永磁同步電機最大轉(zhuǎn)矩電流控制研究

永磁同步電機最大轉(zhuǎn)矩電流控制研究

首先，本文根據(jù)永維能源汽車電機的特點，得出結(jié)論，永維無刷輥電機通過定向激勵控制實現(xiàn)最大旋轉(zhuǎn)噪聲控制。在此基礎(chǔ)上,建立了相同轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速多永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)統(tǒng)一效率模型,根據(jù)此模型,分析了磁場定向控制(無弱磁)下同轉(zhuǎn)速多表貼式永磁同步電機(SPMSM)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩分配策略。四輪驅(qū)動輪轂電機屬于多表貼式永磁同步電機系統(tǒng),通過在Matlab/Simulink中搭建四輪驅(qū)動電動汽車仿真模型分析轉(zhuǎn)矩分配方法,并且進(jìn)行了實車測試。1永磁同步發(fā)電機的工作原理永磁無刷輪轂電機一般采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組,較多極對數(shù),外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩。圖1為實測的永磁無刷輪轂電機A相反電勢隨轉(zhuǎn)子位置變化的波形,其反電勢波形接近正弦波。對A相反電勢進(jìn)行Fourier分析,如圖2所示,相反電勢中主要含有基波和三次諧波。只考慮基波和三次諧波,永磁無刷輪轂電機的三相反電勢解析公式為:式中:Em1、Em3分別是基波反電勢、三次諧波反電勢幅值,且Em3=0.055Em1;ω為轉(zhuǎn)子電角速度。由于永磁無刷輪轂電機定子繞組采用星形聯(lián)結(jié),三次諧波相反電勢與正弦相電流不會產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩,而基波相反電勢與正弦相電流產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩,因此采用磁場定向控制將電流波形控制為正弦波,可產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。永磁同步電動機由abc坐標(biāo)系變換到dq坐標(biāo)系且滿足功率不變約束的變換公式為考慮鐵心損耗時的d、q軸等效電路如圖3所示。定子的d、q軸電流id和iq,被分為鐵耗電流idi和iqi和轉(zhuǎn)矩電流idt和iqt。穩(wěn)態(tài)情況下,電壓平衡方程可表示為:磁鏈ψd和ψq的表達(dá)式為:電磁轉(zhuǎn)矩方程式為式中:ud、uq為定子d、q軸電壓;id、iq為定子d、q軸電流,idi、iqi為定子等效的d、q軸鐵損電流,idt、iqt為定子等效的d、q軸轉(zhuǎn)矩電流;ψd為定子d軸磁鏈,包括定子d軸電流產(chǎn)生的磁鏈和永磁體產(chǎn)生的磁鏈;ψq為定子q軸磁鏈;Ld、Lq為定子繞組d、q軸電感;ω為轉(zhuǎn)子電角速度;ψf為永磁體產(chǎn)生的磁鏈;Ra為定子繞組相電阻;p為電機極對數(shù);θ為轉(zhuǎn)子的位置角;Te為電機電磁轉(zhuǎn)矩。本文所用的永磁無刷輪轂電機為外轉(zhuǎn)子表貼型永磁同步電機,其中,Ld=Lq,轉(zhuǎn)矩方程可簡化為式(6)。由式(6)可得出,永磁無刷輪轂電機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與q軸轉(zhuǎn)矩電流成正比,與d軸電流無關(guān)。在磁場定向控制時,一般控制d軸電流id=0,以實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流控制。圖4是永磁同步電機的功率流圖。永磁無刷輪轂電機的輸入功率可從公式(3)、(4)和圖3等效電路推導(dǎo)得到:式中:Ri為電機鐵損等效電阻;等號右邊第1部分為銅耗PCu;第2部分為鐵耗PFe;第3部分為電磁功率Pe,其為機械損耗Pm、雜散損耗Ps和機械輸出功率Pout的總和,可表示為損耗的定義如下。1)銅耗。由定子繞組電阻產(chǎn)生的損耗,銅耗可以用電阻Ra和定子相電流的有效值Irms表示為2)鐵損。定子鐵心中由于渦流和磁滯引起的損耗。根據(jù)等效電路,鐵耗的表達(dá)式為3)機械損耗。由于摩擦和繞組損耗產(chǎn)生,機械損耗根據(jù)測量結(jié)果得到。4)雜散損耗。