電動汽車永磁同步輪轂電機控制方法的研究

宋先軍

(上海大郡動力控制技術(shù)有限公司，上海201114)

[摘要]近幾年我國純電動汽車發(fā)展速度越來越快，但研發(fā)純電動汽車時會因為傳統(tǒng)的汽車設計理念受到阻礙，在電動汽車中，有一種新型的驅(qū)動電力技術(shù)——永磁同步輪轂電機，依據(jù)電動汽車自身的特點，出現(xiàn)了永磁同步輪轂電機設計，電機在車輪內(nèi)部進行安裝。輪轂直接驅(qū)動前進，和傳統(tǒng)輪轂電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)相比，潛力巨大。基于對電動汽車的永磁同步輪轂電機控制方法進行了探究。

關(guān)鍵詞 變頻技術(shù)永磁同步電機 矢量控制 三電平逆變器

中圖分類號U469

1永磁同步電機的發(fā)展概述

永磁同步電機具有效率高、輕量化以及高動態(tài)性能等三個特點。而且永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)組件主要有電流、電機，控制器和逆變器、速度傳感器等。伴隨著電力電子技術(shù)密切結(jié)合微電子控制技術(shù)的程度加深，F(xiàn)PGA和IH1的技術(shù)也得到很大的發(fā)展，使用永磁同步電機( PMSM)的頻率越來越高，而且研究控制方法如自適應控制方法以及無位置傳感器等也多了起來?？刂齐姍C很多控制系統(tǒng)都是雙閉環(huán)控制，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)則為電流環(huán)，轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)實現(xiàn)是轉(zhuǎn)速負反饋作用，那電流同樣是由電流負反饋實現(xiàn)的。n

永磁同步電機的最大特點就是：轉(zhuǎn)速與電源頻率完全同步而且無差率。電力電子變壓變頻技術(shù)發(fā)展起來之后，調(diào)速的實現(xiàn)基本要靠變壓變頻.(Variable Voltage。Variable Fre-quency，WVF)，對于該怎樣控制變壓變頻，在發(fā)展、中已經(jīng)提出了新的控制策略，提高了控制性能，成本也得到降低。

2永磁同步電機控制方法

2.1矢量控制方法

矢量控制理論是在20世紀70年代出現(xiàn)的，最根本的目的是定向控制定子電流相位以及矢量幅值。坐標變換電機的電流、三相電壓、磁鏈三相后，就有了兩相旋轉(zhuǎn)坐標系產(chǎn)生，同時定子電流分解為轉(zhuǎn)矩分量以及勵磁分量兩個分量，相互正交，前者較后者滯后90。矢量控制是控制轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量的，永磁同步電機就得到控制。和直流電機控制方式一樣，控制方式也是如此。通常勵磁分量保持不變，控制轉(zhuǎn)矩分量。這種控制方式具有眾多優(yōu)勢，如控制精度比較高，轉(zhuǎn)矩響應速度快。

2.2直接轉(zhuǎn)矩控制方法

和矢量控制方法相比，雖然提出直接轉(zhuǎn)矩控制方法的時間晚了10年，但它依然是永磁同步電機的最重要控制方式之一。矢量控制方法是利用控制定子電流對電機進行控制，那么直接轉(zhuǎn)矩控制方法就相反，通過控制磁鏈走向，進一步控制電磁轉(zhuǎn)矩，直到直接控制了電機。具體分析就是，居于定子坐標系下，利用觀測器對轉(zhuǎn)矩和磁鏈進行觀測，進一步比較這兩個值和相應參考值的差別，基于定子磁鏈的位置，再把兩個差值經(jīng)過對應的滯環(huán)比較器，在對電壓矢量進行最優(yōu)選擇時要基于開關(guān)表部分，對逆變器的通斷進行控制，以此就達到了控制電機的實現(xiàn)。該方法的優(yōu)勢更加明顯，如性能良好、對電機參數(shù)依賴小以及坐標變換不很復雜等。

3永磁同步電機的結(jié)構(gòu)和數(shù)學模型

3.1永磁同步電機結(jié)構(gòu)

