汽车电子-方思贞

1、混合动力汽车的电机选型与调速仿真摘要: 电机驱动系统是混合动力电动汽车(HEV)中的主要组成部分。研究开发体积小、重量轻、工作可靠、动态响应好的电机，对混合动力电动汽车进一步提高动力性和经济性极为重要。目前国内外比较重视BLDCM和SRM控制系统在混合动力电动汽车中的应用，随着计算机技术、电力电子技术和控制理论的发展，为了提高电机驱动系统的稳态、动态性能，智能控制、自适应、滑模变结构控制在电机控制系统应用的研究，引起国内外学者的广泛关注。本文主要运用MATLAB-SIMULINK软件中的交流电机库对电动汽车用的交流电动机的调速系统进行仿真，由仿真结果图直接认识交流系统的机械特性。重点对三相交流

2、调压调速系统进行仿真研究，认识PID调节器参数的改变对系统性能的影响，认识该系统动态及静态性能的优劣及适用环境。1.前言在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点12。而交流调速系统凭着其绝对的优势，最终必将取代直流调速系统3。 交流电动机的调速系统不但性能同直流电动机的性能一样，而且成本和维护费用比直流电动机系统更低，可靠性更高4。到目前为止，日本除了个别的地方还继续采用直流电机

3、外，几乎所有的调速系统都采用变频装置67。计算机仿真技术在交流调速系统的应用，使得对交流调速的性能分析和研究变的更为方便。传统的计算机仿真软件包用微分方程和差分方程建模，其直观性、灵活性差，编程量大，操作不便。随着一些大型的高性能的计算机仿真软件的出现，实现交流调速系统的实时仿真可以较容易地实现8。如：matlab软件已经能够在计算机中全过程地仿真交流调速系统的整个过程。matlab语言非常适合于交流调速领域内的仿真及研究，能够为某些问题的解决带来极大的方便并能显著提高工作效率。随着新型计算机仿真软件的出现，交流调速技术必将在成本控制、工作效率、实时监控等方面得到长足进步9-12。因此可以利用

4、该软件对电动汽车的交流电机进行系统的动态性能仿真，为其选型及控制做好铺垫。2.电机调速原理与特性2.1交流电机调速原理与分类交流电机包括异步电动机和同步电动机两大类。对交流异步电动机而言，其转速为： （2-1）从转速公式可知改变电动机的极对数，改变定子供电功率以及改变转率都可达到调速的目的。对同步电动机而言，同步电动机转速为： （2-2）由于实际使用中同步电动机的极对数是固定的，因此只有采用变压变频（VVVF）调速，即通常说的变频调速。运用到实际中的交流调速系统主要有：变级调速系统、串级调速系统、调压调速系统、变频调速系统1。采用相控技术在输出电压波形中含有较大的谐波，会引起附加损耗，产生转矩

5、脉动15。变压变频调速系统在调速时，须同时调节定子电源的电压和频率，在这种情况下，机械特性基本上平行移动，转差功率不变，它是当前交流调速的主要方向16。2.2电机调压调速电路2.2.1 三相交流调压电路 交流调压调速需要三相交流调压电路，晶闸管三相交流调压电路的接线方式很多，工业上常用的是三相全波星形连接的调压电路。如图2.1所示。这种电路的接法特点是负载输出谐波分量低，适用于低电压大电流的场合11。图2.1 三相全波星形连接的调压电路在晶闸管交流调压中，晶闸管可借助于负载电流过零而自行关断，不需要另加换流装置，故线路简单、调试容易、维修方便、成本低廉，从而得到广泛的应用。 2.2.2 调压调

6、速原理根据异步电动机的机械特性方程式 （2-3）其中 电动机的极对数、电动机定子相电压和供电角频率转差率、定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻、定子每漏感和折算到定子侧的转子每相漏感可见，当转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。改变定子电压可得到一组不同的人为机械特性，如图2.2所示。在带恒转矩负载时，可以得到不同的稳定转速，如图中的A，B，C点，其调速范围较小，而带风机泵类负载时，可得到较大的调速范围，如图2.2中的D，E，F点。 图2.2 异步电动机在不同定子电压时的机械特性所谓调压调速，就是通过改变定子外加电压来改变电磁转矩，可得到较大的调速范围，从而在一定的输出转矩下达到改

