混合動(dòng)力車用永磁同步電機(jī)矢量控制策略分析

楊毅

摘 要：日前，節(jié)能和環(huán)保日漸成為了國(guó)際主題，各行各業(yè)都逐步踏上了節(jié)能環(huán)保之路。而作為能夠提升燃油自身的經(jīng)濟(jì)性、不斷降低污染物排放代表的混合動(dòng)力汽車得到了廣泛重視。在此背景下，本文簡(jiǎn)單介紹了永磁同步電機(jī)在混合動(dòng)力車上的應(yīng)用情況，從而進(jìn)一步分析了混合動(dòng)力車用永磁同步電機(jī)，在介紹永磁同步電機(jī)矢量控制基本原理及控制問題的基礎(chǔ)上，提出了混合車用永磁同步電機(jī)矢量控制策略。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力車;永磁同步電機(jī);矢量控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.017

在能源和環(huán)境問題日益突出的今天，混合動(dòng)力汽車憑借其排放低、燃油經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)得到了越來越多的重視。永磁同步電機(jī)擁有眾多突出的優(yōu)點(diǎn)，特別是效率高、功率密度也相對(duì)較高，在控制性能上也較為突出，目前越來越多的車開始采用永磁同步電機(jī)。在使用永磁同電機(jī)時(shí)，由于其以磁體勵(lì)磁，而矢量控制可有效降低電機(jī)弱磁現(xiàn)象。因此，學(xué)術(shù)界對(duì)混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制的研究成為一項(xiàng)重要技術(shù)。

1 永磁同步電機(jī)在混合動(dòng)力車上的應(yīng)用

以當(dāng)前技術(shù)來看，混合動(dòng)力車上所采用的永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)大多是三相永磁同步電機(jī)。相對(duì)交流異步電機(jī)來說，永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是省略了異步電機(jī)中必要的轉(zhuǎn)子側(cè)所帶的勵(lì)磁電流，這就使得二次側(cè)產(chǎn)生的銅損得到了有效地消除，從而使得自身的效率得到了提升。在材料上，永磁同步電機(jī)自身所需要的轉(zhuǎn)子永磁體是利用稀土作為自身的創(chuàng)作材料，這使得永磁同步電機(jī)的尺寸得到明顯的減小，功率密度更是得到提升。例如，就目前來看相對(duì)經(jīng)典而且還屬于混合動(dòng)力車的車有：通用汽車公司所生產(chǎn)的Volt以及豐田公司所出產(chǎn)的Prius等，均是使用了永磁同步電機(jī)。

2 用永磁同步電機(jī)對(duì)混合動(dòng)力車進(jìn)行矢量分析

2.1 永磁同步電機(jī)矢量控制基本原理

以交流電機(jī)為載體，將其三相坐標(biāo)系中的各種變數(shù)通過轉(zhuǎn)子通過地磁場(chǎng)物質(zhì)的力的作用，確定方向，轉(zhuǎn)換成二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)上，讓定子電流分解為兩種，一種是勵(lì)磁分量，另一種是轉(zhuǎn)矩分量，讓定子電流具有非常良好的解耦特性，從而通過直流電機(jī)控制方法來對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行有效的控制，讓電機(jī)操作系統(tǒng)保持很好的動(dòng)態(tài)特性，這就是矢量控制的大概方法。而通過電流空間使用特殊方法進(jìn)行坐標(biāo)變換，把永磁同步電動(dòng)機(jī)通過等效原理轉(zhuǎn)換成直流電動(dòng)機(jī)，就可以通過直流電機(jī)操作方法對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。

在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，使用的是雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，其中使用PI算法控制轉(zhuǎn)速為外環(huán)，將電流調(diào)節(jié)器給定值輸入當(dāng)做是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出值，在進(jìn)行PI算法進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，通過繞在定子上面的銅線進(jìn)行輸出，得到兩個(gè)軸電壓設(shè)定值。經(jīng)過帕克逆轉(zhuǎn)變，把之前得到的兩軸電壓設(shè)定值轉(zhuǎn)變?yōu)槎囔o止坐標(biāo)電壓設(shè)定值。然后用空間矢量脈寬調(diào)制方法對(duì)逆變器進(jìn)行操作，把蓄電池中直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娏?，輸出給繞在定子上面的銅線上。

