基于MATLAB 的电动汽车永磁同步电机特性仿真＊

魏东坡，张坤，赵宏霞，尹文荣，魏代礼

（山东华宇工学院 汽车工程学院，山东 德州 253034）

引言

电机是电动汽车的主要动力源，永磁同步电机具有结构简单、功率因数高、噪声小、免维护、可靠性高等诸多优点，并且由于我国在稀土永磁材料方面的丰富资源，永磁同步电机在电动汽车领域得到了广泛的应用[1]。在目前电动汽车行业快速发展，市场保有量迅速扩大的情况下，电动汽车的可靠性提升成为重要的研究方向，而传动系统的可靠性也逐渐成为制约电动汽车整车寿命的重要因素。为了提高传动系统可靠性，从而延长整车寿命，在电动汽车传动系统的设计过程中，需要获取准确的电机输出参数。本文利用MATLAB/ Simulink 对应用于电动汽车驱动的某型号永磁同步电机的输出特性进行了仿真，得到的参数可以为电动汽车传动系统的设计提供理论依据[2]。根据电动汽车使用过程中的工况特征，在MATLAB/Simulink 环境下分别对电机的机械特性、启动特性、调速特性和制动特性进行仿真，本课题仿真研究的永磁同步电机的主要参数如表1 所示。

表1 永磁同步电机参数

1 永磁同步电机机械特性仿真

该永磁同步电机的仿真模型如图1 所示，在该模型中，有输入模块Sinks 模块、数学模块Math Operations 模块、输入源模块Sources 模块、以及最后的输出模块Scope 模块，另外还有与电机相关的模块[3]，由以上模块排列组合并经过系统关联，得到了该永磁同步电机机械特性的模型图。

模型中各元件参数设置如下。

永磁同步电机功率设置为30kw，频率设置为50Hz，且在建模时的采样时间设置为常数，设为-1。

对于坐标轴的设置区域，坐标系中x 轴的最小值设置为0，最大值设置为10000，y 轴的最小值也设置为0，最大值设置为800。

图1 永磁同步电机机械特性仿真模型

图2 永磁同步电机机械特性仿真结果

由图2 可知永磁同步电机的机械特性仿真曲线的总体趋势是随着电压的变化而变化的，当电压较大时，机械特性曲线变化的趋势会加剧。

2 永磁同步电机启动特性仿真

永磁同步电机在起动过程中对电机的启动有一定的要求，首先要求启动的时间尽可能短，只有在很短的时间内启动电机，才不会导致电机因启动时间过长而受损，从而使得电机能达到正常运行；另一方面，启动时的转矩要足够大，即启动时的转矩要明显大于负载转矩，从而保证启动过程能够平稳运行[4]。此外，启动过程中在满足启动转矩的前提下还要求启动电流要足够小，以免使得启动电路中的电流过大而导致整个电路出现故障，进而导致电气设备不能正常运行，因此我们在启动电机时要在保证转矩足够大的前提下要尽量减小启动电流，即在选择永磁同步电机启动方法时要根据机械负载对转矩的要求等实际情况[5]，本次仿真以异步自启动方式为例。图3 为永磁同步电机异步自启动的MATLAB 仿真模型，各模块的参数设置如下。

图3 永磁同步电机异步自启动仿真模型

三相电压电流测量模块的电压测量模式选择相对地电压测量，在三相正弦交流电源模块模块中振幅设置为100，相位设置为0，频率设置为50Hz。

如图4 是对永磁同步电机异步自启动的仿真结果，由图可知，永磁同步电机异步自启动时，起动过程时间较短，在0.2 秒左右就已结束。在此过程中转子的转速随着时间的推移在不断上升，直到达到同步转速1600 左右，且转子转速在上升的同时出现了一系列的震荡现象，这个过程是受到了磁脉冲的原因。电机起动后电流降至正常工作电流。电机异步启动过程中的电流最大为140A 左右，这与实际情况也相吻合。

图4 永磁同步电机异步自启动的仿真波形

电机最大起动转矩为250N.m，有较大的启动能力但转矩在起动过程的很短时间内迅速减小，而这是不利于电机的启动，且由于负载转矩很小，电机在完全启动后转矩接近于0。

3 永磁同步电机调速特性仿真

一般电机的的调速方法有两类：即变频调速和变极调速，又由于永磁同步电机的极数相对固定，不容易改变，故只能采用变频调速，而变频调速又包括他控变频和自控变频两大类。自控变频调速改变了以往变频调速精度不高的劣势，它是目前永磁同步电机变频调速的主要方式，通过自控变频调速能够大大的提高供电效率，并能减小功耗的损失。如图5所示为自控变频调速仿真的模型图，其电机的参数设置如下。

开始时的参数时长设置为0.4 秒，频率为60Hz。当没有负载时，定子电流、转子电流以及转矩最终都趋于零，转速最终稳定在1800r/min，同时在0.4 秒左右时，电机转速达到标准。当改变电源频率，即降至50Hz 时，电源电压也要相应的降低，于是得到如图6 所示的仿真结果，由图6 可以看出，当电源频率为 50Hz 时，最终的转速大约稳定在1500r/min，稳定时间也由原来的0.4 秒变为0.35 秒左右，意味着反应时间更快了。

图5 永磁同步电机自控变频调速仿真波形

图6 自控变频调速仿真结果

4 永磁同步电机制动特性仿真

所谓能耗制动是指当永磁同步电机由交流电突然改为直流电，此时由于直流电的磁场不再随时间变化，是一个恒定的磁通，而电动机的转子会由于惯性继续转动，此时转子绕组会切割磁通，从而产生电磁转矩，这个电磁转矩便会阻止转子启动，起到了制动作用。因为其制动过程涉及交流电与直流电的变化，故制动模型也会有相应的变化，因此整个仿真过程是变化的。首先构造电流变化前的稳态模型，如图7所示。然后再构造制动后的仿真模型，如图8 所示，该模型就是断开交流电后通入直流电的模型。

图7 永磁同步电机能耗制动前仿真模型

如图9 所示，a 图为制动前的仿真模型，该仿真曲线表明制动前的电机转速和电机正常运行时的转速并无差别，在 制动前的一瞬间，转速由于惯性还是会保持原来的速度。b图表明电机在制动后，刚开始电机转速不稳定，会有一定的振荡现象，后来经过转矩的作用，转速逐渐趋于稳定。

图8 永磁同步电机能耗制动后仿真模型

图9 永磁同步电机能耗制动仿真结果

5 结论

本文利用MATLAB 软件实现了对永磁同步电机特性的建模与仿真，通过对这些仿真结果的分析，再结合零部件的制造精度和误差，并对仿真曲线瞬态值进行修正，从而能够为电动汽车传动系统的设计提供计算参数，同时也是电动机动力输出连接部位可靠性优化的关键因素。