7、变电动机转速的目的13。为了能在恒转矩负载下扩大调压调速范围，使电机在较低速下稳定运行又不致过热，可采用电动机转子绕组有较高电阻值时的机械特性。在恒转矩负载下的交流力矩电动机的机械特性。图2.3显示此类电动机的调速范围增大了，而且在堵转转矩下工作也不致烧毁电动机14。图2.3交流力矩电机在不同定子电压时的机械特性2.2.3 闭环控制的调压调速系统图2.4（a）是带转速负反馈的闭环调压调速系统原理图，图2.4（b）是相应的调速系统静特性。如果系统带负载在A点稳定运行，当负载增大导致转速下降时，通过转速反馈控制作用提高定子电压，使得转速恢复，即在新的一条机械特性上找到了工作点。同理，当负载减小使得

8、转速升高时，也可以得到新的工作点。将工作点、A、连起来就是闭环系统的静特性1。（a）原理图 (b)静特性图2.4 转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统在额定电压下的机械特性和最小电压下的机械特性是闭环系统静特性左右两边的极限，当负载变化达到两侧的极限时，闭环系统便失去控制能力，回到开环机械特性上工作14。对图2.4（a）所示的系统，可画出系统静态结构图，见图2.5所示：图2.5 异步电动机调压调速系统的静态结构图图中：-晶闸管交流调压器VVC和触发装置GT的放大系数； -触发装置的控制电压；-为转速反馈系数；-测速发电机TG输出的反馈电压。转速调节器ASR采用PI调节器；是由式（2-3）描述的

9、异步电动机械特性方程，它是一个非线性函数。异步电动机调压调速的近似动态结构图如下所示：图2.6 异步电动机调压调速系统的近似动态结构图图中各环节的传递函数为:(1) 转速调节器ASR常用PI调节器消除静差并改善动特性，其传递函数为： （2-4）(2) 晶闸管交流调压器和触发装置GT-V假定该环节输入输出关系是线性的,在动态中可近似为一阶惯性环节，其近似条件与晶闸管触发与整流装置一样。本环节传递函数可表示为: （2-5） (3) 测速反馈环节FBS 考虑到反馈滤波的作用, 传递函数为: （2-6）(4) 异步电动机MA由于描述异步电动机动态过程是一组非线性微分方程，只用一个传递函数来准确的表示异

10、步电动机在整个调速范围内的输入输出关系式不可能的。只有做出一定的假设，并用稳态工作点附近微偏线性化的方法才能得到近似的传递函数。3.系统的建模和模型参数设置3.1主电路的建模和参数设置主电路主要由三相对称交流电压源、晶闸管、晶闸管三相交流调压器、交流异步电动机、电机信号分配器等部分组成。下面分别讨论三相交流电源、三相交流调压器、同步脉冲触发器、交流异步电动机、电机测试信号分配器的建模和参数设置问题16。3.1.1 三相交流电源的建模和参数设置首先从图3.1中的电源模块组中选取一个交流电压源模块，再用复制的方法得到三相电源的另两个电压源模块，并把模块名称分别修改成A相、B相、C相。然后从图3.2

11、中的链接器模块组中选取“ground”元件也复制成三份，按图3.3所示连接即可图3.1 Simulink中的电源模块图3.2 Simulink中的连接模块图3.3 三相交流电源的模型为了得到三相对称交流电压源，对其参数设置：双击A相交流电压源图标打开参数设置对话框，A相得参数设置分别是：幅值（peak amplitude）取220V、初相位(Phase)设置成、频率(Frequency)设置为50HZ，其他为默认值。B、C的参数设置方法与A相相同，除了将初相位设置成互差以外，其它参数都与A相相同。由此可得到三相对称交流电源4。3.1.2晶闸管三相交流调压器的建模与参数设置晶闸管三相交流调压器通

12、常是采用三对反并联的晶闸管元件组成，单个晶闸管元件采用“相位控制”方式，利用电网自然换流。图3.4中所示为晶闸管三相交流调压器的仿真模型。图3.4 晶闸管三相交流调压器仿真模型子系统触发脉冲的顺序为V1V2V3V4V5V6，其中V1V3V5之间和V4V6V2之间互差120度，V1V4之间、V3V6之间、V5V2之间互差180度。双击晶闸管对话框得到晶闸管参数设置图，根据图中要求及系统要求对其进行参数设置如下：电阻（Resistance Ron）：40 ；电感（Inductance Lon）：0H；正向电压（Forward voltage Vf）：0.8V;初始电流（Initial curren