2.2 混合動(dòng)力車用永磁同步電機(jī)矢量控制的主要問題

矢量控制步進(jìn)擁有很多優(yōu)勢(shì)，其還具備兩相、三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方法復(fù)雜、太過依賴于電機(jī)參數(shù)、電機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)或參數(shù)等不確定因素，不能確保參數(shù)具備解耦性等很多缺點(diǎn)。確定好繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的構(gòu)件位置檢測(cè)到其位置信息以確定磁場(chǎng)方向，從而增加整體成本，是矢量控制系統(tǒng)的必要前提。對(duì)其有決定性影響的是機(jī)械設(shè)計(jì)精度差以及電動(dòng)機(jī)內(nèi)不是正弦波形氣隙磁場(chǎng)，這兩個(gè)因素直接降低了其解耦性，在轉(zhuǎn)換坐標(biāo)過程中誤差值大，最終控制系統(tǒng)效果達(dá)不到預(yù)期值。

3 混合動(dòng)力車用永磁同步電機(jī)矢量控制策略

面對(duì)混合動(dòng)力車用永磁同步電機(jī)矢量控制中的問題，在運(yùn)動(dòng)控制中，變頻調(diào)速電機(jī)以變流裝置的關(guān)鍵性技術(shù)中的脈寬調(diào)制技術(shù)作為首要手段。脈寬調(diào)制技術(shù)人們熟知的分為兩種，即正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)與電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)。

3.1 正弦波脈寬調(diào)制

脈沖寬度調(diào)制技術(shù)是通過調(diào)制出特定寬度的脈沖序列，相似輸出的幅值波形與形狀波形。經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)可以得出最終結(jié)論，當(dāng)輸出波形很相似時(shí)，那就一定是在保持物體原來的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的前提下，增加各種形狀的矢量并保證其窄脈沖保持一樣。利用傅立葉原理對(duì)輸出波形進(jìn)行變換，轉(zhuǎn)換結(jié)果只有在高頻段有一點(diǎn)區(qū)別。

讓逆變器輸出的電壓與正波形相似，是正弦波脈寬調(diào)制的最終目的。形成環(huán)繞旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)進(jìn)而生成穩(wěn)定的電磁扭矩是對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制的最重要的目的，但是負(fù)載電路的參數(shù)會(huì)對(duì)電流波形產(chǎn)生一定影響。假設(shè)將逆變器與電機(jī)當(dāng)做一個(gè)整體作為基本目標(biāo)，基于此來跟蹤環(huán)繞旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以達(dá)到控制脈沖寬度調(diào)制電壓，這個(gè)控制手段稱之為磁鏈跟蹤。要想對(duì)磁鏈跟蹤行走軌跡進(jìn)行控制，就要依靠電壓空間矢量加法所得到的，所以它又可以成為電壓空間矢量脈寬調(diào)制。由此可以得到，正弦波脈寬也可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2 電壓空間矢量脈寬調(diào)制

空間矢量脈寬調(diào)制相對(duì)于比正弦脈寬調(diào)制而言，擁有電流波形畸形率小，電磁扭矩脈動(dòng)小，擁有更高的直流電壓利用率、數(shù)字化更加容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，它代表著現(xiàn)代伺服體系調(diào)制技術(shù)的理想化?？臻g矢量脈寬調(diào)制他的直流電壓利用率很高、實(shí)現(xiàn)數(shù)字化更為便捷及電機(jī)扭轉(zhuǎn)脈動(dòng)小等突出優(yōu)點(diǎn)，因此，它經(jīng)常出現(xiàn)在永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中。

三相電壓型逆變器是系統(tǒng)中電機(jī)驅(qū)動(dòng)的裝置，空間矢量脈寬調(diào)制中電流控制策略則是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)中矢量控制策略得到的指令值轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制策略得到的定子電壓矢量指令值，輸出為逆變器每相上橋臂在各采樣周期雙內(nèi)的開通時(shí)刻。在固定周期內(nèi)，對(duì)于任何一個(gè)定子電壓矢量指令值都可以由其相鄰的兩個(gè)基本電壓向量合成。

脈沖寬度調(diào)制擁有特定周期，在一個(gè)周期內(nèi)，利用彼此挨著的兩個(gè)電壓向量和零向量互相作用產(chǎn)生最終的輸出電壓矢量，最終可以得到電壓空間矢量脈寬的波形。

4 結(jié)束語

總之，在混合動(dòng)力車用永磁同步電機(jī)矢量控制中，正弦波脈寬調(diào)制與電壓空間矢量脈寬調(diào)制是目前解決混合動(dòng)力車用永磁同步電機(jī)矢量控制中參數(shù)耦合不完全、誤差大等問題。在今后的發(fā)展中，相信，通過同業(yè)科研人員對(duì)混合動(dòng)力車用永磁同步電機(jī)矢量控制的不斷研究，矢量控制方法會(huì)更加豐富、易于操作。

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