电动汽车永磁无刷同步电机调速方法研究*

2021-04-01刘辑

南方农机 2021年4期

刘辑

（吉安职业技术学院，江西吉安 343000）

永磁无刷同步电机是电动汽车的重要组成部分，控制永磁无刷同步电机的速度，有利于提高电动汽车驾驶的安全及舒适度[1-2]。目前，永磁无刷同步电机调速的方法多种多样，例如，朱明祥等[3]在对永磁无刷同步电机进行数学建模后，针对反电动势的影响，提出了基于模糊控制的永磁无刷同步电机的调速方法；王维强等[4]以STM32F103RBT6 芯片为核心，设计了采样电路、保护电路等组成的控制系统，以实现对永磁无刷同步电机的调速；牛慧敏等[5]分析了永磁无刷同步电机的调速原理，设计了一种双闭环控制系统，对永磁无刷同步电机进行调速。

为了实现永磁无刷同步电机的准确调速，文章分析了永磁无刷同步电机的结构，并对其进行了数学建模。在单闭环转速调节的基础上，设计了一个带内环电流调节的双闭环转速调节系统。在实验中，通过利用文章所提方法进行速度跟踪测试，验证了其有效性。

1 永磁无刷同步直流电机建模

永磁无刷同步直流电机在结构上由定子和转子等组成，其剖面图如图1 所示[6]。

图1 永磁无刷同步直流电机剖面示意图

在图1 中，A、B、C三个轴组成了三相坐标系，θ为转子从A轴转过的角度，ω为电机转速。

在永磁无刷同步直流电机三个定子电压ua、ub、uc的作用下，其电压平衡方程可用其对应的电流ia、ib、ic表示：

式中：V为微分符号d/dt；Ra、Rb、Rc为定子电阻；wa、wb、wc为定子反电动势；Ls为自感因子；M为互感因子。

当三相绕组中的第i和j（i≠j，i,j=a,b,c）相导通时，中性点的电压如下：

反电动势是一个与转子角速度wr相关的量，其可通过转子与对应坐标系的夹角来求取，以A相坐标为例，wa的计算过程如下：

式中：kw为反电动势因子；θa为转子与A坐标系的夹角。同理可求出wb、wc。

在wa、wb、wc的作用下，电机的电磁转矩模型如下：

式中：Ω为机械角速度。

在电磁转矩的作用下，可通过电机的转动惯量J来求取电机的运动方程：

式中：TL和B分别为负载转矩和电机的阻尼系数。

2 永磁无刷同步直流电机的调速

脉宽调制技术（PWM）具有易获取、开关频率高等特点，常被用于永磁无刷同步直流电机的调速。当PWM 系统的开关周期为Ts时，PWM 系统的传递函数如下：

式中：kp为系统的放大系数。

采用PWM 调速的单闭环转速调节过程如图2 所示。

从图2 可见，采用PWM 调速的单闭环转速调节过程，是一个输出转速的反馈控制过程。当电机的转速达到稳定阶段后，能够通过PI 调节器较好地控制电机的转速。但其在电机未达到稳定阶段前，会出现较大的电枢电流，易使得电机被烧毁。

图2 采用PWM 调速的单闭环转速调节过程示意图

从电机建模的过程可以发现，电机在工作时存在反电动势，这种反电动势在电机启动阶段会引起阶跃和斜坡扰动。

为了克服单闭环转速调节的弊端，同时也为了克服反电动势在电机启动阶段会引起的阶跃和斜坡扰动，文章设计了双闭环转速调节方法，如图3 所示。

图3 采用PWM 调速的双闭环转速调节过程示意图

图3 中，id_req和iq_req分别为电机d、q轴的期望电流，ud_req和uq_req分别为电机d、q轴的期望电压，id和iq分别为电机d、q轴的实际电流。从图3 可知，双闭环转速调节过程中，加入了电流调节环节，其不仅继承了单闭环转速调节的优点，而且能较好地制约电机转速，达到稳定阶段时的电枢电流。同时，采用PI 电流调节器组成了内环电流调节器，可以较好地克服反电动势在电机启动阶段会引起的阶跃和斜坡扰动。