13、t Ic）：0A；缓冲器电阻（Subber resistance Rs）：1200 ；缓冲器电容（Subber capacitance Cs）：250 。上图是用单个晶闸管元件按三相交流调压器的接线要求搭建成仿真模型的，单个晶闸管的参数设置仍然遵循晶闸管整流桥的参数设置原则，具体如下：如果针对某个具体的变流装置进行参数设置，对话框中的参数应取默认值进行仿真，若仿真结果理想，就可认可这些设置的参数，若仿真结果不理想，则通过仿真实验，不断进行参数优化，最后确定其参数。这一参数设置原则对其它环节的参数设置也是适用的18。打开Mask editor:Subsystem对话框，如图3.5所示。使用此编辑

14、器可以对封装后的子系统进行各种编辑。在默认情况下，封装子系统不使用图标。但友好的子系统图标可使子系统的功能一目了然。为了增强封装子系统的界面友好性，用户可以自定义子系统模块的图标。只需在途中编辑对话框中的“图标和端口”选项卡中“绘制命令”栏中使用MATLAB中相应便可以绘制模块图标，并可设置不同的参数控制图标界面的显示20。图3.5 子系统封装编辑器下图为晶闸管三相交流调压器子系统封装图如下所示：图3.6 三相交流调压器子系统封装图图中，Ua，Ub，Uc分别连接三相交流电源的三相，P连接从脉冲触发器出来的触发脉冲，输出a，b，c分别连接交流电动机的A，B，C 输入4。3.1.3 同步脉冲触发器

15、的建模和参数设置通常，工程上将触发器和晶闸管整流桥作为一个整体来研究，所以，在此处讨论同步脉冲触发器。同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器两部分。6脉冲触发器可以从图3.7所示的附加模块（Extras Control Blocks）子模块组获得。图3.7 附加模块（Extras Control Blocks）子模块6脉冲触发器需要三相线电压同步，所以同步电源的任务是将三相交流电源的相电压转换成线电压。同步电源与6脉冲触发器符号图如下所示4：图3.8 同步脉冲触发器子系统同步脉冲触发器封装后子系统符合如下：图3.9 同步脉冲触发器封装后子系统符号然后根据主电路的连接关系，建立起主电路的仿真模

16、型。图3.10中ln2为脉冲器开关信号，当脉冲器开关信号为“0”时，开放触发器；为“1”时，封锁触发器4。3.1.4 交流异步电动机的建模和参数设置在Power System工具箱中有一个电机模块库，它包含了直流电机、异步电机、同步电机以及其他各种电机模块。其中，模块库中有两个异步电动机模型，一个是标幺值单位制（PI unit）下的异步电动机模型，另一个是国际单位制（SI unit）下的异步电动机模型，本设计中采用后者。国际单位制下的异步电动机模型符号如图所示2：图3.10 异步电动机模块其电气连接和功能分别为：A，B，C：交流电机的定子电压输入端子；：电机负载输入端子，一般是加到电机轴上的机

17、械负载；a,b,c:绕线式转子输出电压端子，一般短接，而在鼠笼式电机为此输出端子；m:电机信号输出端子，一般接电机测试信号分配器观测电机内部信号，或引出反馈信号2。异步电动机模型参数设置如下。双击异步电动机的模型，即了得到参数设置对话框。分别对其进行参数设置如下所示6：（1）绕组类型（Rotor type）: 转子类型列表框，分别可以将电机设置为绕线式（Wound）和鼠笼式（Squirrelcage）两种类型。在本文中用鼠笼式（Squirrelcage）异步电动机；（2）参考坐标系（Reference Frame）：参考坐标列表框，可以选择转子坐标系（Rotor）、静止坐标系（Stationa

18、ry）、同步旋转坐标系（Synchronous）。在本文中选择同步旋转坐标系（Synchronous）；（3）额定参数: 额定功率（KW）取30KW，线电压（V）为380V，频率（赫兹）为50HZ；（4）定子电阻（Stator）（ohm）取0.087和漏感（H）取为0.8mH；（5）转子电阻（Rotor）（ohm）为0.028和漏感（H）取为34.7mH；其它设置为默认值3.1.5 电动机测试信号分配器的建模和参数设置电动机测试信号分配器模块的模型图如下3.11所示：图3.11 Machines Measurement Demux 电动机测试信号分配器模块双击电动机测试信号分配模块得图3.12

