一種車用永磁同步電機實驗平臺研究

劉書華 張興國

摘? 要：永磁同步電機憑借其諸多的優(yōu)點被很多電動汽車廠商用作汽車驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動電機，永磁同步電機已成為電動汽車的主要驅(qū)動電機之一。該文提出了一種車用永磁同步電機實驗平臺的建設思路和方法，該平臺可進行電機無傳感器控制和相關的控制算法及控制策略的研究。

關鍵詞：永磁同步電機? 控制算法? 控制策略? 實驗平臺

中圖分類號：TM341 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）07（c）-0001-02

Abstract： Permanent magnet synchronous motor （PMSM） is used by many electric vehicle manufacturers as the driving motor of the vehicle driving system due to its many advantages. PMSM has become one of the main driving motors of electric vehicles. This paper presents an idea and method for the construction of a vehicle permanent magnet synchronous motor experimental platform， which can be used for the research of sensorless motor control， relevant control algorithms and control strategies.

Key Words： Permanent magnet synchronous motor; Control algorithm; Control strategy; The experiment platform

永磁同步電機有結構簡單、體積、重量輕、功率因數(shù)和效率高、發(fā)熱小、動慣量小和轉矩脈動小等優(yōu)點[1]，廣泛應用于電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中。電機控制器是電動汽車的關鍵零部件，而控制算法決定了控制器的性能[2-3]。目前的車用永磁同步電機實驗平臺還需要進一步的完善和提高，因此，該文提出了一種永磁同步電機實驗平臺的設計思路和方法，可進行電機無傳感器控制，相關永磁同步電機的控制算法及控制策略的研究。

該文組建的車用電機實驗系統(tǒng)如圖1所示。主要由車用電機控制軟件層和車用電機硬件層組成，其中控制軟件層由電機啟動控制軟件、電機轉速控制軟件和電機同步控制軟件組成;控制硬件層主要由主控制電路、有線控制網(wǎng)絡模塊、電機控制器模塊、電源、電機檢測電路和驅(qū)動電路等模塊組成。

1? 電路設計

（1）驅(qū)動電路設計。

車用電機主控制系統(tǒng)響應速度指令信號，通過對各驅(qū)動電機反饋轉矩反饋信號相加，實時求解系統(tǒng)的轉速信號，并通過有線網(wǎng)絡將轉速信號傳遞給各驅(qū)動電機，從而對系統(tǒng)轉速指令信號做出快速響應，由于需要大量的運算，又造成很大的軟、硬件開銷，故采用ARM芯片LPC2294作為主控芯片。這種控制結構的建立，目的是通過算法保機方式的固有特性，而不需要制造專業(yè)主軸和套電機來實現(xiàn)電機的同步[4]。ARM芯片通過指令信號與反饋信號計算并輸出代表各個電機轉速的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過總線傳遞給電機控制器。

（2）電機控制電路設計。

電機控制器對電機轉速進行控制，控制器芯片采用DSP芯片，利用永磁同步電機控制系統(tǒng)采集電機三相電流參數(shù)，然后分析三相電流的大小和相位關系來確定轉子位置，從而實現(xiàn)無傳感器檢測轉子位置，并通過電阻檢測母線電壓與給定轉速，這些信號經(jīng)過處理變?yōu)槲⑻幚砥鱀SP能識別的信號，DSP將采集到的信息進行控制算法解算[6]。DSP具有較高的運算速度，能滿足控制算法和觀測器的運算，控制器接收主控制器速度信號指令，根據(jù)采集到的電機、電壓信號對轉子速度和速度信息進行估算，并完成與主控制器的通信，其結構圖如圖2所示。

2? 控制率和觀測器設計

分別對三相永磁同步電機VF變頻調(diào)速、三相永磁同步電無感雙閉環(huán)控制、三相永磁同步電有感三閉環(huán)控制、無傳感器位置檢測控制運行等幾種永磁同步電機控制方法的基本思想和特點進行總結和分析，并根據(jù)該文硬件試驗平臺特點基于以上控制方法設計相關控制算法，該文采用滑模變結構控制或矢量控制算法對永磁同步電機進行轉速控制，并可以在電機控制研究平臺上進行實驗測試。永磁同步電機控制結構圖如圖3所示。

