永磁同步电机最大转矩电流控制研究

永磁同步电机最大转矩电流控制研究

首先，本文根据永维能源汽车电机的特点，得出结论，永维无刷辊电机通过定向激励控制实现最大旋转噪声控制。在此基础上,建立了相同转矩转速多永磁同步电机驱动系统统一效率模型,根据此模型,分析了磁场定向控制(无弱磁)下同转速多表贴式永磁同步电机(SPMSM)系统转矩分配策略。四轮驱动轮毂电机属于多表贴式永磁同步电机系统,通过在Matlab/Simulink中搭建四轮驱动电动汽车仿真模型分析转矩分配方法,并且进行了实车测试。1永磁同步发电机的工作原理永磁无刷轮毂电机一般采用分数槽集中绕组,较多极对数,外转子结构,从而实现低速大转矩。图1为实测的永磁无刷轮毂电机A相反电势随转子位置变化的波形,其反电势波形接近正弦波。对A相反电势进行Fourier分析,如图2所示,相反电势中主要含有基波和三次谐波。只考虑基波和三次谐波,永磁无刷轮毂电机的三相反电势解析公式为:式中:Em1、Em3分别是基波反电势、三次谐波反电势幅值,且Em3=0.055Em1;ω为转子电角速度。由于永磁无刷轮毂电机定子绕组采用星形联结,三次谐波相反电势与正弦相电流不会产生有效的电磁转矩,而基波相反电势与正弦相电流产生恒定电磁转矩,因此采用磁场定向控制将电流波形控制为正弦波,可产生恒定的电磁转矩。永磁同步电动机由abc坐标系变换到dq坐标系且满足功率不变约束的变换公式为考虑铁心损耗时的d、q轴等效电路如图3所示。定子的d、q轴电流id和iq,被分为铁耗电流idi和iqi和转矩电流idt和iqt。稳态情况下,电压平衡方程可表示为:磁链ψd和ψq的表达式为:电磁转矩方程式为式中:ud、uq为定子d、q轴电压;id、iq为定子d、q轴电流,idi、iqi为定子等效的d、q轴铁损电流,idt、iqt为定子等效的d、q轴转矩电流;ψd为定子d轴磁链,包括定子d轴电流产生的磁链和永磁体产生的磁链;ψq为定子q轴磁链;Ld、Lq为定子绕组d、q轴电感;ω为转子电角速度;ψf为永磁体产生的磁链;Ra为定子绕组相电阻;p为电机极对数;θ为转子的位置角;Te为电机电磁转矩。本文所用的永磁无刷轮毂电机为外转子表贴型永磁同步电机,其中,Ld=Lq,转矩方程可简化为式(6)。由式(6)可得出,永磁无刷轮毂电机产生的电磁转矩与q轴转矩电流成正比,与d轴电流无关。在磁场定向控制时,一般控制d轴电流id=0,以实现最大转矩电流控制。图4是永磁同步电机的功率流图。永磁无刷轮毂电机的输入功率可从公式(3)、(4)和图3等效电路推导得到:式中:Ri为电机铁损等效电阻;等号右边第1部分为铜耗PCu;第2部分为铁耗PFe;第3部分为电磁功率Pe,其为机械损耗Pm、杂散损耗Ps和机械输出功率Pout的总和,可表示为损耗的定义如下。1)铜耗。由定子绕组电阻产生的损耗,铜耗可以用电阻Ra和定子相电流的有效值Irms表示为2)铁损。定子铁心中由于涡流和磁滞引起的损耗。根据等效电路,铁耗的表达式为3)机械损耗。由于摩擦和绕组损耗产生,机械损耗根据测量结果得到。4)杂散损耗。剩余的损耗,会随着负载转矩增加而增加,将根据测量结果得到。2稳态电压平衡方程在多个永磁同步电机(假设为k)系统中,所有的永磁同步电机为同一型号,且按相同转速转矩转动,建立多永磁同步电机驱动系统的统一等效模型,如图5所示。等效模型中,定子电阻、铁耗电阻、d轴电感、q轴电感变为单个电机的1/k,电流为单个电机的k倍,电压和磁链参数不变。稳态情况下,电压平衡方程可表示为:磁链ψd和ψq的表达式为:多电机铜耗的表达式为多电机铁耗的表达式为多电机电磁转矩的表达式为式中:Pin1、PCu1、PFe1、Te1分别为单个电机的输入功率、铜耗、铁耗和电磁转矩。本文所用的永磁无刷轮毂电机为表贴式永磁同步电机,电磁转矩方程可简化为由以上分析知,此模型可准确反映相同转速转矩多永磁同步电机驱动系统的功率流动情况。3u3000表贴式永磁为了简化分析,假设k个永磁同步电机中分为两组:第1组为a个转矩转速相同的永磁同步电机,且每个电机电磁转矩为Tea;第2组为b个转矩转速相同的永磁同步电机,且每个电机电磁转矩为Teb。多永磁同步电机最小化损耗转矩分配指两组电机总的输出转矩满足整个系统需求且使电气损耗最小。忽略杂散损耗,由于电机转速相同,机械损耗转矩相同,因此输出转矩满足系统需求可以用电磁转矩满足系统需求来代替,数学描述为:式中Terq为总需求电磁转矩。表贴式永磁同步电机在磁场定向控制下,通过控制d轴电流id=0,以实现最大转矩电流控制。