电动汽车永磁同步电机直接转矩控制研究

电动汽车永磁同步电机直接转矩控制研究

1电机转速控制所谓同步机，尤其是同步永速机（pmms），有很多优点。体积小，效率高，功率密度高，旋转结构简化，稳定性好。在高性能、旋转响应快速增长的情况下，应用前景好的是，基于这种情况，永速机已成为电动汽车的发展趋势。直接转矩控制（DTC）是近年来国内外学者研究的热点之一，是继矢量控制之后，电机调速理论又一个重大突破。和传统的矢量控制相比，直接转矩控制具有：控制直接，计算过程简化，不需要进行坐标变换，不需要PWM脉冲发生器和电流调节器，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，转矩的动态响应快，需要的传感器少等优点。本文在直接转矩控制基础上提出并分析了反向转矩发电制动与正向转矩电动直接转矩控制相结合简化电机控制的方法，并采用Matlab工具研究了数学仿真，结果证明该方法是有效的。2永磁电机的工作原理假设永磁同步电机具有正弦形的反电动势波形，不考虑磁路饱和，忽略电机中的涡流损耗和磁滞损耗，可得到其在转子同步旋转坐标系d-q下的数学模型为式中ψd,ψq——定子磁链的d-q轴分量；ud,uq,id,iq——定子电压、电流的d-q轴分量；Ld,Lq——d-q轴等效电感；ψf——永磁体磁链;ωr——d-q坐标系旋转角频率;Tem——电机电磁转矩;J——转动惯量;Ω——转子机械角速度。根据文献的同步电机理论，永磁电机的功率瞬时值可以用式（7）表示为上式等号右端第一部分为电阻损耗，第二部分为磁场储能的增长率，第三部分为转化为机械功率的部分。根据文献电磁转矩Tem与转矩角β的关系为则由式（8）可以看出，电机的转矩包含了两个分量，第一项是永磁转矩，第二项是磁阻转矩。由式（8）可以得到永磁电机的功率式（9），观察式（9）可以知道等号右边第一、二部分同转矩角没有关系，只有第三部分代表转子机械能转换的部分同β有关，因此下面主要研究这一部分电磁功率Pemㄢ由式（10）可以知道，转矩角β不同，电机的电磁功率Pem是变化的，电机作电动机运行时，0<β<π，Pem>0；电机作发电机运行时，π<β<2π，Pem<0。3电机控制方案设计永磁同步电机的直接转矩控制系统是通过三相桥式逆变器为定子三相绕组通入直流电压，共有6个非零电压U1(100)、U2(110)、U3(010)、U4(011)、U5(001)、U6(101)和2个零电压U7(000)、U8(111)，其中‘0’表示逆变器下桥臂导通，‘1’表示上桥臂导通。直接转矩控制系统是在定子两相坐标系下进行运算的，通过式（11）将a、b、c三相定子绕组的电压Ua、Ub、Uc转换成基本电压矢量US,US与逆变器开关状态对应关系可以用式（12）表示式中Udc——直流母线电压。8个基本电压矢量如图1所示。开关变量矢量[Sa,Sb,Se]T与相电压矢量[Ua,Ub,Uc]之间关系为开关导通状态与三相电压如表1所示，定子三相绕组采用星形联结，表中UaN=Ua,UbN=Ub,UcN=Ucㄢ直接转矩控制是根据磁链和转矩给定值与实际检测值的误差来确定选择不同的电压矢量，以控制定子磁链的旋转速度及方向，达到快速控制转矩的目的。为了选择电压矢量以控制定子磁链幅值，把电压矢量平面划分为6个区域，如图2所示。在每一区域可以选择2个相邻的矢量来增加或减小磁链的幅值，这2个矢量的选取使得开关频率最小，例如，当磁链ψS在区域θ1逆时针旋转时，U2矢量可以增加磁链的幅值，U3矢量可以减小磁链的幅值。