（1）控制律設計。

首先根據(jù)永磁同步電機的硬件特性，建立起電機的數(shù)學模型，并通過測試的方法，測試出數(shù)學模型里的各個參數(shù);在這里建立的電機系統(tǒng)的數(shù)學模型是兩相靜止坐標系下的數(shù)學模型。據(jù)已建立的電機數(shù)學模型，研究在無傳感器下的永磁同步電機轉速控制問題，在對轉速和參數(shù)進行觀測的基礎之上[7]，參考現(xiàn)有的轉速控制方法探索一種新的轉速控制方法并分析此文的轉速控制方法的控制收斂速度，以及其穩(wěn)定性和魯棒性是否滿足實際應用要求。通過構建機電機閉環(huán)系統(tǒng)的李亞普諾夫函數(shù)，分析系統(tǒng)的收斂情況和收斂速度。

（2）觀測器設計。

研究無傳感器下的速度控制問題，提出新型觀測器對電機轉子位置和速度信息進行估算，以減弱系統(tǒng)抖振，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。電機在低速運行時，定子電阻會隨溫度升高而變化，而電機在高速運行時，定子電感發(fā)生變化，對電機定子電阻和電感進行在線辨識，將辨識出來的參數(shù)值進行反饋，實施修正觀測器的數(shù)學模型，提高觀測器估算精度[5]。

針對永磁同步電機（PMSM）實際運行時定子電阻和電感常發(fā)生隨機變化的情況，提出一種可進行永磁同步電機無傳感器控制的定子電阻和電感在線辯識的新型觀測器[5]，為車用電機無傳感器控制中參數(shù)隨機變化、負載變化導致電機運行中發(fā)生震顫現(xiàn)象問題的解決奠定理論基礎。結合控制系統(tǒng)仿真與車用電機實驗平臺啟動試驗與實際運行條件運行試驗兩種手段，對車用電機無傳感器控制器進行設計，該控制器能夠?qū)﹄娮琛㈦姼泻拓撦d變化等因素具有魯棒性，為車用電機控制中的無傳感器控制策略的研究與控制器的設計提供科學依據(jù)。

從控制算法的快速性和穩(wěn)定性兩方面考慮提出了在受限情況下基于擾動觀測器的永磁同步電機無傳感器控制策略，并完成車用電機啟動控制和轉速控制等具體的控制，最終解決此文設計的車用永磁同步電機的無傳感器控制問題。

3? 結語

通過研究車用永磁同步電機實驗平臺建設，提出了構建車用永磁同步電機實驗平臺的設計理念，實驗平臺可進行電機無傳感器控制，相關永磁同步電機的控制算法及控制策略的研究;經(jīng)過平臺實驗結果分析該車用永磁電機實驗平臺是可行的，為車用永磁電機實驗平臺提供了新的思路和方法。

參考文獻

[1] 胡東軒.永磁交流伺服系統(tǒng)多種位置檢測與集成方法研究[D].浙江理工大學，2014.

[2] 許峻峰，張朝陽，馮江華.電動公交車用永磁同步電機實驗研究[J].電氣傳動，2008，12（6）：38-40.

[3] 崔洪志，林立，王雯.車用永磁同步電機控制系統(tǒng)實驗平臺開發(fā)[J].邵陽學院學報：自然科學版，2014，11（3）：56.

[4] 蔣毅.多永磁電機傳動系統(tǒng)的同步控制策略研究[D].浙江大學，2014.

[5] 王悍梟，劉凌，吳華偉.改進型滑模觀測器的永磁同步電機無傳感器控制策略[J].西安交通大學學報，2016，50（6）：105-108.

[6] 李喆，李紅麗，賀永利，等.基于DSP的永磁同步電機伺服系統(tǒng)實驗平臺設計[J].四川兵工學報，2015，36（3）：122-123.

[7] 馬桂芳，劉生建.電動車用永磁無刷電機無位置傳感器控制研究[J].湖北理工學院學報，2017（1）：38-40.