19、电机测试信号分配器参数设置图。图3.123 电动机测试信号分配器参数设置对话框及参数选择图中：ir_abc：转子电流ira,irb,irc；ir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子电流ir_q和d轴下的转子电流ir_d；phir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子磁通phir_q和d轴下的转子磁通phir_d；vr_qd：同步d-q坐标下的q轴下的转子电压vr_q和d轴下的转子电压vr_d；is_abc：定子电流isa,isb,isc；is_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子电流is_q和d轴下的定子电流is_d；phir_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子磁通phis_q和d轴下的定

20、子磁通phis_d；vs_qd：同步d-q坐标下的q轴下的定子电压vs_q和d轴下的定子电压vs_d；wm：电机的转速wm；Te：电机的机械转矩Te；Thetam：电机转子角位移Thetam1。3.2 控制电路的建模和参数设置交流调压系统的控制电路包括：给定环节、速度调节器、限幅器、速度反馈环节等。控制电路的有关参数设置如下：速度反馈系数设为20；调节器的参数设置分别是：ASR：；上下限幅为400-0；其它没做说明的为系统默认参数。3.2.1 给定环节的建模与参数设置在调压调速的仿真模型中有几个给定环节，它可以从图3.13中的输入源模块组中选取“constant”模块，模块路径为Simulin

21、k/Commonly Used Blocks14。图3.13 输入源模块组然后双击该模块的图标，打开参数设置对话框，在该系统中用到两个给定模块，分别将给定值（Constent value）设置为-20以及0两个。其它设置为默认值。实际调速时，给定信号是在一定的范围内变化的，我们可以通过仿真实践，确定给定信号允许的变化范围4。3.2.2 速度调节器的建模和参数设置速度调节器通常采用PI控制，比例和积分参数的设置要根据系统的仿真结果不断地变化改动，以得到最稳定的输出特性以及动态特性。限幅器、速度反馈环节也一样。具体方法是分别设置这些参数的一个较大和较小的值进行仿真，弄清它们对系统性能影响的趋势，据

22、此逐步将参数进行优化。PID Controller位于Simulink Extras/Additional Linear中，如图3.14所示：3.14 Simulink Extras/Additional Linear模块组在此仿真中，经过不断地变化改动，最终确定转速调节器为（1）比例常数（Proportional）为30；（2）积分时间常数 （Integral）为300；（3）微分时间常数（Derivative）为0（PI控制）。3.2.3 限幅器的建模和参数设置限幅器模块位于Simulink/Commonly Used Blocks模块库中，如图3.13所示：限幅值的值设置为400-0。具

23、体参数设置步骤如下： 双击限幅器图标，得到限幅器参数设置对话框，对其进行参数设置。根据题目要求，通过不断地试验，最后设定限幅器的参数值为12：最大值（Upper limit）：400最小值（Lower limit）：03.3 系统仿真参数的设置在MATLAB的模型窗口下打开“simulink”菜单，进行“simulink parameters”设置，点击“simulink parameters”菜单后，得到仿真参数对话框，参数设置如图3.15所示：图3.15 系统仿真参数的设置由于系统的多样性，没有一种仿真算法是万能的。在不同的系统中需要采用不同的仿真算法，到底采用哪一种算法更好，这需要实践，

24、从仿真能否进行仿真的速度、仿真的精度等方面进行比较选择。在此仿真中，通过实践我们在仿真中所选择的算法为ode23s。仿真开始实践Start time一般设为0，Stop time根据实际需要而定，一般只要能够仿真出完整的波形就可以了。在此论文中，我Stop time们设置Stop time为默认值为304。3.3.1 异步电机调压调速系统仿真模型异步电动机调压调速系统的仿真模型如图3.16所示：3.16 异步电动机调压调速系统的仿真模型其中，转速调节器的参数，限幅值参数，仿真参数设置都已经在前面介绍过，这里反馈参数K选择为20，其他都设置为默认值。由上图可得到交流调压调速系统的转速特性。如图3

