永磁同步電機最大轉矩電流控制研究

首先，本文根據永維能源汽車電機的特點，得出結論，永維無刷輥電機通過定向激勵控制實現最大旋轉噪聲控制。在此基礎上,建立了相同轉矩轉速多永磁同步電機驅動系統統一效率模型,根據此模型,分析了磁場定向控制(無弱磁)下同轉速多表貼式永磁同步電機(SPMSM)系統轉矩分配策略。四輪驅動輪轂電機屬于多表貼式永磁同步電機系統,通過在Matlab/Simulink中搭建四輪驅動電動汽車仿真模型分析轉矩分配方法,并且進行了實車測試。1永磁同步發電機的工作原理永磁無刷輪轂電機一般采用分數槽集中繞組,較多極對數,外轉子結構,從而實現低速大轉矩。圖1為實測的永磁無刷輪轂電機A相反電勢隨轉子位置變化的波形,其反電勢波形接近正弦波。對A相反電勢進行Fourier分析,如圖2所示,相反電勢中主要含有基波和三次諧波。只考慮基波和三次諧波,永磁無刷輪轂電機的三相反電勢解析公式為:式中:Em1、Em3分別是基波反電勢、三次諧波反電勢幅值,且Em3=0.055Em1;ω為轉子電角速度。由于永磁無刷輪轂電機定子繞組采用星形聯結,三次諧波相反電勢與正弦相電流不會產生有效的電磁轉矩,而基波相反電勢與正弦相電流產生恒定電磁轉矩,因此采用磁場定向控制將電流波形控制為正弦波,可產生恒定的電磁轉矩。永磁同步電動機由abc坐標系變換到dq坐標系且滿足功率不變約束的變換公式為考慮鐵心損耗時的d、q軸等效電路如圖3所示。定子的d、q軸電流id和iq,被分為鐵耗電流idi和iqi和轉矩電流idt和iqt。穩態情況下,電壓平衡方程可表示為:磁鏈ψd和ψq的表達式為:電磁轉矩方程式為式中:ud、uq為定子d、q軸電壓;id、iq為定子d、q軸電流,idi、iqi為定子等效的d、q軸鐵損電流,idt、iqt為定子等效的d、q軸轉矩電流;ψd為定子d軸磁鏈,包括定子d軸電流產生的磁鏈和永磁體產生的磁鏈;ψq為定子q軸磁鏈;Ld、Lq為定子繞組d、q軸電感;ω為轉子電角速度;ψf為永磁體產生的磁鏈;Ra為定子繞組相電阻;p為電機極對數;θ為轉子的位置角;Te為電機電磁轉矩。本文所用的永磁無刷輪轂電機為外轉子表貼型永磁同步電機,其中,Ld=Lq,轉矩方程可簡化為式(6)。由式(6)可得出,永磁無刷輪轂電機產生的電磁轉矩與q軸轉矩電流成正比,與d軸電流無關。在磁場定向控制時,一般控制d軸電流id=0,以實現最大轉矩電流控制。圖4是永磁同步電機的功率流圖。永磁無刷輪轂電機的輸入功率可從公式(3)、(4)和圖3等效電路推導得到:式中:Ri為電機鐵損等效電阻;等號右邊第1部分為銅耗PCu;第2部分為鐵耗PFe;第3部分為電磁功率Pe,其為機械損耗Pm、雜散損耗Ps和機械輸出功率Pout的總和,可表示為損耗的定義如下。1)銅耗。由定子繞組電阻產生的損耗,銅耗可以用電阻Ra和定子相電流的有效值Irms表示為2)鐵損。定子鐵心中由于渦流和磁滯引起的損耗。根據等效電路,鐵耗的表達式為3)機械損耗。由于摩擦和繞組損耗產生,機械損耗根據測量結果得到。4)雜散損耗。剩余的損耗,會隨著負載轉矩增加而增加,將根據測量結果得到。2穩態電壓平衡方程在多個永磁同步電機(假設為k)系統中,所有的永磁同步電機為同一型號,且按相同轉速轉矩轉動,建立多永磁同步電機驅動系統的統一等效模型,如圖5所示。等效模型中,定子電阻、鐵耗電阻、d軸電感、q軸電感變為單個電機的1/k,電流為單個電機的k倍,電壓和磁鏈參數不變。穩態情況下,電壓平衡方程可表示為:磁鏈ψd和ψq的表達式為:多電機銅耗的表達式為多電機鐵耗的表達式為多電機電磁轉矩的表達式為式中:Pin1、PCu1、PFe1、Te1分別為單個電機的輸入功率、銅耗、鐵耗和電磁轉矩。本文所用的永磁無刷輪轂電機為表貼式永磁同步電機,電磁轉矩方程可簡化為由以上分析知,此模型可準確反映相同轉速轉矩多永磁同步電機驅動系統的功率流動情況。3u3000表貼式永磁為了簡化分析,假設k個永磁同步電機中分為兩組:第1組為a個轉矩轉速相同的永磁同步電機,且每個電機電磁轉矩為Tea;第2組為b個轉矩轉速相同的永磁同步電機,且每個電機電磁轉矩為Teb。多永磁同步電機最小化損耗轉矩分配指兩組電機總的輸出轉矩滿足整個系統需求且使電氣損耗最小。忽略雜散損耗,由于電機轉速相同,機械損耗轉矩相同,因此輸出轉矩滿足系統需求可以用電磁轉矩滿足系統需求來代替,數學描述為:式中Terq為總需求電磁轉矩。表貼式永磁同步電機在磁場定向控制下,通過控制d軸電流id=0,以實現最大轉矩電流控制。