PMSM驅動系統(tǒng)斷電跛行方法的研究與應用

【摘" 要】根據(jù)三相電壓型逆變器結構，分別對比主動短路、全關和調制模式的差異，并仿真測試永磁同步電機驅動系統(tǒng)在3種模式下的輸出特性，從電容電壓、電機輸出轉矩兩個維度進行分析，驗證本文提出的調制模式在同步控制電容電壓和輸出轉矩方面更適用于新能源汽車斷電跛行回家。

【關鍵詞】驅動電機系統(tǒng)；主動短路；全關；調制模式

中圖分類號：U469.72" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2022 ）12-0018-03

The Study and Application of the PMSM Driving Motor System Limp Home Method

XU Ya-mei，MIAO Qiang，HAN Fu-qiang

（Weichai Power Co.，Ltd.，Weifang 261061，China）

【Abstract】According to the structure of three-phase voltage inverter，the differences of ASC，SPO and the modulation mode are compared respectively and are verified through the simulation. The characteristics of permanent magnet synchronous motor driving system different in the three methods are evaluated in two dimensions of capacitor voltage，the output torque. It is proved that the modulation mode proposed in this paper is more suitable for new energy vehicles to limp home after power off.

【Key words】driving motor system；ASC；SPO；modulation mode

永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）具有功率密度高、啟動轉矩大、力能指標好、電樞反應小和控制方便等優(yōu)點，已在電動汽車中得到大量應用，實現(xiàn)電能和機械能的轉換[1]。由于永磁同步電機反電動勢特性，當發(fā)生高壓斷電故障拖車時，電機控制器母線電容產生高壓并且續(xù)流二極管中帶電產生非預期轉矩，怎樣在不拆除電機三相線的情況下實現(xiàn)安全拖車是本文重點研究內容。

1" 三相電壓型逆變器

對于典型的兩電平三相電壓源逆變器電路，其原理圖如圖1所示。定義開關量S1～S6表示6個功率開關器件的開關狀態(tài)。當S1、S3或S5為1時，逆變器電路上橋臂的開關器件開通，其下橋臂的開關器件關斷（S2、S4或S6為0）；反之，當S1、S3或S5為0時，逆變器電路上橋臂的開關器件關斷而下橋臂的開關器件導通（S2、S4或S6為1）。由于同一橋臂的上下開關器件不能同時導通，則上述的逆變器三相逆變橋的開關組態(tài)一共有8種[2]。

2" 三種狀態(tài)特性分析

2.1" ASC特性分析

ASC（Active Short Circuit，主動短路）通過將逆變橋的三相短路（圖1中的S1、S3和S5為全為1則是上橋短路，S2、S4和S6為全為1則是下橋短路），從而實現(xiàn)控制器與電機的電氣隔離，避免電機反電動勢對控制器造成損害。

對于永磁同步電機來講，在ASC狀態(tài)下其輸出特性只與電機本體參數(shù)和進入ASC狀態(tài)時的初始條件有關。經過推導，可得電機主動短路之后的穩(wěn)態(tài)轉矩輸出表達式（1）[3]。

（1）

從公式（1）可以看出，ASC狀態(tài)下的輸出轉矩與電感、電阻、磁鏈、電機轉速和極對數(shù)有關。根據(jù)分子式的特點，以轉速為準對其進行分段分析，高低轉速下公式（1）分別可進行簡化。

當轉速高時LdLqω2gt;gt;R2s，公式（1）可以簡化為

（2）

從公式（2）可見轉速高時，電機輸出轉矩與轉速成反比，轉速越大，輸出轉矩越小。

當轉速低時，LdLqω2lt;lt;R2s，公式（1）可簡化為：

（3）

從公式（3）可見轉速低時，電機輸出轉矩隨轉速減小而減小。

2.2" SPO特性分析

SPO（Safe Pulse Off）是將上下橋臂全部關閉，如圖2所示的開關量S1～S6全為0。在該條件下電機側的能量只能通過逆變橋臂上的反向二極管進行被動整流。當反電動勢超過母線電壓的一半時，反向二極管導通，反之二極管截止[4]。