在此控制方式下,根据图5的等效电路,两组电机的铜耗、铁耗和总电气损耗可表示为:式中:PCua、PFea分别为第1组电机的总铜耗和总铁耗,PCub、PFeb分别为第2组电机的总铜耗和总铁耗,Plossa、Plossb分别为第1组电机的总电气损耗和第2组电机的总电气损耗;iqta、iqtb分别为第1组电机和第2组电机单个电机的等效q轴转矩电流。分析式(21),Terq、p、k、ψf为常数;在一定转速下,ω为常数;Ld、Lq与电机电流有关,但在非饱和情况下电机电流对其影响较小,此处认为是常数;Ri主要与转速和气隙磁通有关,电机电流对其影响也很小,此处认为是常数。因此,只要求得式(22)的最小值,即可得到电气损耗(铜耗和铁耗)的最小值。当且仅当iqta=iqtb时,电气损耗(铜耗和铁耗)取得最小值。可推得:idta=idtb,iqia=iqib,iqa=iqb。因此,对于表贴式永磁同步电机,平均分配转矩可以获得最高效率,可通过控制d轴和q轴电流来实现。制动回馈的分析与驱动的分析类似,同样可以得出平均分配制动转矩可以使制动回馈效率最优。4不同转速时的产气模型仿真分析四轮驱动电动汽车采用4个永磁无刷轮毂电机驱动,属于多永磁同步电机系统。永磁无刷轮毂电机参数如表1所示。仿真和试验中采用的四轮驱动电动汽车为低速微型电动汽车,如图6所示。四轮驱动微型电动汽车及电池参数见表2。在Matlab/Simulink中搭建整车系统模型,以验证四轮永磁无刷轮毂电机转矩分配对续驶里程的影响。采用城市道路工况循环仿真来验证不同分配策略下四轮驱动微型电动汽车的续驶里程,由于微型电动汽车的最高车速只有60km/h,因此将城市道路工况循环的车速按照60/80的比例缩小,如图7所示。电池的工作范围为电池荷电状态(SOC)从0.9降到0.25。电动汽车转矩分配分别采用三种控制策略:全时四轮驱动、分时四轮驱动和全时两轮驱动。其中,分时四轮驱动是指根据电机效率MAP图,如果两轮驱动时单个电机的效率优于四轮驱动时单个电机的效率,则采用两轮驱动;反之,则采用四轮驱动。三种控制策略仿真的续驶里程:全时四轮驱动为50.29km;分时四轮驱动为49.79km;全时两轮驱动为47.12km。可知,全时四轮驱动的方案优于分时四轮驱动方案,二者都优于全时两轮驱动方案。分时四轮驱动方案只考虑了工作电机的效率MAP图,忽略了不工作电机会输出负转矩的特性,不能得到最优的续驶里程。全时两轮驱动方案没有充分利用4个电机的优势,特别在输出转矩较大的情况下,电机的铜耗将非常严重,导致效率最低。因此,采用永磁无刷轮毂电机的四轮驱动电动汽车,采用全时四轮驱动最节约能量。根据图3考虑铁耗的永磁同步电机d、q轴等效电路模型可以计算出不同转速转矩下的永磁无刷轮毂电机的效率MAP图,与试验实测的效率MAP图对比,如图8所示。可见,模型计算效率基本可以准确反映永磁无刷轮毂电机的实际效率。电动汽车试验道路坡度角为-0.07的下坡道路,通过分别采用四轮驱动和两轮驱动在不同车速下匀速行驶,来比较两种驱动方法需求的电池功率差别。试验测得的四轮驱动和两轮驱动需求的电池功率如图9所示。由图9得出,在各种转速下,输出相同的机械功率时,四轮驱动需求的功率都要小于两轮驱动需求的功率。因此,平均分配转矩的四轮驱动具有更高的效率,更加节能。5电动助力电机新驱动系统本文从永磁无刷轮毂电机的效率模型出发,建立了相同转矩转速多永磁同步电机效率模型,在此基础上,分析了平均分配转矩可使系统效率最优。四轮驱动轮毂电机电动汽车作为多表贴式永磁同步电机系统的一种应用,平均分配转矩将使整车能量效率最优。最后,通过仿真和试验验证了四轮驱动轮毂电机电动汽车全时四轮驱动优于分时两轮驱动和全时两轮驱动方案。当今关于环保和能源的问题备受关注,为解决这些问题,电动汽车呈现出加速发展的趋势。电动汽车采用电池作为唯一能源,存在续驶里程短的问题。在现有电池技术条件下,为解决电动汽车续驶里程短的问题,电动汽车需要轻量化设计以及高效的电驱动系统构型,并通过能量优化算法达到整个系统效率最优,实现最长的续驶里程。在驱动系统构型的选择上,电动汽车可以采用单电机驱动和轮毂电机驱动等形式。相比单电机的传统驱动方式,轮毂电机驱动可以省略包括减速器、差速器和传动轴等在内的机械部件,大大降低了机械损耗,同时可以节省车内空间,实现微型化,减少电动汽车整备质量。四轮驱动轮毂电机电动汽车通过采用4个轮毂电机驱动,提供整车功率需求。通过采用4个轮毂电机驱动,可以实现每个轮子独立的转矩控制,整车控制会更加灵活。4个轮毂电机的转矩如何分配使整车能量效率最优得到关注。文认为当转矩需求较小时,通过只采用前面两轮或后面两轮驱动可使整车效率更优。文甚至提出通过采用前面两轮驱动后面两轮制动来达到整车能量优化。这些文献大都基于电机MAP图进行效率优化,认