剩余的損耗,會隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加而增加,將根據(jù)測量結(jié)果得到。2穩(wěn)態(tài)電壓平衡方程在多個永磁同步電機(假設(shè)為k)系統(tǒng)中,所有的永磁同步電機為同一型號,且按相同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動,建立多永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的統(tǒng)一等效模型,如圖5所示。等效模型中,定子電阻、鐵耗電阻、d軸電感、q軸電感變?yōu)閱蝹€電機的1/k,電流為單個電機的k倍,電壓和磁鏈參數(shù)不變。穩(wěn)態(tài)情況下,電壓平衡方程可表示為:磁鏈ψd和ψq的表達(dá)式為:多電機銅耗的表達(dá)式為多電機鐵耗的表達(dá)式為多電機電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為式中:Pin1、PCu1、PFe1、Te1分別為單個電機的輸入功率、銅耗、鐵耗和電磁轉(zhuǎn)矩。本文所用的永磁無刷輪轂電機為表貼式永磁同步電機,電磁轉(zhuǎn)矩方程可簡化為由以上分析知,此模型可準(zhǔn)確反映相同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩多永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的功率流動情況。3u3000表貼式永磁為了簡化分析,假設(shè)k個永磁同步電機中分為兩組:第1組為a個轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速相同的永磁同步電機,且每個電機電磁轉(zhuǎn)矩為Tea;第2組為b個轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速相同的永磁同步電機,且每個電機電磁轉(zhuǎn)矩為Teb。多永磁同步電機最小化損耗轉(zhuǎn)矩分配指兩組電機總的輸出轉(zhuǎn)矩滿足整個系統(tǒng)需求且使電氣損耗最小。忽略雜散損耗,由于電機轉(zhuǎn)速相同,機械損耗轉(zhuǎn)矩相同,因此輸出轉(zhuǎn)矩滿足系統(tǒng)需求可以用電磁轉(zhuǎn)矩滿足系統(tǒng)需求來代替,數(shù)學(xué)描述為:式中Terq為總需求電磁轉(zhuǎn)矩。表貼式永磁同步電機在磁場定向控制下,通過控制d軸電流id=0,以實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流控制。在此控制方式下,根據(jù)圖5的等效電路,兩組電機的銅耗、鐵耗和總電氣損耗可表示為:式中:PCua、PFea分別為第1組電機的總銅耗和總鐵耗,PCub、PFeb分別為第2組電機的總銅耗和總鐵耗,Plossa、Plossb分別為第1組電機的總電氣損耗和第2組電機的總電氣損耗;iqta、iqtb分別為第1組電機和第2組電機單個電機的等效q軸轉(zhuǎn)矩電流。分析式(21),Terq、p、k、ψf為常數(shù);在一定轉(zhuǎn)速下,ω為常數(shù);Ld、Lq與電機電流有關(guān),但在非飽和情況下電機電流對其影響較小,此處認(rèn)為是常數(shù);Ri主要與轉(zhuǎn)速和氣隙磁通有關(guān),電機電流對其影響也很小,此處認(rèn)為是常數(shù)。因此,只要求得式(22)的最小值,即可得到電氣損耗(銅耗和鐵耗)的最小值。當(dāng)且僅當(dāng)iqta=iqtb時,電氣損耗(銅耗和鐵耗)取得最小值?？赏频?idta=idtb,iqia=iqib,iqa=iqb。因此,對于表貼式永磁同步電機,平均分配轉(zhuǎn)矩可以獲得最高效率,可通過控制d軸和q軸電流來實現(xiàn)。制動回饋的分析與驅(qū)動的分析類似,同樣可以得出平均分配制動轉(zhuǎn)矩可以使制動回饋效率最優(yōu)。4不同轉(zhuǎn)速時的產(chǎn)氣模型仿真分析四輪驅(qū)動電動汽車采用4個永磁無刷輪轂電機驅(qū)動,屬于多永磁同步電機系統(tǒng)。永磁無刷輪轂電機參數(shù)如表1所示。仿真和試驗中采用的四輪驅(qū)動電動汽車為低速微型電動汽車,如圖6所示。四輪驅(qū)動微型電動汽車及電池參數(shù)見表2。在Matlab/Simulink中搭建整車系統(tǒng)模型,以驗證四輪永磁無刷輪轂電機轉(zhuǎn)矩分配對續(xù)駛里程的影響。采用城市道路工況循環(huán)仿真來驗證不同分配策略下四輪驅(qū)動微型電動汽車的續(xù)駛里程,由于微型電動汽車的最高車速只有60km/h,因此將城市道路工況循環(huán)的車速按照60/80的比例縮小,如圖7所示。