电动汽车用交流电机矢量控制系统MATLAB仿真分析

黄秋芳



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

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MATLAB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。

交流电机 矢量控制 MATLAB仿真

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[1]。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。

1 交流电动机在两相旋转坐标系（M-T）上的数学模型

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。即轴电流为

2 交流电动机矢量控制系统MATLAB仿真

在MATLAB环境下根据交流电动机在坐标系下的数学模型即式（1）、式（2）和式（3），编制M文件建立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。

图1 交流电动机按转子磁场定向控制的MATLAB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0.5s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。

图2 交流电动机速度响应曲线

图3 交流电动机转矩响应曲线

图5到图7分别是交流电动机在速度不变而负载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478 r/m（pu值0.33），给定转矩为3.2 Nm（pu值为0.1）运行，仿真时间等于0.5 s时负载从3.2 Nm变为9.6 Nm（pu值由0.1变为0.3），给定速度不变。图6表明负载突变时交流电动机转速产生脉动，150 ms后趋于平稳。

图5 交流电动机转矩响应曲线

图6 交流电动机速度响应曲线

3 结语

本文从交流电动机矢量控制理论出发，根据矢量控制的基本方程式，给出了交流电动机矢量控制系统MATLAB仿真框图。MATLAB仿真结果表明对交流电动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；可以满足对电动汽车频繁换向及频繁启动、制动工况下的行走电动机的控制。仿真结果为交流电动机实际控制器的设计提供了理论依据，同时，仿真过程中整定得到的PI调节器参数将用于实际控制系统，可提高现场调试效率。

[1] 许大中,贺益康,等.电机控制[M].杭州：浙江大学出版社,2002．

[2] 杨耕,罗应立,等.电机与运动控制系统[M].北京：清华大学出版社,2006．

[3] 刘竞成.交流调速系统[M].上海：上海交通大学出版杜,1991．

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[5] 吴茂,刘铁湘,等.空间矢量脉宽调制技术研究[J].现代电子技术,2006(8)．

Simulation of Electric Vehicle AC Motor Vector Ccontrol System Based on MATLAB

Huang Qiufang

(Fujian Longma Environmental Sanitation Equipment Co., Ltd, Longyan 364028, China)

An electric vehicle AC motor vector control system was described. Simulation analysis of the electric vehicle AC motor vector control system was conducted via the MATLAB. The simulation results show that the electric vehicle AC motor vector control system can improve the motor’s dynamic performance with fast response on speed torque and can aid to the development of the actual motor controller.

AC motor; vector control; MATLAB simulation.