基于凸极效应的混合动力车用IPMSM无传感器控制的设计

柏跃程　王政

【摘 要】本文提出了一个集中绕组式IPMSM的设计。该设计基于凸极特性的无传感器控制，采用高频信号注入法。充分考虑到交叉耦合磁饱和和空间谐波，利用有限元理论检测无传感器驱动的可行域。可靠性通过使用两个原型来予以验证。然后，验证IPM电机结构对可行域的影响。最后，建立设计指导以获得合适的电机结构。所提出的设计的有效性通过基于MATLAB/SIMULINK 的动态仿真器进行验证。

【关键词】混合动力车用电机；有限元；MATLAB仿真；无传感器安全运行范围

Design of Saliency-Based Sensorless Drive IPM Motors for Hybrid Electric Vehicles

BAI Yue-cheng WANG Zheng

（School of Electrical and Information Engineering of Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China）

【Abstract】This paper presents the design of concentrated winding IPMSM under the saliency-based sensorless drive using a high-frequency signal injection. The finite element （FE） analysis is used to examine the feasible region of the sensorless drive. The reliability of the feasible region is verified by experiment using two prototypes. Then， the influence of the IPM motor geometry on the feasible region is examined. Consequently， the design guideline is established to obtain a suitable motor geometry which can maximize the torque capability and stability of the sensorless drive.

【Key words】HEV motor； The finite element （FE） analysis； MATLAB simulation； SSOR

0 引言

混合动力汽车中大多应用内嵌式永磁同步电机（IPMSM）作为重要的牵引电机，这是由于它的优越的功率密度和高效率。在IPMSM的转矩控制中少不了位置传感器的影子。IPMSM的多种无传感器驱动的原理已经被开发出来。常用的电机驱动位置估计算法有两种。一是在中高速应用的反电动势估计算法，二是应用在低速及零速的基于转子凸极效应的方式。然而，第二种方式在重载下并不能较好的运行，这是由于转子凸极效应受到磁饱和的影响而减弱了。

本文提出一个混合动力汽车牵引电机的无传感器控制的集中绕组IPMSM的设计。在无传感器控制设计中，主要是如何扩大运行的范围。我们引入无传感器安全运行范围（SSOR），这是为了解释交叉耦合磁饱和电感分布的谐波。

1 在低速时无传感器控制技术

1.1 IPMSM的数学模型

α-β坐标系表示静止坐标系，d-q坐标系代表旋转坐标系。旋转速度和d-q坐标系角度转子的速度和转子位置是分别是ω和θ。因为在无传感器运行的情况下，实际的转子位置是不可知的，估计的γ-δ坐标系，以ωe和θe旋转，进行了虚拟定义。转子速度和位置的实际值和估计值的差别分别定义为？驻ω=ωe-ω和？驻θ=θe-θ。

磁场定向控制器和解耦合控制器在γ-δ坐标系中应用，通过使用在无传感器控制系统中得到的估计值ωe和θe。

这里vd，vq是d-q坐标轴上的外加电压，id，iq是d-q轴电流，R是电枢绕组电阻，Ld，Lq是d-q轴上的电感，KE是反电动势常数，p是d/dt 的代替。

假想，一个超过基频足够高的频率作为测试信号同电压一同注入，观测高频成分。这里vdh，vqh和idh，iqh分别是d-q坐标系中电压和电流的高频成分，Ldh，Lqh分别是d轴和q轴上增加的自感。

1.2 传统的无传感器控制技术

这一部分总结用以检测IPMSM转子位置的脉振电压矢量技术。它依赖于转子空间凸极特性的检测，同时利用叠加在基频电压上的高频电压分量（振幅Vh和频率ωh）。

如果脉振电压信号入到确定的d轴，q轴就会因为注入的电压没有发生而产生电流纹波。

可见，转子位置误差被放在估计q轴电流响应中。为了把位置误差从估计的q轴电流响应中提取出来，采用简单外差解调，位置误差能从q轴响应电流中提取出来。可以指出的是，误差信号与转子位置误差？驻θ的两倍的正弦函数成比例，所以转子位置估计是可行的。

1.3 交叉耦合效应

交叉饱和效应由于引入了依赖负载的位置误差对无传感器运行有着不好的影响的事实已经被广为报道。

这里，Ldqh是交叉耦合的动态电感，θm是由交叉饱和效应引起的交叉饱和角。在无传感器运行状态下，误差信号εf的大小被控制为0；因此，由交叉饱和效应引入的位置估计误差可以通过？驻θ=-θm/2获得。

为了评估在传统无传感器驱动下的位置估计误差的性能，MATLAB/SIMULINK开发了一个动态仿真器。仿真中，为了实现精确地预估，交叉饱和和电感分布谐波被考虑在内。

从中可以看出，？驻θ的平均值和位置相关变动随着负载转矩τ的增加而增加，并且稳定的无传感器驱动不能获得超过190%的额定负载转矩。因此，需要补偿由交叉耦合磁饱和带来的转子位置估计误差。

1.4 补偿由交叉饱和效应带来的转子位置估计误差

电感Ldh、Lqh和Ldqh的值随着电机工作点的改变而变化，因此误差信号的大小依赖于负载转矩。结果，误差信号εf的幅值被控制为εf（？驻θ=0°），并且转子位置误差将会为0，在Ldqh≠0的情况下。

在测量中，注入电压的振幅和它的频率分别是80V和5kHz。

为了实现稳定的无传感器控制，控制器采用基于误差信号幅值里的误差上的估计的转子位置修正。在大多数IPMSM中，因为凸极特性的存在，误差信号εf/？驻θ的倾斜特性将会与位置估计误差在-20°-20°范围内成反比。