電池的工作范圍為電池荷電狀態(tài)(SOC)從0.9降到0.25。電動汽車轉(zhuǎn)矩分配分別采用三種控制策略:全時四輪驅(qū)動、分時四輪驅(qū)動和全時兩輪驅(qū)動。其中,分時四輪驅(qū)動是指根據(jù)電機效率MAP圖,如果兩輪驅(qū)動時單個電機的效率優(yōu)于四輪驅(qū)動時單個電機的效率,則采用兩輪驅(qū)動;反之,則采用四輪驅(qū)動。三種控制策略仿真的續(xù)駛里程:全時四輪驅(qū)動為50.29km;分時四輪驅(qū)動為49.79km;全時兩輪驅(qū)動為47.12km。可知,全時四輪驅(qū)動的方案優(yōu)于分時四輪驅(qū)動方案,二者都優(yōu)于全時兩輪驅(qū)動方案。分時四輪驅(qū)動方案只考慮了工作電機的效率MAP圖,忽略了不工作電機會輸出負(fù)轉(zhuǎn)矩的特性,不能得到最優(yōu)的續(xù)駛里程。全時兩輪驅(qū)動方案沒有充分利用4個電機的優(yōu)勢,特別在輸出轉(zhuǎn)矩較大的情況下,電機的銅耗將非常嚴(yán)重,導(dǎo)致效率最低。因此,采用永磁無刷輪轂電機的四輪驅(qū)動電動汽車,采用全時四輪驅(qū)動最節(jié)約能量。根據(jù)圖3考慮鐵耗的永磁同步電機d、q軸等效電路模型可以計算出不同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩下的永磁無刷輪轂電機的效率MAP圖,與試驗實測的效率MAP圖對比,如圖8所示?？梢?模型計算效率基本可以準(zhǔn)確反映永磁無刷輪轂電機的實際效率。電動汽車試驗道路坡度角為-0.07的下坡道路,通過分別采用四輪驅(qū)動和兩輪驅(qū)動在不同車速下勻速行駛,來比較兩種驅(qū)動方法需求的電池功率差別。試驗測得的四輪驅(qū)動和兩輪驅(qū)動需求的電池功率如圖9所示。由圖9得出,在各種轉(zhuǎn)速下,輸出相同的機械功率時,四輪驅(qū)動需求的功率都要小于兩輪驅(qū)動需求的功率。因此,平均分配轉(zhuǎn)矩的四輪驅(qū)動具有更高的效率,更加節(jié)能。5電動助力電機新驅(qū)動系統(tǒng)本文從永磁無刷輪轂電機的效率模型出發(fā),建立了相同轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速多永磁同步電機效率模型,在此基礎(chǔ)上,分析了平均分配轉(zhuǎn)矩可使系統(tǒng)效率最優(yōu)。四輪驅(qū)動輪轂電機電動汽車作為多表貼式永磁同步電機系統(tǒng)的一種應(yīng)用,平均分配轉(zhuǎn)矩將使整車能量效率最優(yōu)。最后,通過仿真和試驗驗證了四輪驅(qū)動輪轂電機電動汽車全時四輪驅(qū)動優(yōu)于分時兩輪驅(qū)動和全時兩輪驅(qū)動方案。當(dāng)今關(guān)于環(huán)保和能源的問題備受關(guān)注,為解決這些問題,電動汽車呈現(xiàn)出加速發(fā)展的趨勢。電動汽車采用電池作為唯一能源,存在續(xù)駛里程短的問題。在現(xiàn)有電池技術(shù)條件下,為解決電動汽車?yán)m(xù)駛里程短的問題,電動汽車需要輕量化設(shè)計以及高效的電驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型,并通過能量優(yōu)化算法達(dá)到整個系統(tǒng)效率最優(yōu),實現(xiàn)最長的續(xù)駛里程。在驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型的選擇上,電動汽車可以采用單電機驅(qū)動和輪轂電機驅(qū)動等形式。相比單電機的傳統(tǒng)驅(qū)動方式,輪轂電機驅(qū)動可以省略包括減速器、差速器和傳動軸等在內(nèi)的機械部件,大大降低了機械損耗,同時可以節(jié)省車內(nèi)空間,實現(xiàn)微型化,減少電動汽車整備質(zhì)量。四輪驅(qū)動輪轂電機電動汽車通過采用4個輪轂電機驅(qū)動,提供整車功率需求。通過采用4個輪轂電機驅(qū)動,可以實現(xiàn)每個輪子獨立的轉(zhuǎn)矩控制,整車控制會更加靈活。4個輪轂電機的轉(zhuǎn)矩如何分配使整車能量效率最優(yōu)得到關(guān)注。文認(rèn)為當(dāng)轉(zhuǎn)矩需求較小時,通過只采用前面兩輪或后面兩輪驅(qū)動可使整車效率更優(yōu)。文甚至提出通過采用前面兩輪驅(qū)動后面兩輪制動來達(dá)到整車能量優(yōu)化。這些文獻(xiàn)大都基于電機MAP圖進(jìn)行效率優(yōu)化,認(rèn)