25、.17所示。修改电机测试信号分配器的输出端子，使其输出端分别为电磁转矩、三相定子电流输出is_abc可以得到如图3.18、3.19的波形。3.4仿真结果的输出及结果分析当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。在MATLAB的模型窗口打开“Simulink”菜单，点击“Start”命令后，系统开始进行仿真，仿真结束后可输出仿真结果。然后根据输出结果，观察系统是否稳定，如果不稳定，则 继续修改系统中的积分参数、比例参数等参数，直到系统稳定为止。系统有两种输出方式：“示波器”以及“out1”输出模块。本文采用示波器观察输出结果。运行结束后，只要在系统的模型图上双击“示波器”图标即可。通过“示波器”

26、模块观察仿真输出，则要对“示波器的“Limit data points to last”的值要设的大一点，否则”Figure”数尺的图形会不完整。一般情况下设置“Limit data points to last”为500000，本文也是如此。示波器数尺结果如下：图3.17显示为交流调压调速系统的转速曲线，图3.18为交流调压调速系统电子转矩输出，图3.19为交流调压调速电路三相定子电流输出。图3.17 交流调压调速系统的转速特性图3.18 交流调压调速电磁转矩输出图3.19 交流调压调速电路三相定子电流输出从上图中系统的输出，可以看出在开始启动的瞬间，定子电流的峰值可达450A，在恒转矩启动

27、阶段，定子电流基本上保持在150A。恒转矩启动阶段的大约时间为0.7s。在恒转矩阶段，转矩保持在极限值300N m。速度约在0.9s时上升到最大值，在约1.9s时达到稳态值，稳态时转子角速度约为120rad/s。最终可以得到如下结论：（1） 启动阶段大约时间为0.7s，系统反应速度比较快，上升时间比较短。（2） 利用转速调节器的饱和特性，使得系统保持恒定最大允许电流，在尽可能短的时间内建立转速，在退饱和实现速度的调节和实现系统的无静差特性。（3） 由于采用PI调节器构成了转速负反馈的无静差系统，在负载变化和电网电压波动等扰动情况下，保持系统的恒定输出。（4） 由上图可知，这个曲线结果和实际电机

28、运行的结果相似，系统的建模和仿真是成功的。4.结论交流调压调速系统具有线路简单，价格便宜，使用维修方便等优点，所以在实际的工程中得到广泛的应用。 详细研究了三相交流调压电路，并通过MATLAB的SIMULINK 电力系统工具箱分别对其主电路和控制电路进行了建模和参数设置，最终建立了异步电动机调压调速系统仿真模型，根据输出的仿真结果，简单分析了该系统的转速输出、电磁转矩输出以及三相定子电流输出，验证了交流调压电路的工作原理以及系统模型的正确性，为交流调速系统今后的发展及应用奠定了良好的理论基础。在系统中，由于非线性环节线性化处理、近似处理、调节器的饱和非线性等因素导致了工程设计与性能要求有差别，

29、从而仿真出的波形不是很理想，抗扰性能不够强等等缺点。所以在系统的仿真过程中必须经过大量的调试和参数的修改，才能得出超调量小、抗干扰性能较好调压调速系统。电动机是电动车辆最主要动力元件，它与能量源之间的能量流动是通过功率转化器进行调节的。电机自身的性能将直接影响电动汽车的最高车速、加速性能及爬坡性能等，所以在开发整车之前初步确定电机类型及其参数进而对电机进行选择至关重要，确定电机参数并绘制符合要求的电机性能曲线，验证交流调压电路的工作原理以及系统模型，为电机的快速选择和后续车辆动力传动系统匹配优化提供了依据。参考文献1 张少军，杜金城. 交流调速原理及应用M.北京：中国电力出版社，2003.2 李发海，王岩. 电机与拖动基础M.北京：清华大学出版社，2005.3 阮毅，陈维钧. 运动控制系统M.北京：清华大学出版社，2006.4 周深渊，宋永英，朱希荣. 交直流调速系统与MATLAB仿真M.北京：中国电力出版社，2003.5 陈伯时. 电力拖动自动控制系统(第2版)M.北京：机械工业出版社，2000.6 薛定宇，陈阳泉. 基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用M.北京：清华大学出版社，2002.7 王沫然，Simulink建模及动态仿真M.北京：电子工业出版社，2002.8 薛定宇. 控制系统计算机辅助设