电动汽车用交流电机矢量控制系统MATLAB仿真分析

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0.9
1
时间 ( s) t/s
图 2 交流电动机速度响应曲线
0.6
图 3 交流电动Fra Baidu bibliotek转矩响应曲线
) u p (
压 电 子 定 下
0 引言
电动车用交流电机是高度非线性、强电磁偶合的功率执 行元件，与直流电机相比控制要复杂得多，交流电机的控制 关键在于解耦。矢量控制在国际上一般多称为磁场定向控制 （Field Orientation Control ），即把磁场矢量的方向作为坐标 轴的基准方向，电动机电流矢量的大小方向都用瞬时值来表 示 。磁场定向控制理论从理论上解决了交流电动机转矩的 高性能控制问题，其基本思想是将交流电动机模型通过一系 列的坐标变换设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场 定向坐标上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和 产生转矩电流分量，并使两个分量互相垂直，彼此独立，然 后分别进行调节。这样交流电动机的转矩控制，从原理和特 性上就与直流电动机相似了。对于交流电动机矢量控制系统 的 研究 用 传 统 的解 释 法 分 析是 非 常 复 杂的 ， 本 文 采 用 MATLAB 软件进行仿真分析，简化了分析过程。
在 MATLAB 环境下根据交流电动机在 M-T 坐标系下的
um1 ut1 0 0
=
R ω s +L sp 1L s ω Rs + Ls p 1L s Lm p ω sL m 0 0
Lm p ω 1L m Rr + Lr p ω sL r
ω im1 1L m Lmp it1 0 Rr im2 it2
it 1 =
Lr Te p m Lmψ 2
（ 4）
而0 = ω s (Lmim1 + Lr im2 ) + R r it 2 故
=ω ψ2 + Rr it 2 s
（ 5） （ 6）
ω = pm s im1 =
Rr T ψ22 e
ψ2 Lm
1 交流电动机在两相旋转坐标系（M - T） 上的数学模型
一个旋转矢量 i 从三相定子 A-B-C 坐标系变换到两相定 子 α β坐标系，称为 Clarke 变换，也叫 3/2 变换，一个旋 转矢量 i 从垂直坐标系（ α β坐标系）变换到定向坐标系 （M-T 坐标系），称为 Park 变换 [2]。 异步电动机在 M、T 坐 标系下的工作状态可由以下 3 个方程式来描述 [3-4]：
电动汽车用交流电机矢量控制系统 M A TLA B 仿真分析
电动汽车用交流电机矢量控制 系统
MATLAB 仿 真 分 析
黄秋芳
福建龙马环卫装备股份有限公司
[ 摘要]
本文介绍了一种电动汽车用交流行走电动机矢量控制系统， 在M A TLA B环境下对交流电机矢量控制系统进行仿真分析，
仿真结果表明对交流电机使用矢量控制方法进行控制时具有动态特性好，速度、转矩响应迅速等特点，为实际电机控制器的 研制奠定了理论基础。 [ 关键词 ] 交流电机 矢量控制 M A TLA B 仿真
[1]
ψm1 Ls ψ 0 t2 = ψ Lm m2 ψ 0 t2
0 Ls 0 Lm
Lm 0 Lr 0
0 Lm 0 Lr
im1 it 1 i m2 it 2 （3） （2）
Te = p m(ψt2 im 2 ψm2 it 2 )
式（1）中的第三、第四行出现零元素，减少了多变量之间的 偶合关系，使模型得到简化。即 T 轴电流为
图1
交流电动机按转子磁场定向控制的 M A TLA B仿真系统框图 在仿真过程中采用电动机的标幺值数学模型，即将电动
值 0.2）。图 2 表明交流电动机速度响应特性良好，响应时间 约为 150 ms 。 图 3 表明速度突变时交流电动机转矩产生脉动， 150 ms 后趋于平稳。
机的状态量电流、电压、转矩、转速，以及参数中的电阻、 电感等都用相对值（ PU 值）来表示。将物理量的实际值除以
数学模型即式（ 1）、式（2）和式（3），编制 M 文件建立 （ 1） 交流电动机的仿真模型。同时根据如图 1 的仿真框图中各参 数传递路线编写各个模块的 M 文件， 建立一个交流电动机按 转子磁场定向控制的 MATLAB 仿真系统。整个仿真系统主
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2010 年第 12 期（总第 48 期）
海峡科学
研究论文
要包括交流电动机模型模块、电流 PI 调节模块、速度 PI 调 节模块、 Park 变换模块、Park 逆变换模块和电流磁链模块。
H A I X IAK E X UE
其同单位的基值。选用电动机的标幺值数学模型可以将所有 的物理量的数值都限定在 [-1， 1]之间，简化仿真过程中的计 算量。 仿真过程中使用的电动机的参数：三相交流电动机，额 定功率 4.9 kW，额定电压 27 VAC ，额定频率 50 Hz，额定转 矩 32 Nm，转差率为 0.03，额定转速 1455 r/m ，极对数为 2， 定子电阻为 3.801 Ω， 转子电阻为 4.102 Ω， 定子电感为 0.166 H， 转子电感为 0.172 H，互感为 0.159 H。 图 2 到图 4 分别是交流电动机在负载不变而转速突变时 不同坐标系下的电流响应曲线及速度和转矩响应曲线。仿真 条件：从启动到 0.5 s 内电动机按给定转速为 582 r/m （pu 值 由 0.4）运行，仿真时间等于 0.5 s 时转速从 582 rpm 变为 1 164 r/m （pu 值由 0.4 变为 0.8），给定转矩为 6.4 Nm （pu
0. 8 ) u p ( 0. 6
度 0. 4 速 角 0. 2 子 转 0
-0. 2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
) 0. 2 u p (
矩 转0 磁 电
-0. 2 0 0.1 0. 2 0 .3 0 .4 0.5 时间 (s ) t/s 0. 6 0 .7 0.8
上述给出的式（4）、式（5）、式（6）三个方程式是构 成转差型矢量控制系统的基本方程式，它描述了 it 1 和 Te、ψ2 的关系 。 由于 a、p m 均为常数， 故交流电机在 M-T 坐标系上 的转矩方程与直流电动机非常相似，控制就容易进行了。
[5]
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交流电动机矢量控制系统 M ATLA B 仿真