一种车用永磁同步电机实验平台研究

刘书华 张兴国

摘  要：永磁同步电机凭借其诸多的优点被很多电动汽车厂商用作汽车驱动系统的驱动电机，永磁同步电机已成为电动汽车的主要驱动电机之一。该文提出了一种车用永磁同步电机实验平台的建设思路和方法，该平台可进行电机无传感器控制和相关的控制算法及控制策略的研究。

关键词：永磁同步电机  控制算法  控制策略  实验平台

中图分类号：TM341    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）07（c）-0001-02

Abstract： Permanent magnet synchronous motor （PMSM） is used by many electric vehicle manufacturers as the driving motor of the vehicle driving system due to its many advantages. PMSM has become one of the main driving motors of electric vehicles. This paper presents an idea and method for the construction of a vehicle permanent magnet synchronous motor experimental platform， which can be used for the research of sensorless motor control， relevant control algorithms and control strategies.

Key Words： Permanent magnet synchronous motor; Control algorithm; Control strategy; The experiment platform

永磁同步电机有结构简单、体积、重量轻、功率因数和效率高、发热小、动惯量小和转矩脉动小等优点[1]，广泛应用于电动汽车驱动系统中。电机控制器是电动汽车的关键零部件，而控制算法决定了控制器的性能[2-3]。目前的車用永磁同步电机实验平台还需要进一步的完善和提高，因此，该文提出了一种永磁同步电机实验平台的设计思路和方法，可进行电机无传感器控制，相关永磁同步电机的控制算法及控制策略的研究。

该文组建的车用电机实验系统如图1所示。主要由车用电机控制软件层和车用电机硬件层组成，其中控制软件层由电机启动控制软件、电机转速控制软件和电机同步控制软件组成;控制硬件层主要由主控制电路、有线控制网络模块、电机控制器模块、电源、电机检测电路和驱动电路等模块组成。

1  电路设计

（1）驱动电路设计。

车用电机主控制系统响应速度指令信号，通过对各驱动电机反馈转矩反馈信号相加，实时求解系统的转速信号，并通过有线网络将转速信号传递给各驱动电机，从而对系统转速指令信号做出快速响应，由于需要大量的运算，又造成很大的软、硬件开销，故采用ARM芯片LPC2294作为主控芯片。这种控制结构的建立，目的是通过算法保机方式的固有特性，而不需要制造专业主轴和套电机来实现电机的同步[4]。ARM芯片通过指令信号与反馈信号计算并输出代表各个电机转速的数据，这些数据通过总线传递给电机控制器。

（2）电机控制电路设计。

电机控制器对电机转速进行控制，控制器芯片采用DSP芯片，利用永磁同步电机控制系统采集电机三相电流参数，然后分析三相电流的大小和相位关系来确定转子位置，从而实现无传感器检测转子位置，并通过电阻检测母线电压与给定转速，这些信号经过处理变为微处理器DSP能识别的信号，DSP将采集到的信息进行控制算法解算[6]。DSP具有较高的运算速度，能满足控制算法和观测器的运算，控制器接收主控制器速度信号指令，根据采集到的电机、电压信号对转子速度和速度信息进行估算，并完成与主控制器的通信，其结构图如图2所示。

2  控制率和观测器设计

分别对三相永磁同步电机VF变频调速、三相永磁同步电无感双闭环控制、三相永磁同步电有感三闭环控制、无传感器位置检测控制运行等几种永磁同步电机控制方法的基本思想和特点进行总结和分析，并根据该文硬件试验平台特点基于以上控制方法设计相关控制算法，该文采用滑模变结构控制或矢量控制算法对永磁同步电机进行转速控制，并可以在电机控制研究平台上进行实验测试。永磁同步电机控制结构图如图3所示。

（1）控制律设计。

首先根据永磁同步电机的硬件特性，建立起电机的数学模型，并通过测试的方法，测试出数学模型里的各个参数;在这里建立的电机系统的数学模型是两相静止坐标系下的数学模型。据已建立的电机数学模型，研究在无传感器下的永磁同步电机转速控制问题，在对转速和参数进行观测的基础之上[7]，参考现有的转速控制方法探索一种新的转速控制方法并分析此文的转速控制方法的控制收敛速度，以及其稳定性和鲁棒性是否满足实际应用要求。通过构建机电机闭环系统的李亚普诺夫函数，分析系统的收敛情况和收敛速度。

（2）观测器设计。

研究无传感器下的速度控制问题，提出新型观测器对电机转子位置和速度信息进行估算，以减弱系统抖振，提高系统的动态性能。电机在低速运行时，定子电阻会随温度升高而变化，而电机在高速运行时，定子电感发生变化，对电机定子电阻和电感进行在线辨识，将辨识出来的参数值进行反馈，实施修正观测器的数学模型，提高观测器估算精度[5]。

针对永磁同步电机（PMSM）实际运行时定子电阻和电感常发生随机变化的情况，提出一种可进行永磁同步电机无传感器控制的定子电阻和电感在线辩识的新型观测器[5]，为车用电机无传感器控制中参数随机变化、负载变化导致电机运行中发生震颤现象问题的解决奠定理论基础。结合控制系统仿真与车用电机实验平台启动试验与实际运行条件运行试验两种手段，对车用电机无传感器控制器进行设计，该控制器能够对电阻、电感和负载变化等因素具有鲁棒性，为车用电机控制中的无传感器控制策略的研究与控制器的设计提供科学依据。

从控制算法的快速性和稳定性两方面考虑提出了在受限情况下基于扰动观测器的永磁同步电机无传感器控制策略，并完成车用电机启动控制和转速控制等具体的控制，最终解决此文设计的车用永磁同步电机的无传感器控制问题。

3  结语

通过研究车用永磁同步电机实验平台建设，提出了构建车用永磁同步电机实验平台的设计理念，实验平台可进行电机无传感器控制，相关永磁同步电机的控制算法及控制策略的研究;经过平台实验结果分析该车用永磁电机实验平台是可行的，为车用永磁电机实验平台提供了新的思路和方法。

参考文献

[1] 胡东轩.永磁交流伺服系统多种位置检测与集成方法研究[D].浙江理工大学，2014.

[2] 许峻峰，张朝阳，冯江华.电动公交车用永磁同步电机实验研究[J].电气传动，2008，12（6）：38-40.

[3] 崔洪志，林立，王雯.车用永磁同步电机控制系统实验平台开发[J].邵阳学院学报：自然科学版，2014，11（3）：56.

[4] 蒋毅.多永磁电机传动系统的同步控制策略研究[D].浙江大学，2014.

[5] 王悍枭，刘凌，吴华伟.改进型滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制策略[J].西安交通大学学报，2016，50（6）：105-108.

[6] 李喆，李红丽，贺永利，等.基于DSP的永磁同步电机伺服系统实验平台设计[J].四川兵工学报，2015，36（3）：122-123.

[7] 马桂芳，刘生建.电动车用永磁无刷电机无位置传感器控制研究[J].湖北理工学院学报，2017（1）：38-40.