相比于其他的電勵磁電機，永磁同步電機有高轉(zhuǎn)矩慣量比、效率較高及高功率密度等優(yōu)勢，在很多領域被廣泛地應用。和電勵磁同步電機不同，永磁同步電機的轉(zhuǎn)子材質(zhì)是高性能的磁性材料制成的，沒有勵磁線圈與滑環(huán)等結(jié)構(gòu)，取代電勵磁電機電樞繞組，簡化同步電機的大小以及整體結(jié)構(gòu)，有效提高了電機效率。相比電勵磁同步電機的定子部分，永磁同步電機的定子部分也一樣，主要包括了定予繞組以及定子鐵心，定子繞組是星形連接。永磁同步電機分類有很多的分析方法，基于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體的位置不一致分為內(nèi)置式以及貼面式兩種方法，貼面式有外表貼面式和內(nèi)表貼面式兩種。

3.2永磁同步電機的數(shù)學模型

本文是以三相兩極永磁同步電機舉例，分析永磁同步電機，采用的一般化的數(shù)學模型。轉(zhuǎn)子是永磁性的。在研究中，通常會基于忽略次要因素的前提下，做如下假設：忽略磁化曲線的飽和非線性因素、定子繞組的效應以及定子電阻和漏抗的影響等。一般變換遵循正交變換矩陣，這是為了計算方便;不論是變換前還是變換后，電機的功率始終是遵循能量守恒;不管坐標系怎樣變化，電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場始終恒等。重基于三電平逆變器的滑?？刂齐姍C系統(tǒng)

近幾年，要控制永磁同步電機，不能離開的調(diào)速方式就是可變壓可變頻方式。由于逆變器產(chǎn)生變壓變頻信號，由此逆變器與電機的控制有著密切聯(lián)系。但是永磁同步電機在運行中，依然有一些問題，如電能利用率低以及轉(zhuǎn)矩脈動大等困擾，始終有著諧波危害( EMI)的出現(xiàn)。在PMSM控制系統(tǒng)中，解決這些問題，就提出了引入三電平逆變器的可行性研究方案。

三電平變換器控制中，最基礎的控制方式就是PWM控制方法，在掌握PWM控制法的基礎上，推導出了準正弦波PWM、SVPWM(空間矢量調(diào)制)、SPWM等算法。目前相對來說，“SVPWM方法還是比較成熟的，而且控制效果也較好。選擇三電平空間矢量調(diào)制法最重要的原因就是有27個空間矢量，兩電平逆變器具有8個空間矢量，此法判斷區(qū)域生很復雜，在計算在對應區(qū)域每一個矢量時間作用時間上也是很復雜，但優(yōu)點大于缺點，此調(diào)制算法使磁同步電機更好地完成驅(qū)動控制，使電壓利用率得到大大提高。所以，電力電子研究人員把更多焦點集中在此法上。

5永磁同步電機控制方法的延展

輪轂式電動汽車系統(tǒng)是電子差速系統(tǒng)，實現(xiàn)了差速轉(zhuǎn)向動作，在研究電子差速系統(tǒng)時主要有設計電子差速策略和控制輪轂電機兩部分。基于分配轉(zhuǎn)速，建立了差速策略轉(zhuǎn)向模型，依據(jù)汽車轉(zhuǎn)角信號以及汽車的當前速度進一步科學地計算出了四個車輪的速度。在四輪轂電機電動汽車差速運動過程申，受到外界各種干擾以及各種參數(shù)的影響，汽車轉(zhuǎn)向模型就有了很大不確定性。因此為了更好地研究，5就簡化了轉(zhuǎn)向模型，此模型的假設下車體是剛性的，而且車輪做的是純滾動運動，后軸中心處的速度即為車速。忽略輪胎的側(cè)偏特性和輪胎差異以及地面影響等。

總之，近幾年在能源急劇短缺以及環(huán)境急劇惡化的背景下，電動汽車作為新興一員，受到越來越多的關(guān)注。出現(xiàn)了輪轂式電動汽車而廣受關(guān)注，它主要是由特殊的動力驅(qū)動系統(tǒng)——電子差速系統(tǒng)構(gòu)成。電子差速系統(tǒng)有電機控制和電子差速策略兩部分。希望通過本文對電動汽車永磁同步輪轂電機控制方法的研究，可以有利于電動汽車的發(fā)展，促進城市環(huán)境的改善。

參考文獻

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