在此控制方式下,根據圖5的等效電路,兩組電機的銅耗、鐵耗和總電氣損耗可表示為:式中:PCua、PFea分別為第1組電機的總銅耗和總鐵耗,PCub、PFeb分別為第2組電機的總銅耗和總鐵耗,Plossa、Plossb分別為第1組電機的總電氣損耗和第2組電機的總電氣損耗;iqta、iqtb分別為第1組電機和第2組電機單個電機的等效q軸轉矩電流。分析式(21),Terq、p、k、ψf為常數;在一定轉速下,ω為常數;Ld、Lq與電機電流有關,但在非飽和情況下電機電流對其影響較小,此處認為是常數;Ri主要與轉速和氣隙磁通有關,電機電流對其影響也很小,此處認為是常數。因此,只要求得式(22)的最小值,即可得到電氣損耗(銅耗和鐵耗)的最小值。當且僅當iqta=iqtb時,電氣損耗(銅耗和鐵耗)取得最小值?？赏频?idta=idtb,iqia=iqib,iqa=iqb。因此,對于表貼式永磁同步電機,平均分配轉矩可以獲得最高效率,可通過控制d軸和q軸電流來實現。制動回饋的分析與驅動的分析類似,同樣可以得出平均分配制動轉矩可以使制動回饋效率最優。4不同轉速時的產氣模型仿真分析四輪驅動電動汽車采用4個永磁無刷輪轂電機驅動,屬于多永磁同步電機系統。永磁無刷輪轂電機參數如表1所示。仿真和試驗中采用的四輪驅動電動汽車為低速微型電動汽車,如圖6所示。四輪驅動微型電動汽車及電池參數見表2。在Matlab/Simulink中搭建整車系統模型,以驗證四輪永磁無刷輪轂電機轉矩分配對續駛里程的影響。采用城市道路工況循環仿真來驗證不同分配策略下四輪驅動微型電動汽車的續駛里程,由于微型電動汽車的最高車速只有60km/h,因此將城市道路工況循環的車速按照60/80的比例縮小,如圖7所示。電池的工作范圍為電池荷電狀態(SOC)從0.9降到0.25。電動汽車轉矩分配分別采用三種控制策略:全時四輪驅動、分時四輪驅動和全時兩輪驅動。其中,分時四輪驅動是指根據電機效率MAP圖,如果兩輪驅動時單個電機的效率優于四輪驅動時單個電機的效率,則采用兩輪驅動;反之,則采用四輪驅動。三種控制策略仿真的續駛里程:全時四輪驅動為50.29km;分時四輪驅動為49.79km;全時兩輪驅動為47.12km?？芍?全時四輪驅動的方案優于分時四輪驅動方案,二者都優于全時兩輪驅動方案。分時四輪驅動方案只考慮了工作電機的效率MAP圖,忽略了不工作電機會輸出負轉矩的特性,不能得到最優的續駛里程。全時兩輪驅動方案沒有充分利用4個電機的優勢,特別在輸出轉矩較大的情況下,電機的銅耗將非常嚴重,導致效率最低。因此,采用永磁無刷輪轂電機的四輪驅動電動汽車,采用全時四輪驅動最節約能量。根據圖3考慮鐵耗的永磁同步電機d、q軸等效電路模型可以計算出不同轉速轉矩下的永磁無刷輪轂電機的效率MAP圖,與試驗實測的效率MAP圖對比,如圖8所示?？梢?模型計算效率基本可以準確反映永磁無刷輪轂電機的實際效率。電動汽車試驗道路坡度角為-0.07的下坡道路,通過分別采用四輪驅動和兩輪驅動在不同車速下勻速行駛,來比較兩種驅動方法需求的電池功率差別。試驗測得的四輪驅動和兩輪驅動需求的電池功率如圖9所示。由圖9得出,在各種轉速下,輸出相同的機械功率時,四輪驅動需求的功率都要小于兩輪驅動需求的功率。因此,平均分配轉矩的四輪驅動具有更高的效率,更加節能。5電動助力電機新驅動系統本文從永磁無刷輪轂電機的效率模型出發,建立了相同轉矩轉速多永磁同步電機效率模型,在此基礎上,分析了平均分配轉矩可使系統效率最優。四輪驅動輪轂電機電動汽車作為多表貼式永磁同步電機系統的一種應用,平均分配轉矩將使整車能量效率最優。最后,通過仿真和試驗驗證了四輪驅動輪轂電機電動汽車全時四輪驅動優于分時兩輪驅動和全時兩輪驅動方案。當今關于環保和能源的問題備受關注,為解決這些問題,電動汽車呈現出加速發展的趨勢。電動汽車采用電池作為唯一能源,存在續駛里程短的問題。在現有電池技術條件下,為解決電動汽車續駛里程短的問題,電動汽車需要輕量化設計以及高效的電驅動系統構型,并通過能量優化算法達到整個系統效率最優,實現最長的續駛里程。在驅動系統構型的選擇上,電動汽車可以采用單電機驅動和輪轂電機驅動等形式。相比單電機的傳統驅動方式,輪轂電機驅動可以省略包括減速器、差速器和傳動軸等在內的機械部件,大大降低了機械損耗,同時可以節省車內空間,實現微型化,減少電動汽車整備質量。四輪驅動輪轂電機電動汽車通過采用4個輪轂電機驅動,提供整車功率需求。通過采用4個輪轂電機驅動,可以實現每個輪子獨立的轉矩控制,整車控制會更加靈活。4個輪轂電機的轉矩如何分配使整車能量效率最優得到關注。文認為當轉矩需求較小時,通過只采用前面兩輪或后面兩輪驅動可使整車效率更優。文甚至提出通過采用前面兩輪驅動后面兩輪制動來達到整車能量優化。這些文獻大都基于電機MAP圖進行效率優化,認