混合动力汽车系统中的永磁同步电机控制研究

ｏ ｔ ｉ ｔ ｎ ｗ ｓａ ｈｅｅ ． ｈ ｅｕ ｓｆ ｍ Ｓｍ ｌ ｉｎ ａ ｄ ｔｅｒａ ｐａ ｏｍ ｅｐ ｒ ｅ ｔｖｒｙ ｔｅｆａｉｉｔ ａｄ ｐｉ ｚ ｉ ａ ｃ ｉ ｄ Ｔ ｅ ｒｓｌ ｒ ｉ ｕａ ｏ ｎ ｈ ｅｌ ｌ ｆ ｘ ｅ ｍ ｎ ｅ ｆ ｈ ｅｓ ｌｙ ｎ ｍ ａｏ ｖ ｔ ｏ ｔ ｔｒ ｉ ｉ ｂ ｉ
量， 充分利 用变流器所能提供 的电压和 电流容量 ， 以维持 系统运行所需要的转矩输 出， 使得每个时刻电机都能充分利用变流器资源
并输出最大功率 ， 可靠性 和动态性能都很 理想 ， 实现了能量最优化 ， 仿真实验和实际平 台实验验证了该方法 的可行性和优越性。 关键词 Ｍ Ｐ ＴＡ 弱磁调速 最大功率输 出 混合动力
在图 ２所示 的 Ｏ Ａ段 上的每一点所对应 的转矩下 ，其 电压
到变流器所能提供的极限电压时， 如果想继续提速 ， 这就需要利 电流处于旋转坐标第二象限）当电机运行速度达到弱磁转折速 。
用 电枢反 应减弱定子磁 场 ， 即增加定子 轴 （ 直轴 ） 电流 （ 定子 极限圆对应的转速即为该 转矩 下的转折速度 ，随着负载转矩 的 加大 ， 转折速度就变得越来越低 ， 满载时所对应 的转折速度 为基
实现 电机的弱磁升速 ， 但是同样存在低速时转 矩脉动 的缺点 。 文 运行 。 ・
３ 办公 自动化 杂 志 ６‘
１ ＭＴ Ａ 轨 迹 控 制 、 Ｐ
…
从 电动机启 动 ，一直 到端 电压达到变流器所能提供 的电压 极 限值 ，这 个 阶段 的 电机 电动 过 程 采 用 ＭＴ Ａ控 制 策 略 ，此 时 Ｐ
２ 弱 磁 控 制 、
当 电 机 按 Ｍ Ｐ 轨迹 运行 ， 速 度 达 到 转 折 速 度后 ， 时 端 ＴＡ 其 此
电压也 达到 了逆 变器所 能提供 的极 限值 ｆ７ＩＭ 电机 的 电压 ，，Ｐ ｝
方 程见 式 （ ） ７。
ｒ— —— —— — ＝— —— — —— — — —— — — —－：＿ ＿
＝
√ ）＋ ＋厂 （ （ ）
一 电机 端 电压 ；
一
（ ７ ）
式 中
电机 角 速 度 。 又 由式 （ ） 知 ， ７可 当端 电 压 不 变 时 ， 就 需 要 在 保 持 定 子 这
、
引 言
在文献…中一种 较为新 型的磁通切换型永 １ 胶 、 械加工等工业 ， 机 这进一 步加大消耗石油资源ｌ１ １， － 给全人类 好 的弱磁扩 速能力 ， ３ 的后续发展带来 了严重的能源危机 。混合动力汽车实现 了将 磁 电动机被提了出来 ，该 电机 比其他一般 的永磁电机具有更高 Ｐ 燃 油 汽 车 和纯 电动 汽 车 的 优 点相 结 合 ， 长避 短 ， 扬 实现 了能 量 的 的弱 磁 能 力 。本 文 基 于 新 型 ＩＭ 分 析 了汽 车启 动 过 程 中 电机 运