當電機低速運行過程中進行SPO，反電勢小于導通閾值，反向二極管截止，電機不會產生較大的非預期轉矩。當電機高速狀態(tài)下SPO時，反向二極管導通向母線電容充電，電壓升高，進而也會影響IGBT等掛在母線上的其他電子元器件，增加了控制器失效的風險。

2.3" 調制特性分析

SVPWM作為PWM技術的一種，由于其較高的電壓利用率，適用于數(shù)字化控制系統(tǒng)等特點在交流電機控制中得到廣泛應用。SVPWM控制策略是依據(jù)變流器空間電壓矢量切換來控制變流器的一種控制策略，其主要思想在于采用逆變器空間電壓矢量的切換以獲得準圓形旋轉磁場，從而在不高的開關頻率條件下，使得交流電機獲得更好的控制性能。

本文提出一種根據(jù)電機實時轉速和實時電流基于傳統(tǒng)PI控制進行計算IGBT占空比的調制方案，原理如圖3所示。

采用傳統(tǒng)基于PI的母線電壓控制，其表達式為：

式中：kp和ki——PI控制器的比例和積分增益。

電流環(huán)PI控制器的表達式為：

式中：kpd和kpq——PI控制器的比例增益；kid和kiq——PI控制器的積分增益。

本方案采用的母線電壓控制模式，通過調節(jié)Ud和Uq維持母線電壓的穩(wěn)定，因在本文研究的應用場景中的永磁同步電機既是發(fā)電電機，也是負載電機，根據(jù)功率公式可知適當提高電壓值可以減小電機負載電流，所以提出了根據(jù)實際轉速設置不同的母線電壓目標值。

3" 仿真分析

永磁同步電機驅動系統(tǒng)仿真參數(shù)設置參考表1，分別測試分析3種被測控制器工作狀態(tài)下的電機輸出特性。

不提供高壓，負載電機轉速控制，拖動被測電機轉速在0～2500～0r/min范圍之內變化，分別驗證3種狀態(tài)下控制器電容電壓和電機實際轉矩的情況，如圖4～圖6所示。

如圖4所示，沒有高壓有轉速的情況下，SPO模式會使被測電機控制器電容產生電壓，隨著轉速增大到1800r/min時發(fā)生過壓故障，且隨著轉速變化有非預期扭矩產生。

從圖5可以看出，沒有高壓時ASC模式下升高轉速，電容電壓沒有變化，保持初值6.9V，低轉速下產生大的制動扭矩，超過該轉速點轉矩減小，達到一定高轉速后，轉矩基本不再隨轉速變化。但短路狀態(tài)下，流經電機繞組電流非常大，導致電機發(fā)熱嚴重，增加燒毀電機的風險。

從圖6可以看出，沒有高壓的情況下，采用調制模式可以有效平衡電容電壓和電機的非預期轉矩，最大電壓不超過100V，不會對電子器件造成損害。

綜上對比3種模式，本文提出的調制模式有效抑制反電動勢產生的母線電壓的同時盡可能減小電機輸出轉矩且保障輸出平穩(wěn)性，更適用于新能源汽車拖車工況。

4" 結束語

新能源汽車市場保有量日益增加，怎樣在其發(fā)生故障時安全拖車也越來越受到重視。文中對比了3種模式，從產生的電容電壓、電機轉矩等方面驗證了各模式的差異。經過仿真測試驗證了本文提出的調制模式在全轉速工況內可同時使電壓和非預期轉矩控制在可接受范圍內，更具有優(yōu)勢。

參考文獻：

[1] 莫金海，潘海波，陶輝. IPMSM弱磁優(yōu)化控制仿真研究[J]. 計算機仿真，2021，38（8）：273-274.

[2] 袁雷，胡冰新， 魏克銀，等. 現(xiàn)代永磁同步電機控制原理及MATLAB仿真[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2018.

[3] 吳志紅，陸科，朱元. 車用電機控制器功能安全及主動短路分析[J]. 統(tǒng)計大學學報（自然科學版），2018，46（9）：1301-1302.

[4] 黃步甲，于海生，劉野. 電動汽車電機系統(tǒng)三相主動短路分析及應用[J]. 汽車電器，2018（12）：1-3.

（編輯" 楊" 景）