这里，Kθ是一个修正因子，εf 是储存在查找表参考值，这是预先由在最大转矩电流比运行轨迹下实验测量得到的。在目标混合动力汽车中，控制器只有一个电流反馈环。在低速时，IPMSM沿着最大转矩电流比的迹线运行。

2 IPMSM的无传感器系统设计

2.1 设计流程

基于以上提到的交叉饱和与空间谐波的影响，下面的点必须在设计中考虑到，以增加最大转矩额无传感器驱动的稳定性。

（1）在最大转矩条件下的？驻εf的值应当尽可能的大。

（2）为减小稳态位置误差，误差信号的εf幅值的波动应当被减小的值应当尽可能的小。

设计流程如下：

转子齿宽βR应当通过考虑到使用嵌入式永磁同步电机转子的lm=6mm的固定值。嵌入式磁铁的深度必须根据与固定转子齿距βR来设计。定子轭宽与齿宽的比值应当被设计以减小电感变量。在下面的设计研究中，使用了有限元封装。

2.2 转子齿距

定子齿宽Ts为18mm，定子扼宽为12.97mm，在所有模型里都是同样的。βR从3° 增加到 13°。在下面的设计中，βR-opt=5°作为最优解使用。

2.3 嵌入式永磁的深度

永磁的尺寸（lm=6mm，wm=33mm）、转子齿开度（βR=5°，wrt=8.1mm）在所有模型中都是一样的。深度d从2.6mm变化到5.8mm。

和内置永磁转子相比，内嵌永磁同步电机转子的估计指数较小。然而，弧形磁铁花费太大，制造困难。所以，本设计中使用带有平面磁铁的内嵌式永磁同步电机转子。内嵌式磁铁深度d的增加在？驻εf不符合要求，有两个原因：

（1）Ldh随着d的增加而增加

（2）因为q轴明显的电感随着d的增加而增加，Lqh随着d的增加而减小，这是由于q轴磁饱和。

最终，深度d应当尽可能的小，以增大SSOR。

2.4 定子扼宽与齿宽的比值

永磁的尺寸（lm=6mm，wm=33mm）深度d（=2.6mm），转子齿开度（βR=5°，wrt=8.1mm）在所有的模型中是一样的。比值η在固定定子槽区域Sslot内从0.4变化到0.72。？驻S在？驻εf>0时取到最小值的最优比值η=0.5。在η=0.5的前提下，定子中的磁通密度相比于其他三种电机类型较低。

3 设计结果

3.1 转矩特性

设计的电机实现了最大的转矩期望在目标混合动力车应用。

3.2 无传感器控制可运行区域

在文献[5]中，Ldif>0是由无传感器位置监测的可运行区域定义的。基于此，设计电机最大的转矩在80Nm左右。然而，基于式15的最大的转矩容量超过100Nm。20Nm的转矩差别是由于考虑到控制器的动态特性，包括估计转子位置的修正所造成的。因此，设计的电机实现了必要的最大转矩的要求。

3.3 位置无传感器起动特性

为了评估无传感器驱动的性能，我们在MATLAB/SIMULINK平台上开发了一个动态仿真器。在仿真中，考虑交叉饱和与电感分布谐波以实现精确地预计。通过比较测量结果和计算结果来验证动态仿真器的精确度。

在100r/min时负载情况下，测试信号是在200ms内参考转矩从0增加到100NM。这些负载变化在目标应用中是标准的要求。位置估计误差？驻θ在一个负载变化后增加，收敛于一个稳态水平（稳态位置误差在±15°范围内）。设计的电机能达到期望的表现性能。

4 结论

我们提出了一个应用于混合动力车应用的基于凸极特性的内嵌式永磁同步电机的无传感器驱动的设计。利用仿真以研究电机结构如何影响SSOR。结论是，推导出了集中绕组式内嵌式永磁同步电机的无传感器控制的指导方针。100NM、10kW、12极、18槽的IPM电机正好满足了目标混合动力车应用设计需求。所提出的设计的有效应通过基于MATLAB/SIMULINK的动态仿真器验证。

【参考文献】

[1]秦峰，贺益康，刘毅，等.两种高频信号注入法的无传感器运行研究[J].中国电机工程学报，2005，25（5）：116-121.

[2]刘毅，贺益康，秦峰，等.基于转子凸极跟踪的无位置传感器永磁同步电机矢量控制研究[J].中国电机工程学报，2005，25（l7）：121-126.

[3]王丽梅，郑建芬，郭庆鼎基于载波注入的凸极永磁同步电动机无传感器控制[J].电机与控制学报，2005，9（4）：333-336.

[4]梁艳，李永东.无传感器永磁同步电机矢量控制中转子初始位置的估算方法[J].电工技术杂志，2003（2）：10-13.

[5]谷普茂，何风有，谭国俊等.永磁同歩电动机无传感器拧制技术现状与发展[J].电工技术学报，2009，24（11）：15-20.

[6]Morimoto S， Shimmei A， Anada M et al. Position and speed sensorless control system of permanent magnet synchronous motor with parameter identification[J].Electrical Engineering ，2007， 160（2）：68-76.

[7]Wrobel R， Budden A. S， Salt D， et al. Rotor Design for Sensorless Position Estimation in Permanent-Magnet Machines [J]- Industrial Electronics ， 2011， 58（9）：3815-3824.

[责任编辑：朱丽娜]