，
极 ＼
０ ｄ 电流 轴
式 中１—定 子电流 ；
、
ｚ ｇ 一定子电流的 、 轴分量 ； ｇ
一
电磁 转 矩 ；
Ｐ－ ＩＭ 电机 的极 对 数 ； － Ｐ ／ 永磁磁链 。 一 由式 （ ） （ ） 得 式 （ ） １～式 ３ 可 ４ 旧
ｆ 一 ＋４ Ｌ — Ｌ ｜ ｑ ｄ
文献标识码 Ａ 文章编 号 １ ７ ５ ２ ０ １ — ８ ４ １ ０ 中图分 类号 Ｔ ４ Ｍ３ １
Ｃｏ ｔ ｆ ｒ ｎ ｎ ｇ ｅ ｎ ｈ ｏｎ ｕ ｔ ｒ ｎｒ ｏ ｍａ ｅ ｔ ｏｌ Ｐｅ Ｍａ ｎ ｔ Ｓｙ ｃ ｒ ｏ ｓＭｏ ｏ
ＯｆＨｙ ｒ ｅ ｔｉ ｈｃｅ Ｓｙ ｔ ｍ ｂ ｉ Ｅｌｃ ｒ Ｖｅ ｉｌ ｓ ｅ ｄ ｃ
ａ ｖ ｎ ａ ｅ ｆｔ ｅｓ ｓｅ ｄ ａ ｔｇ ｓｏ ｙ ｔ ｍ． ｈ
Ｋｅ ｗｏ ｄ ＭＴ Ａ ｙ ｒｓ Ｐ
一
Ｆｅｄ ｗ ａ ｉｇ ｉｌ － ｅ ｋｎ
Ｍａ ｉ ｍ ｏ ｅ ｕｐ ｔ ｘｍｕ ｐ ｗ ｒ ｔｕ ｏ
Ｈｙ ｒ ｂｉ ｄ
献 则研 究了一种前馈控 制的弱磁调速 的方法 ， 并且结合查表 法来实现电机的扩速 ，但是数据表的精确度容易影响到系统运 从 １８ ８ ０年汽车发明起 到今天 ， 汽车工业已经蓬勃发展 。同 时汽车工业的发展带动 了其他工业 的发展 ， 例如 钢铁 、 材料 、 橡 行 的稳定性。另外还可 以通过优化电机本体来使得 电机获得更
混合 动力汽 车 系统 中的永磁 同步 电机 控 制研 究
如 茹 孜 毅
哈 尔滨 １０ ８） ５０１ （ 黑龙 江省 交通信 息通信 中心
摘 要 基于混合动力汽车应用中的电机控制 ， 本文分析了电机运行的最大转矩 ／ 电流 Ｍ Ｐ 、 Ｔ Ａ 弱磁控制 和最大输 出功率等阶段的 数学模型 ，提出了基于新型 内嵌式永磁 同步电机 ＩＭ的一种最优 化定子电流控 制算 法 ，调节 不同阶段 给定定子 电流 的交直轴分 Ｐ
图 ２ 电机 ＭＴ Ａ 工 作 状 态 到 弱磁 调 速 示 意 图 ． Ｐ 当电 机 转 速 达 到 特 定 转 速 后 ， 由于 定 子 电流 和 电机 端 电压
２ 一 ） （
（） ４
受到变流器容量的限制 ， 速度不 可能没有 限制地上 升 ， 电压达 端
式 中 、 一 ｄ、 轴电感量 。 ｑ
一
一
—
—
（） ５
控制系统采用双闭环控制 ，转速外 环控制电机运行在指定
转速 ，电流内环按照转速外环的输 出和工作模式来调节定子 电 流矢量 ， 进而 给出参考 电压 ， 产生驱动信号 ， 控制变 流器 工作 ， 如
图 ３所 示
Ｚ ＝ ｇ ＝ ＝
（） ６
式 中 ｚ 、ｑ — ｄ、 轴极限电流。 ｌｍ ｑ
