新能源汽車驅(qū)動電機特性分析與研究

Characteristic Analysis and Research of Drive Motors for New Energy Vehicles

Wang Dongliang1Xiao Hong2 He Zhicheng3Luo Tian’ Du Yao1 1.SchoolofAutomotive Engineering，Lanzhou Instituteof Technology，Lanzhou 73oo5o，China 2.School of Automotive Engineering，Chengdu Industry and Trade College，Chengdu 611731，China 3.College ofMechanical and Vehicle Engineering，Hunan University，Changsha 41oo82，China

Abstract：Adressngtherequirementsforelectricdriveoptimizationandmatchingdesign innewenergyvehicles，thispaperfocusesonthepermanentmagnetsynchronousmotor（PMSM）astheresearchobject，conductingsimulationmodelingandanalysisof its operationalcharacteristics.Basedonthecoordinatetransformationtheory，amathematicalmodeloftePMSMisdevelopedSubsequently，acomprehensive motorsystemsimulationmodelisconstructedusingsimulationsofware.Utilizingtis model，thedamic responsecharacteristicsduringthemotorstartingprocssandundertorquestepchangeconditionsarespecificallyanalyzed.Theesults demonstratethatthestudiedPMSMdrivesystemexhibitsexcelentstartingperformanceanddynamicstability，nablingrapidrecovery to steady-state operation under load disturbances.

Keywords：New energy vehicles;PMSM;Simulation modeling;Characteristic analysis

1前言

隨著全球不可再生能源消耗的快速增長以及環(huán)境問題的日益凸顯，新能源汽車受到了廣泛的關(guān)注并且正在快速發(fā)展壯大[1-2]]

驅(qū)動電機作為電動汽車的核心部件，與整車的動力性能和運行經(jīng)濟性密切相關(guān)。因此，在針對電動汽車的動力匹配設(shè)計、性能分析以及產(chǎn)品開發(fā)中，必須首先要全面深人掌握驅(qū)動電機的運行特性。

基于此，本文以電動汽車使用的永磁同步電機為研究對象，依據(jù)數(shù)學(xué)理論方程在仿真軟件中進(jìn)行建模分析，研究驅(qū)動電機在不同工況下的運行規(guī)律和基本特性。該研究方法完整展示了電機仿真建模分析中坐標(biāo)變換理論和矢量方程的重要作用，為獲得合理、可信的仿真結(jié)果提供了有力支撐。

2車用驅(qū)動電機

目前，新能源汽車常用的驅(qū)動電機主要有四種類型，分別是直流電機、感應(yīng)電機、永磁同步電機和開關(guān)磁阻電機2，其外形如圖1所示。

圖1車用驅(qū)動電機

不同類型的驅(qū)動電機具有的性能也各有差異，其簡單對比如表1所示[2]。在新能源汽車驅(qū)動電機的選用中，往往需要考查車輛的工況和電機的性能特點[3]。

表1不同類型驅(qū)動電機性能對比

3永磁同步電機建模

永磁同步電機通過安裝在轉(zhuǎn)子上的永磁體建立起隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁場，按照永磁體的安裝形式，通常分為面裝式和內(nèi)置式兩大類。由于內(nèi)置式的結(jié)構(gòu)既有利于弱磁運行，擴展速度范圍，又可降低成本，所以，車用PMSM以內(nèi)置式為主[4]

3.1坐標(biāo)變換

在永磁同步電機建模過程中需要對自然坐標(biāo)系下的基本方程線性變換為 dq 軸系，所以，此處首先對坐標(biāo)變換理論進(jìn)行仿真分析[5]。

a.從靜止ABC軸系到靜止 αβ 軸系。

將三相 ABC 坐標(biāo)系下的物理量變換到兩相靜止αβ軸系時，坐標(biāo)分量之間的對應(yīng)關(guān)系，如圖2所示。

圖2靜止 ABC，aβ 軸系與任意同步旋轉(zhuǎn) dq 軸系坐標(biāo)分量之間的對應(yīng)關(guān)系表達(dá)式如下：

式（1）也稱為Clark變換。

b.從靜止 αβ 軸系到任意同步旋轉(zhuǎn) dq 軸系。

將兩相靜止 αβ 軸系下的物理量變換到任意同步旋轉(zhuǎn) dq 軸系時，坐標(biāo)分量之間的對應(yīng)關(guān)系為：

式（2）也稱為Park變換。

c.坐標(biāo)變換模型仿真。

根據(jù)式（1）式（2），在MATLAB中建立，如圖3所示的仿真模型。

圖3坐標(biāo)變換仿真模型

仿真輸入信號為三相交流信號，幅值100，頻率50Hz ，如圖4所示。

圖4仿真輸入三相交流信號

運行仿真模型，則可得到圖5所示的Clark變換仿真結(jié)果和圖6所示的Park變換仿真結(jié)果。

圖5Clark變換仿真結(jié)果

圖6Park變換仿真結(jié)果

從圖5可以看出，三相 ABC 信號經(jīng)Clark變換后得到兩相信號，且 α 超前 β 為 90^° 業(yè)

由圖6可見，兩相 αβ 軸系信號變換到任意同步旋轉(zhuǎn) dq 軸系后，已將定子二相繞組中的對稱正弦電流變換為了 dq 軸系定子二相繞組中的恒定直流，實現(xiàn)了解耦，有利于電機的控制。

