微型電動(dòng)汽車用FSPM調(diào)速系統(tǒng)建模仿真

劉濤只，全 力，朱孝勇

(江蘇大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

當(dāng)前，以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的傳統(tǒng)汽車雖然在發(fā)展，但受到石油資源的減少和環(huán)境污染這兩大難題的制約，具有無排放、噪聲較低和效率較高等優(yōu)勢的電動(dòng)汽車逐漸受到人們的重視。世界各大汽車公司以及各國都大量人力物力用于電動(dòng)汽車的研究開發(fā)。

電動(dòng)汽車體系中的一個(gè)重要分支是微型電動(dòng)汽車。微型電動(dòng)汽車，是指最高時(shí)速低于50 km，整車重量低于600 kg，一次充電續(xù)航里程為70～130 km一類純電動(dòng)汽車。由于微型電動(dòng)汽車具有質(zhì)量輕、價(jià)格低、體積小、低速性能好等優(yōu)點(diǎn)，是一種特別適合中小型城市及廣大農(nóng)村運(yùn)行的短途交通工具，出現(xiàn)之后便立即受到了國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域企業(yè)和學(xué)者的關(guān)注。

微型電動(dòng)汽車是由儲(chǔ)能電池和能量管理系統(tǒng)、車體、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成的一類新型運(yùn)載車輛。蓄電池及電池管理系統(tǒng)技術(shù)、車體技術(shù)、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)等是微型電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)。

與普通微型汽車相比，微型電動(dòng)汽車減少了發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，包括減速箱、起動(dòng)電機(jī)、水冷卻和油箱等部件，增加了電機(jī)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和充電系統(tǒng)?？紤]到微型電動(dòng)汽車存在頻繁起動(dòng)、加速、巡航、減速、爬坡等工況，且一般仍采用電壓等級(jí)為48 V/60 V/72 V的鉛酸電池供電，因此低壓大電流電機(jī)在微型電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

本文在理論分析基礎(chǔ)上，以一臺(tái)低壓大電流磁通切換電機(jī)作為控制對(duì)象，應(yīng)用MATLAB/Simulink構(gòu)建了基于SVPWM的磁通切換電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型，并通過仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗擾動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)所提出的SVPWM控制方法進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。

1 磁通切換電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

磁通切換電機(jī)(以下簡稱FSPM)是一種新型結(jié)構(gòu)的定子永磁型電機(jī)，其結(jié)構(gòu)完全不同于轉(zhuǎn)子永磁型電機(jī)。圖1為一臺(tái)三相12/10極FSPM的截面圖。電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分為凸極結(jié)構(gòu)，上面既無繞組也無永磁體。定子也是凸極結(jié)構(gòu)，采用集中繞組，繞組端部較小，節(jié)省用銅量并減小銅耗。定子中12個(gè)線圈共分成了三組，每四個(gè)串聯(lián)組成一相，例如圖中的A1～A4是A相的四個(gè)線圈，以此類推。每個(gè)線圈繞組橫跨在兩個(gè)定子齒上，中間嵌有一塊交替充磁的永磁體。磁通切換電機(jī)FSPM繞組里匝鏈的磁通(磁鏈)會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)子的不同位置切換正負(fù)極性和數(shù)值大小。在一個(gè)轉(zhuǎn)子極距范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)著電機(jī)的一個(gè)電周期，磁通的數(shù)量會(huì)從最大變到最小，方向從進(jìn)入繞組到穿出繞組。磁通切換電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)決定了其定子上每相繞組具有一致性和互補(bǔ)性，確保磁通切換電機(jī)每相的永磁磁鏈、反電動(dòng)勢和電樞電流的波形為正弦波。圖2和圖3分別為電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速750 r/min下的三相磁鏈波形和反電動(dòng)勢波形，圖4為A相頻譜分析結(jié)果。

2 FSPM的結(jié)構(gòu)及工作原理

三相FSPM在定子坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型:

式中:ua、ub、uc為三相相電壓;L0為自感的基波直流分量;M0為互感的基波直流分量;ia、ib、ic為三相電流;Ψa、Ψb、Ψc為三相相繞組匝鏈的總磁鏈;ema、emb、emc為三相反電勢;Rph為每相繞組電阻;Lm為自感波形的脈動(dòng)幅值;pr為電機(jī)轉(zhuǎn)子極數(shù);θr為轉(zhuǎn)子位置角;Tpm為電機(jī)永磁體產(chǎn)生的永磁磁鏈與電樞電流作用產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩;Tcog為電機(jī)定位力矩;Tr為電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩;Pem為電機(jī)電磁功率。

