微型电动车永磁同步电机驱动矢量控制仿真研究

刘成好++孙在松

摘 要：针对微型电动车的发展趋势，建立了其常用永磁同步电机矢量控制的数学建模，研究了永磁同步电机矢量控制控制系统策略，为整机匹配的实现提供了理论依据。

关键词：微型电动车；永磁同步电机；矢量控制

0 引言

电动汽车的发展目标是实现高效率、零污染、数字化、智能化和轻量化。目前电动汽车的关键技术主要有电池、电机、电机驱动系统、车身和底盘设计及能量管理技术等，其中前3项构成了电动汽车的电气控制系统，也是电动汽车的发展瓶颈[1]。

微型电动机车常以永磁同步电机驱动为主，因此对永磁同步电机矢量控制控制系统策略进行研究有非常重要的意义。

1 永磁同步电机数学模型

永磁同步电机由定子和转子组成，在正弦波永磁同步电机中，转子采用永磁体，定子由三相绕组以及铁芯构成，电枢绕组常以Y型连接，采用短距分布绕组，产生的气隙场为正弦波，从而产生正弦的反电动势，其数学模型可用下列方程表示：

定子电压方程：

（1）

（2）

定子磁链方程：

（3）

（4）

电磁转矩方程：

（5）

永磁同步电机的运动方程：

（6）

式中：R为定子电枢绕组；Ld、Lq为交直轴电感；ud、uq为定子绕组的d、q轴电压；id、iq为定子绕组的d、q轴电流；、为定子绕组的d、q轴的磁链；为转子磁链；Np为极对数；为转子角转速；Te为电磁转矩；TL为负载转矩；J为转子转动惯量。

2 按转子磁链定向的矢量控制

永磁同步电机的矢量控制本质上是对定子电流矢量实施控制，即控制磁链的幅值和方向，从而实现对电机转矩的动态控制，以达到高的运行性能。转矩线性化控制的基本思想是：在磁场定向坐标上，将定子电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流分量iq，使两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节，实现转矩控制[2]。

矢量控制可以用图1表示，实现过程是：给定转速与转速反馈量的偏差经过速度PI调节器，输出转矩电流，同时给定电流、与电流反馈量id、iq的偏差经过PI输出；分别输出相电压和。和再经过Park逆变换和Clarke逆变换，最后输出三相静止坐标系下电压分量、、。就可以利用电压空间矢量SVPWM技术，产生PWM控制信号来控制逆变器，实现永磁同步电机的闭环控制。

3 矢量控制系统仿真

在MATLAB的Simulink仿真环境下，根据前述永磁同步电机矢量控制策略，首先构造了如下的id=0的电流、速度闭环的仿真系统框图，并建立了永磁同步电机磁场定向控制系统仿真模型[3]，如图2所示。在仿真中，将电机的参数设置如下：给定电机转速为1000r/min，负载转矩TL=3N·m，转子极对数p=3，定子电阻RS=0.2Ω，转子磁链值=0.56wb，交直轴电感Ld=Lq=15.3e-3H，转矩惯量J=2.1e-4 kg·m2。

4 仿真结果分析

通过前述永磁同步电机矢量控制策略，对仿真模型进行Clarke、Park坐标变换，并针对其进行仿真，得出图3三相电流波形图及图4电机转矩响应曲线图。

5 结语

本文围绕微型电动车的永磁同步电机控制系统展开，根据实际应用的需求，做了大量的理论分析和实验研究，并在此基础上，搭建了矢量控制系统，仿真结果表明微型电动车电机在矢量控制策略的控制下，电机具有优越的控制性能。最后给出了实验结果波形，分析了电机的控制性能，验证了控制系统的适用性，为下一步的整机匹配奠定了良好的基础。

参考文献：

[1]Ping X， Jing B. SMC with disturbance observer for high performance PMSM[C].Mechatronic Science， Electric Engineering and Computer （MEC），2011 International Conference on. IEEE， 2011：986-989.

[2]卢东斌，欧阳明高，谷靖.电动汽车永磁无刷轮毂电机磁场定向控制[J].电机与控制学报，2012，16（11）：76-83.

[3]肖金凤，张垒，盛义发.无刷直流电机磁场定向控制策略研究与实现[J].控制工程，2013，20（01）：158-162.

作者简介：刘成好（1976-），男，河北保定人，硕士研究生，研究方向：汽车电子技术。endprint