基于MATLAB/Simulink软件汽车感应电机驱动控制系统的仿真研究

张晓青

摘要：目前，传统的内燃机汽车对环境造成了严重的破坏，在此背景下，人们就要重新对今后汽车的动力问题进行全方位的研究和探讨，以此使我國交通能源战略实现转型。 以此，混合动力汽车就成为目前人们主要研究的重点内容。混合动力汽车比传统汽车多了一个电池-电机系统，本文主要的研究工作就是从电机驱动控制系统出发，通过研究并且分析此种电机性能，以此选择感应电机为研究对象，对电机驱动控制系统进行模型创建及仿真研究。

关键词：MATLAB/Simulink软件；汽车感应；电机驱动控制；仿真研究

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）15-0271-02

电机是电动汽车的关键部分，要求其具有频繁停车、启动、减速及加速功能，并且在低坡及爬坡过程中实现高转矩，在高速的时候能够实现低转矩。感应电机的结构较为简单，并且运行简单可靠，使用的寿命较长，被广泛应用到工业方面。随着我国社会经济的不断进步，现代电子技术也在的发展，在此背景下，感应电机被工业称为广泛应用的拖动电机。通过MATLAB/Simulink软件的运算处理能力较为强大，能够实现建模、仿真、分析数据及图像处理能力，Simulink是MATLAB的仿真环境，其的可视度较高、并且面向结构，所以本文就以MATLAB/Simulink软件为基础，对汽车感应电机驱动控制系统进行仿真研究。

1 混合动力汽车感应电机介绍及控制系统类型

1.1混合动力汽车感应电机

混合动力汽车比传统汽车多了一个电池-电机系统，无论混合动力汽车感应电机的机构是并联还是串联，其中最重要的部分还是电机驱动系统，电机驱动系统还是混合动力汽车的核心及系统控制的重要内容。电机系统控制的策略是否科学合理，影响着汽车自身的性能提高，目前，混合动力汽车使用的驱动电力控制策略是电动汽车领域研究中的焦点。适合动力汽车的电机主要包括交流感应电机、开关磁阻电机、多态电机及永磁电动机，本文主要研究的为感应电机。

感应电机还可以称为异步电机，其的结构较为简单，并且在运行过程中较为安全，使用的寿命较长，以此被广泛应用到工业方面。因为早期电力电子器件的发展较慢，制约了感应电机驱动的发展。目前，现代电力电子技术在不断发展，此过程中出现了大量的大功率电子器件，从而对感应电机在混合动力汽车中的发展过程中起到了促进的作用。在混合动力汽车中，驱动交流电机能量的主要来源为蓄电池，它输出的电位是主流电，驱动电机需求的则是交流电，所以就要通过电力电子器件将直流电转化为交流电。[1]

1.2 直接转矩控制

直接转矩控制为交流调速带来了全新的革命，其控制思想较为独特，并且控制原理较为简单，效果较为良好，使其成为交流调速技术中的重要策略之一。其主要优点为：其一，原理简单易懂，通过定子坐标系实现感应电子数学模型分析及控制转矩和磁链，避免不必要的解耦计算；其二，其能够直接控制转矩量，使用滞环比较器对阀值进行确定，简单来说买就是对容差的范围进行确定，那么控制效果和电动机数学模型的简化有着一定的关系；其三，直接转矩控制较为简单，在矢量控制中估算磁通使用的是转子磁链，能够减少电机参数对控制性能的影响。[2]

1.3 直接转矩控制的工作原理

直接转矩控制主要是将电磁转矩及磁通转为控制变量，不需要对矢量及磁场定向进行相互的转换，也不需要进行解耦电机数学模型，主要使用电压矢量进行分析，强调直接控制电磁转矩。点机转矩的大小和转子磁链幅度及定子磁链幅度有关，并且还和夹角有关，在磁链幅值不变、夹角在0°-90°之间变化的时候，电磁转矩也会发生变化。电压矢量影响了转矩，其主要就体现在转子磁链和定子磁链夹角控制方面，工作电压矢量能够使定子磁链运动，零电压矢量能够使定子磁链停止，以此控制磁通道的大小，从而控制转矩。感应电机直接转矩控制的原理为：对感应电机定子电压、电流及实际转速进行检测，以此得出数值，之后在感应电机数学模型中将这些数值输入进入，之后极端出磁链数值及转矩实际值，通过磁链的数值得出定子磁链幅值及当前所处区间信号，实际转速及给定转速能够通过转速控制器得出转矩给定值，其与实际转矩通过转矩控制器处理得到转矩的开关控制信号。对磁链反馈及给定的两个值通过磁链控制器进行处理，以此得出磁链开关控制信号。开关信号选择单位包括磁链开关控制信号、转矩开关控制信号及当前区间信号，通过查表的方式得出逆变器开关控制信号，之后对逆变器的电压进行控制，以此对电机驱动的运行进行控制。[3]

