles[J]. Applied Mechanics and Materials， 2013， 32（1）： 1679-1685.

[3] Reza C， Islam M D， Mekhilef S. A review of reliable and energy efficient direct torque controlled induction motor drives[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2014， 37（9）： 919-932.

[4] 黃向慧，孫楠.基于模糊 SVPWM 的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制[J].計算機測量與控制， 2013， 21（11）： 3004-3007.

[5] Hartani K， Maata F， Merah A. Sensorless Master-slave Direct Torque Control of Permanent Magnet Synchronous Motors Based on Speed MRAS Observer in Electric Vehicle[J]. Abdelkader Merah， 2014，37（6）：1754-1760.

[6] 林海，周海森，張玲，等.軟件決定開關(guān)模式的永磁同步電機 SVM-DTC 仿真建模[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報， 2014， 23（4）：140-144.