其中:

忽略電動(dòng)機(jī)鐵心飽和，不計(jì)電動(dòng)機(jī)中的渦流和磁滯損耗，經(jīng)過三相Park變換后FSPM在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型:

式中:ud為電機(jī)交軸電壓;uq為電機(jī)交軸電壓;Ψd、Ψq分別為電機(jī)d、q軸繞組中匝鏈的總磁鏈;ωe為電機(jī)轉(zhuǎn)子的電角速度;Ψm為繞組中匝鏈的永磁磁鏈的峰值;Ld、Lq分別為直軸和交軸電感;id、iq分別為直軸和交軸電流。

3 FSPM調(diào)速系統(tǒng)的建模

基于FSPM的數(shù)學(xué)模型，本文對(duì)FSPM的SVPWM控制系統(tǒng)仿真建模，采用外速度環(huán)和內(nèi)電流環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，如圖5所示。

圖5 FSPM調(diào)速系統(tǒng)原理圖

本系統(tǒng)中，經(jīng)過測量可得電機(jī)三相定子電流ia、ib、ic，經(jīng)Clarke變換和Park變換為實(shí)際直交軸電流id和iq。參考交軸電流由實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定參考轉(zhuǎn)速的差值通過控制器得到，直交軸電壓Ud和Uq由實(shí)際交直軸電流id和iq分別和參考直交軸電流比較后經(jīng)電流調(diào)節(jié)器生成，再經(jīng)過變換模塊得到控制電壓Uα、Uβ，最后經(jīng)過SVPWM模塊生成六路脈沖信號(hào)來驅(qū)動(dòng)逆變器模塊產(chǎn)生三相電壓，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

主要功能包括交通控制系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上建立起來的車輛狀況監(jiān)測和管理系統(tǒng)、對(duì)車輛進(jìn)行控制系統(tǒng)、行車路線的管理和規(guī)劃系統(tǒng)等，利用電子系統(tǒng)對(duì)這些功能進(jìn)行集中協(xié)調(diào)和管理。

3.1 電機(jī)模型

系統(tǒng)建模的關(guān)鍵在于電機(jī)本體的建模?？梢愿鶕?jù)FSPM的數(shù)學(xué)模型中三相電壓方程建立三相繞組子模塊;根據(jù)三相輸出轉(zhuǎn)矩方程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程建立運(yùn)動(dòng)子模塊。最后將這些子模塊通過接口模塊組合起來就是電機(jī)子系統(tǒng)的模型，如圖6所示。

圖6 三相FSPM電機(jī)仿真模型

圖中“A+”、“B+”、“C+”為三相繞組與功率變換器主電路相連的三個(gè)端口;“Net”是與分裂電容中點(diǎn)相連的三相繞組的公共端;θ為轉(zhuǎn)子位置的機(jī)械角度，它由給定轉(zhuǎn)速與時(shí)間的乘積得到，單位為(°);n為給定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

3.2 SVPWM 模型

利用MATLAB可建立如圖7所示的SVPWM仿真模型。SVPWM仿真模型主要包括坐標(biāo)變換模塊、扇區(qū)判斷模塊、T1、T2計(jì)算模塊、導(dǎo)通時(shí)刻計(jì)算模塊以及PWM波生成模塊。

圖7 SVPWM仿真模型

3.3 SVPWM控制系統(tǒng)仿真模型

SVPWM控制的FSPM調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖8所示。

本文采用id=0控制方式。調(diào)速系統(tǒng)模型包括電機(jī)本體模型、SVPWM模型、三相逆變模型等。

圖8 SVPWM控制系統(tǒng)仿真模型

4 仿真分析

仿真所需的FSPM實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù):定子齒數(shù)為12;轉(zhuǎn)子極數(shù)為10;定子外徑為160 mm;定子內(nèi)徑為100 mm;氣隙長度為0.4 mm;轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為24 mm;有效軸長為80 mm;每相繞組匝數(shù)為30;額定轉(zhuǎn)矩為25.4 N·m;額定電流為20.5 A;每相電阻為0.718 Ω;永磁磁鏈為 0.0987 Wb;摩擦系數(shù)為0.003 N·m·s，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 0.008 kg·m2，功率器件的開關(guān)頻率為10 kHz。