ｍａｉ ａ ｄ ｌｏ ａ ｉｕｓｓａ ｅ ｆｍｏ ｏ ｉ ｇ；ｔ ｅ ｓａ ｅ ｎ ｌ ｅ ｔ ｅ ＭＴＰＡ ，ｗｅ ｋ ｎ ｎ ｏ ｔｏ ｎ ｘ ｉ ｔ ｌｍｏ ｅ ｆｔ ｖ ｒｏ ｔｇ ｓｏ ｔｒｎ ｃ ｈｅ ｈ ｔｇ ｓｉ ｃｕｄ ｈ ａ ｅ ｉ ｇ ｃ ｎ ｒ ｌａ ｄ ｍａ ｍｕｍ ｕ ｐ ｔ ｏ ｔ ｕ ｐｏ ｒ ｓａ ｅ ｗｅ ｔｇ ．Ａ ｏ ｔｏ ｌｏ ｔ ｍ ｓ ｐ ｏ ｏ ｅ ｏ ｏ ｔ ｚ ｈ ｔｔｒ ｃ ｒｅ ．Ｔｈ ｏ ｇ ｈ ｌ ｏ ｉ ｃ ｎ ｒｌａ ｇ ｒ ｈ ｗａ ｒ ｐ ｓ ｄ ｔ ｐｉ ｅ ｔ ｅ ｓａｏ ｕ ｒ ｎｔ ｉ ｍｉ ｒ ｕ ｈ ｔ ｅ ａｇ ｒｔ ，ｔ ａ ｉ ｎ ｈｍ ｈｅ ｄ－ ｘ ｓ ａ ｄ ｑ－ ｉ ｏ ｏ ｅ ｔｏ ｔ ｔｒｃ ｒｅ ｔｗｅ ｅ ｇｖ ｎ ｔ ｒ ｄ ｅ ｔ ｅ ｄ ｓｒ ｄ ｔ ｒ ｕｅ ａ ｏ ｍａ ｎ ａｎ ｓ ｔ ｍ ｔｂ ｌｔ ｄ ｒｔ ｅ ｘ ａ ｓｃ ｍｐ ｎ ｎ ｆｓａ ｏ ｕ ｒ ｎ ｒ ｉｅ ｏ ｐ ｏ ｕｃ ｈ ｅ ｉｅ ｏ ｑ ｎｄ ｔ ｉ ｔｉ ｙｓｅ ｓａ ｉｉ ｕｎ ｅ ｈ ｙ ｖ ｌａ ｅｌｍｉ ａ ｄ ｃ ｒｅ ｔｌ ｔ Ｔｈ ｙ ｔ ｍ ａ ｅ ｕ ｌａ ｖ ｎａ ｅｏ ｅ ｃ ｐ ｃ ｔ ｆｔ ｅ ｃ ｎ ｅｔ ｒ ｎ ｈｅｍａ ｉ ｍ ｕ ｐ ｔ ｏｔｇ ｉ ｔ ｎ ｕ ｒ ｎ ｉ ． ｅｓ ｓｅ ｔ ｋ ｓｆ ｌ ｄ ａ ｔｇ ｆｔ ａ ａ ｉ ｏ ｏ ｖ ｒｏ ，ａ ｄ ｔ ｘ ｍｕ ｏ ｔ ｕ ｍｉ ｈ ｙ ｈ
电流极限值 满足 ／ 当电机弱磁运行超过一定转速 Ｌ ＞…
后， 在特定转速下 ， 电压极限圆上存在一点使得 电机输入输 出功 率最大 ， 则此后控制 电机 以最 大功率输 出运行 ， 图 ２中 Ｂ 如 Ｃ段
所示 。
流 可 由式 （ ） 式 （ ） １和 ４ 联立 求得 。
一
√ ＋（ ）ｍ 。８ 一 ： ｌ ｉ
ｔｒ ｕ ａ ｅ ｅ ａｅ ｙ ｔ ｅ ｍｏｏ ｎ ｔ ．Ｔ ｅ ｒ ｌ ｂ ｌ ｙ ａ ｄ ｄ ｎ ｍｉ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｆ ｓ ｓ ｍ ｒ ｏ ｄ ｏ ｑ ｅ ｗ ｓ ｇ ｎ ｒ ｔ ｄ ｂ ｈ ｔｒ ａ ｙ ｉ ｍｅ ｈ ｅｉ ｉ ｔ ｎ ｙ ａ ｃ ｅ ｆｒ ｎ ｅ ｏ ｙ ｔ ｗｅ ｅ ｇ ｏ ．Ｅｎ ｒ ａ ｉ ｅ ｅ ￣
某个 电流角度使得定子 电流最小 ，以此来实现 Ｍ Ｐ Ｔ Ａ控 制 ， 但 Ｍ Ｐ Ｔ Ａ控制阶段 ， 弱磁控制阶段等 。