同样，选择U6、U5矢量可以分别增加与减小磁链幅值，这样，通过选择合适的电压矢量就可实现对磁链ψS的控制。另外，根据式（8）选择U2、U3矢量可以增加转矩，选择U6、U5矢量可以减小转矩。从直接转矩控制方式可以知道电机控制是离散的，在6个控制区域定子三相绕组的端电压根据表1确定。输出电压矢量与磁链、转矩和转子磁链区间位置的对应关系如表2ㄢ开关电压矢量表是根据磁链滞环比较器、转矩滞环比较器的开关状态，以及转子磁链所在的位置来决定发出的电压矢量，以控制逆变器的输出电压去驱动永磁同步电机。其中ψ=1对应参考磁链大于反馈值，τ=1对应参考转矩大于反馈值；当ψ=0或τ=0时，反之。根据表2可以知道，当θ=1，τ=1时，即电机的电磁转矩Tem小于负载转矩TL，开关电压矢量根据ψ取值1和0，三相定子电压如表2所示分别取U2和U3，从而提高Tem；当θ=1，τ=0时，即电机电磁转矩Tem大于负载转矩TL，ψ取值1和0，时，三相定子电压分别取U6和U5，从而减小Tem，对于上述电机控制过程结合表2，根据三相绕组所加的电压可以分别得到电机转子位置与电枢磁势位置如图3、图4所示。转子在图示位置三相绕组感生电动势瞬时值为当转子在区域θ1增加转矩时，加在三相绕组的电压分别为UaN=UDC/3,UbN=UDC/3,UcN=-2UDC/3与式（14）的感生电动势是同符号的，电机是工作在电动状态的；当减小转矩时，加在三相绕组的电压分别为UaN=UDC/3,UbN=-2UDC/3,UcN=UDC/3,UbN和UcN与式（14）的感生电动势是同符号的，电机是工作在电磁制动或发电状态。由式（10）可以知道，当控制角0<β<π时，电磁功率Pem>0，则电机作电动机运行；当控制角π<β<2π时，电磁功率Pem<0，则电机作发电机运行。由上面分析可以知道，对于直接转矩控制的永磁同步电机，当减小电磁转矩时，它是通过电磁耗能制动或发电的方式来达到这一目的的，根据直接转矩控制的这种运行方式，结合同步发电机电磁转矩的制动特点，本文将电磁制动的耗能转矩控制部分转换成发电制动，即当τ=0时，将定子三相绕组短接，转子依靠惯性旋转，形成同步发电制动，从而简化了电机的控制，其简化的开关电压矢量如表3ㄢ4永磁同步电机能量仿真本文基于Matlab建立了永磁同步电机直接转矩控制的仿真模型，其中永磁同步电机参数如下：RS=5Ω，Ld=Lq=8.5mH，ψf=0.175Wb,np=2,B=0,J=0.008kg·m2。为了验证直接转矩控制系统的静、动态性能，速度给定100rad/s起动，到达稳速后，0.5s时负载转矩由1N·m突变为2N·m。以下是仿真结果，图5是应用简化与传统两种方法永磁同步电机所吸收的电能曲线，从仿真结果可以知道，简化方法的功率接近于传统方法，只是初始时刻瞬时功率大些；图6是本文所提出简化方法的瞬时功率，图7是传统方法的瞬时功率，比较图6、图7本文提出的简化方法与传统方法的瞬时功率，可以知道简化方法瞬时功率一直是大于0的，而传统方法是正负交替变化的，这说明简化方法的电源一直是提供电能的，传统方法是充电和提供电能交替的，因为在电动汽车设计中如何延长电池使用寿命是一个关键指标，所以本文方法与传统方法比较更适合以电池供电的电动汽车，可以起到保护电池的作用；图8是简化方法的转速，图9是简化方法的转矩，仿真结果表明系统运行达到了希望运行曲线和结果；图10、图11分别是简化方法与传统方法的定子磁链轨迹图，可以看到二者是不同的，但都是封闭的。5仿真结果及分析本文通过对直接转矩