為了驗(yàn)證模型有效性，進(jìn)行了以下的仿真實(shí)驗(yàn):

(1)負(fù)載恒定，轉(zhuǎn)速突變

保持三相FSPM的負(fù)載轉(zhuǎn)矩18 N·m，當(dāng)t=0.02 s時(shí)，將給定轉(zhuǎn)速值500 r/min突然增加到700 r/min，所得到的電機(jī)動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果如圖9～圖12所示。

從仿真曲線可以看出，電機(jī)起動(dòng)后，電機(jī)轉(zhuǎn)速在0.005 s左右上升到給定值的轉(zhuǎn)速值500 r/min，超調(diào)量很小，穩(wěn)定后轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小。而當(dāng)仿真時(shí)間到達(dá)0.02 s時(shí)，轉(zhuǎn)速值由給定的500 r/min增加到要求的700 r/min，并且在0.025 s左右達(dá)到穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩也很快穩(wěn)定且波動(dòng)較小，可見系統(tǒng)滿足電動(dòng)車在行駛過程中加速工況的要求。

(2)轉(zhuǎn)速恒定，負(fù)載突變

保持三相FSPM的轉(zhuǎn)速500 r/min，電機(jī)從t=0開始空載起動(dòng)，當(dāng)t=0.02 s時(shí)，將負(fù)載轉(zhuǎn)矩值突然增加到18 N·m，所得到的電機(jī)動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果如圖13～圖15所示。

圖13 FSPM轉(zhuǎn)速波形

圖14 交直軸電流id、iq

圖15 FSPM電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形

由仿真波形可知，電機(jī)空載起動(dòng)后，轉(zhuǎn)速在t=0.005 s時(shí)穩(wěn)定在給定值500 r/min，超調(diào)量小，穩(wěn)定后轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，符合電動(dòng)車起動(dòng)工況的要求。t=0.02 s突加負(fù)載18 N·m時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩立刻上升到給定轉(zhuǎn)矩，電流也能立刻切換并穩(wěn)定，符合電動(dòng)汽車爬坡工況的要求。

仿真結(jié)果驗(yàn)證了SVPWM控制策略的可行性，以及SVPWM控制的FSPM電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)精度高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗擾動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié) 語

本文主要在MATLAB/Simulink環(huán)境下研究了FSPM基于SVPWM的控制系統(tǒng)，并進(jìn)行仿真。由仿真結(jié)果可知，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度較高，響應(yīng)較快，電機(jī)定子電流及轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)矩負(fù)載突變后能較快趨于穩(wěn)定，在轉(zhuǎn)速突變后也能較快趨于穩(wěn)定。仿真實(shí)驗(yàn)表明SVPWM控制系統(tǒng)對(duì)于FSPM調(diào)速系統(tǒng)控制的正確合理性，通過幾個(gè)簡單工況的仿真，進(jìn)而驗(yàn)證了FSPM在微型電動(dòng)車上的適用性。

［1］薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［2］趙輝，魯超，馮金釗，等.基于SVPWM的永磁同步電機(jī)控制策略研究［J］.電測與儀表，2009，46(7):14 －16.

［3］張春喜，廖文建，王佳子.異步電機(jī)SVPWM矢量控制仿真分析［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2008，12(2):160 －163，168.

［4］朱瑛，程明，花為，等.磁通切換永磁電機(jī)的空間矢量脈寬調(diào)制控制［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010，14(3):45 －50.

［5］王妍，杜軍紅，陶偉宜，等.基于DSP的空間電壓矢量法PWM的研究［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2000，4(2):98 －101，105.

［6］趙輝，魯超，岳友軍，等.基于三電平逆變器的永磁同步電機(jī)控制策略研究［J］.電氣自動(dòng)化，2010，32(3):1 －3.

［7］王艾萌，孫鵬緯，付超，等.基于SVPWM的永磁同步電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，32(2):15 －17.

［8］花為，程明，諸志強(qiáng)，等.新型磁通切換型雙凸極永磁電機(jī)的靜態(tài)特性研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(13):129－134.

［9］陸煒，程明，花為.新型兩相磁通切換型永磁電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真研究［J］.微電機(jī)，2007，40(7):1－6.