是存 在转 矩 脉 动大 的缺 点 。 文 献 ［ 出 一 种 开 关 频 率 恒 定 的直 ９ １ 提 电机 启 动 时 ， 了最 大 限 度 地利 用 定 子 电流 ， 先 电机 沿 着 为 首 接转矩控 制电机的算法 ， 由转矩和转子磁链计算 出定子磁链 Ｍ Ｐ 先 Ｔ Ａ轨迹运行 ，如 图 ２中所示 的 Ｏ Ａ段 ，在恒 转矩范围内以 幅 值 ， 由转 矩 调节 器计 算 出 其 角 度 ， 过 控 制 磁 链 的 角 度 ， Ｍ Ｐ 再 通 来 Ｔ Ａ轨 迹 电动 运 行 ，在 该 段 轨 迹 上 的任 意 一 点 电机 以恒 转矩
ＭＴ Ａ轨 迹 沿 着 图 ２中的 Ｏ Ｐ Ａ段 运 动 ， 时 满 足式 （ ） 此 １～式 （ ） ３。
Ｚ ＝
图 １ 混 合 动 力 汽 车 控 制 系 统 结 构 图 ．
坐
：０
ｌ
ｚ （
ｌ Ｉ
Ｔ
＝
： ０
［ ｉ＋（ 一 ） 】 （） ｑ ｇ ３
ＭＴ Ａ轨迹达到 图 ２中的 度＆ 时 ， 入弱磁阶段 ， 进 定子 电流矢量沿着 图 ２中所示 的 Ａ Ｂ段 速 。当电机 额定 负载 电动运行时 ， Ｐ Ａ点 ， Ｍ Ｐ 轨 迹 与 电 流极 限 圆 的交 点 ， 即 ＴＡ 电机 速 度 达 到转 折 速 逆时针运 行变化 ， 由于新 型 ＩＭ 电机永磁磁链 ， ｄ轴电感 和 Ｐ 、 度 ， 定子 电流达到 电流极 限值 ， ｚ 此时的 、 轴 电 即ｚ ， ｇ
带动 汽车引擎启动过程是该控制 系统的核心技术之一 ，因此研
二、 系统 工 作 原 理
混合 动力汽车 电机控制系统结构如图 １ 示 ， 所 汽车启动 时， 究汽车启动过程中电机 的控制策略是很有意义的。 文献 出 了一 种 ＭＴ Ａ控 制 方 法 ， 一 定 转矩 下 通 过 寻 找 通过控制器控制 电机启动 ，带动汽车引擎开始工作 ，先后经历 提 Ｐ 在
ＲＵ Ｙｉ
（ ｉ ｎ ｊ ｎ ｒ ｐ ｒ Ｉｆｒ ｔ ｎＣ ｍｍｕ ｉ ｔ ｎＣｅ ｔ Ｈａｂｎ ｌ ｉ Ｔ ｎ ｉ ｎｃ ｉ ｎｅ ａｏ ｒ ｒｉ
１０ ８） ０ ５ １
Ａｂ ｔａ ｔ Ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｔｒｃ ｎ ｒ ｌ ｐ ｌ ａ ｉｎ ｆ ｂ ｉ ｌｃｒｃ ｖ ｈ ｃｅ ｈ ｓｐ ｐ ｒａ ａｙ ｅ ｅ ｍｏ ｏ ’ ￣ｅ ｓ ｒ ｃ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｍｏ ｏ ｏ ｔｏ ｐ ｉ ｔ ｓ ｏ ａ ｃ ｏ Ｈｙ ｒｄ ｅ ｅ ｔ ｅ ｉｌ ，ｔ ｉ ａ ｅ ｎ ｌ ｚ ｓ ｔ ｔｒ Ｓｍａ － ｉ ｈ
给出相应 的控制策略 ， 最后通过仿真和实际平 台实 最佳 分 配和 控 制 的 优 化 。综 上 所 述 ， 行 混 合 动 力 汽 车 的研 究 ， 行 中的变化 ， 进 验 验 证 了其 优 越 性 和 可 靠 性 。 具有 深 远 而 重 大 的 意 义 。 混 合 动 力 汽 车 控制 系 统 中 ， 制 电机 而 控