3.2三相PMSM數(shù)學(xué)模型

圖7所示為二極內(nèi)置式PMSM等效物理模型，電機各矢量已進(jìn)行了標(biāo)注，則三相PMSM的數(shù)學(xué)模型可通過對這些物理量之間建立合理的矢量方程來進(jìn)行描述[6-7]。

圖7二極內(nèi)置式PMSM等效物理模型電機定子磁鏈?zhǔn)噶糠匠炭杀硎緸椋?/p>

ψ_s=L_si_s+ψ_f

定子電壓方程為：

定子電壓方程在同步坐標(biāo)系 dq 下的分解：

磁場儲能可以用磁共能進(jìn)行表征，通常選擇以電流為自變量，對磁鏈進(jìn)行積分，得到磁共能的表達(dá)式：

磁共能對轉(zhuǎn)子位置 θ_r 的偏導(dǎo)即為PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩：

對于PMSM在同步旋轉(zhuǎn) _DQ 軸系下，代入上式中，則可得到采用轉(zhuǎn)子同步坐標(biāo)表示的轉(zhuǎn)矩方程：

電機的機械運動方程為：

式中， ω_?m 為電機的機械角速度， rad/s;J 則代表轉(zhuǎn)動慣量， kg?m²;B 在此處被定義為阻尼系數(shù)；而 T_L 則指的是負(fù)載轉(zhuǎn)矩， N?m 。

3.3永磁同步電機仿真模型搭建

永磁同步電機仿真模型采用分模塊分區(qū)域的方式進(jìn)行搭建，下面對建模進(jìn)行簡要分析。

首先，建立PMSM本體模型及其輸入輸出模塊，如圖8所示。電機的輸入以峰值311V的直流電壓源進(jìn)行供電，通入三相逆變橋后，生成電機所需的三相交流信號，供給定子三相繞組，形成旋轉(zhuǎn)磁場。電機的輸出信號包含轉(zhuǎn)速、扭矩、三相電流、轉(zhuǎn)角等物理量。

圖8電機仿真模型（1）

其次，將電機的輸出轉(zhuǎn)速信號和三相電流 i_a?ib?ic 引入Clark模塊與Park模塊，并經(jīng)過轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器、電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器以及SVPWM算法，生成6路電壓信號，從而對三相逆變橋進(jìn)行有效地控制，其模型如圖9所示。

圖9電機仿真模型（2）

在模型中多次用到了坐標(biāo)變換， u_d?u_q 的計算是基于式（2）～式（5），模型如圖10所示。

圖10電機仿真模型（3）

最后，按表2所示的內(nèi)容，對電機主要參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置，形成圖11所示的PMSM仿真模型。

表2PMSM仿真模型主要參數(shù)

4永磁同步電機仿真分析

為了開展PMSM的模型仿真分析，設(shè)定如下仿真條件：參考轉(zhuǎn)速為 N_ref=1000r/min 。在仿真開始時，將負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T_L 初始化為 T_L=0N?m ，隨后在仿真時間 t=0.2 S時，將負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T_L 調(diào)整為 T_L=10N?m 。

運行模型后得到的仿真結(jié)果如圖12～圖15所示。

圖11建立的PMSM仿真模型

圖12電機轉(zhuǎn)速 n 變化曲線

圖13電機電磁轉(zhuǎn)矩 T_e 變化曲線

由仿真結(jié)果可知，在空載啟動階段，電機轉(zhuǎn)速從0快速上升至設(shè)定的轉(zhuǎn)速，并出現(xiàn)小幅超調(diào)后，在0.05s的時間內(nèi)達(dá)到了穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 1000r/min 。可見，該電機具有迅捷的動態(tài)響應(yīng)能力。

在扭矩突變工況下，當(dāng) t=0.2 s時，面對突增的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)速能夠迅速調(diào)整并回歸至預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速。所以，該永磁同步電機系統(tǒng)在動態(tài)工況中具有良好的工作穩(wěn)定性以及應(yīng)對負(fù)載擾動和轉(zhuǎn)速指令變化的綜合控制能力[7]。

圖14電機三相電流 i_a，j_b，i_c 變化曲線

圖15電機d、q軸電流 變化曲線

轉(zhuǎn)矩曲線和電流大小在啟動的短暫時刻會產(chǎn)生明顯的波動，隨后按照預(yù)設(shè)的狀態(tài)進(jìn)行變化。圖15中 d 軸電流變化曲線是由于系統(tǒng)采用 i_d=0 控制，由于 q 軸與轉(zhuǎn)子磁場垂直， i_q"與轉(zhuǎn)矩成正比，電機控制中通過調(diào)節(jié) i_q"可直接控制轉(zhuǎn)矩。

5結(jié)語

通過MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行建模仿真，觀察到三相ABC信號經(jīng)Clark變換與Park變換后可得到 dq 軸系定子二相繞組中的恒定直流，實現(xiàn)了解耦，利用 i_q"與轉(zhuǎn)矩成正比的特點，在電機控制中可直接調(diào)節(jié) i_q"控制轉(zhuǎn)矩。同時，電機仿真結(jié)果表明，該永磁同步電機系統(tǒng)具有良好的工作穩(wěn)定性以及抵抗負(fù)載擾動的能力。

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