2 感应电机的动态数学模型

为了能够使感应电机的分析更加方便，可以在创建感应电机动态数学模型的时候将一些影响较小的参数进行忽略，以此进行假设：其一，频率及温度的变化对绕组的影响忽略不计；其二，铁心涡流及磁滞的损耗忽略不计；其三，电机定子三相绕组及转子三相绕组的结构对称，空间谐波可以忽略不计；其四，磁饱和忽略不计。那么感应电机的方程为：

电压：us=RsisΨ1s；0=Rrir-Ψ1r+jωΨr

磁链：Ψs=Lsis+Lmir；Ψr=Lmis+Lrir

为了能够使现代电机控制理论更加方便，就要创建感应电机状态空间方程。选择两相静止坐标（α，-β），加入使用基于定子电流、磁链为状态的变量，电机模型的状态方程为：

x1=Ax+Bυs；is=Cx

B=（1/σLs）J=b1I；

C=[I，0]；

I=[1 0；0 1]；

J=[0 -1；1 0]；

x=[is，Ψs]T A=[A11 A12；A21 A22]；

A11=-（Rs/σLs+（1-σ）/σTr）I；

A12=-M/σLsLr（（1/Tr）I-ωrJ）；

A21=（M/Tr）I；

A22=-（1/Tr）I+ωrJ；

Rs和Rr分别表示定子电阻及转子电阻，ωr表示电机角的速度，Ls表示定子互感，Lr表示转子自感，Lm表示互感。

漏感系数表示为：σ=1-M2/（LsLr）

转子时间常数表示为：Tr=Lr/Rr

转矩方程表示为：Te=（3/2）（Lm/Lr）Pn（Ψrαisβ-Ψrβirα）

运动方程表示为：dω/dt=（Pn/J）（Te/Tι）

3 感应电机驱动控制系统仿真模型的创建步骤

3.1感应电机模型

通过第二大部分中的公式能够对感应电机进行模型仿真，其主要是通过MATLAB/Simulink软件进行编写的。

3.2 磁链模型

直接转矩控制系统一般使用的磁链计算模型方法主要包括电流模型、磁链电压模型及高精度磁链模型，其中磁链电压模型较为简单，数学表达式为：Ψs=∫（us-isRs）dt。高速运转的时候，电压在磁链电压模型中工作；在低俗运转的时候，电机在电流模型中工作。

3.3 转矩控制器、磁链控制器及转速控制器

為了能够控制转速闭环，可以通过转速控制器进行，通过对比给定的转速和实际测量的转速，将转速的结果差输入到转速控制器中，得到转矩给定值。电机磁链及转矩滞环具有控制作用，其控制信号为ΨQ和TQ，在转矩给定值-实际转速比两者增量要小的时候，转矩就会增加，使转矩滞环控制信号为1，得出相应的电压空间矢量，使定子磁链能够向前旋转，转速就会增加。[6]

4 系统的仿真结果分析

加入仿真电机参数为：初级电感为0.8mH；初级电阻为0.087Ω；次级电阻为0.228Ω；互感为34.7mH；次级电感为0.8mH；仿真时间在0秒和1.5秒之间；状态变量初始条件为Q，开始仿真，以此得到电机转矩、定子电流仿真曲线及电机转速，详情见图1。

通过上图我们可以看出来，系统动态相应是非常快的，能够对转速及力矩稳定，并且能够进行实施跟踪，另外，定子电流q轴在过度的时候发生变化，但是d轴分量没有变化。

机器在电子使用的过程中会逐渐老化，许多的参数也会发生相应的变化，以此影响了调速的效果，电机驱动要能够对这些变化影响进行适当的应对。电机定子及转子电感和电阻对系统的转速和转矩没有过多的影响，励磁电感和转子电阻如果发生变化，那么对系统的调速功能具有一定的影响。产生这一原因主要是因为一旦转子电阻发生变化的时候，转子时间常数也会发生变化，但是因为电机速度闭环，导致转子电阻的变化对稳态进度没有影响，对速度具有一定的影响。[7]

5 结束语

基于MATLAB/Simulink软件的感应电子控制系统仿真模型能够对电机磁链进行控制，电机的转矩及转速响应较为速度，并且产生的稳态误差较少，此仿真模型正确，并且还通过仿真证明感应电机参数如果发生变化，那么调速系统也就会受到一定的影响。所以在现实应用过程中要将这些因素考虑进去。

参考文献：

[1] 张红梅. 电动汽车感应电机DTC转矩与磁链变结构控制系统研究[D]. 湖南大学， 2013.