车用永磁同步电机控制系统研究与仿真分析

则 电磁转矩 公 式可 写成 ：
＝ ｓ ｉ ｎｙ ＋ ｐ Ｌｄ —Ｌ
ｑ
） ｉ ｓ ｉ ｎ ２ ｙ （ ３ ）
电机分别搭建 出Ｍ Ｔ Ｐ Ａ控制仿真模型， 以及在 Ｍ Ｔ — Ｐ Ａ 基础上 的弱磁控制仿真模型 ， 对系统 的正确性 进行 了验 证 。
认 为 电流 ｉ 的 幅值 保 持 恒 定 ， 则 单 位 电流 电
Ｉ
（ 二 ＿ 结 束 ）
图１ 交直轴电流给定流程图
当电动机为空载时 ， 给定转速为恒定时响应 曲线如图 ４ 所示 ， 可 以看 出转速转矩 都能快速跟
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机电技术
２ ０ １ ５ 年１ ０ 月
踪给定 ， Ｍ Ｔ Ｐ Ａ 输 出的交直轴 电流参考值也体现
了此 控制 方 法 的特 点 。 当给 定 转 速恒 定 ， 而 负 载 在０ ． ３ Ｓ 时由０ Ｎ・ ｍ突 变 到 １ ０ Ｎ・ ｍ时 的响 应 曲线
永磁同步 电机弱磁控制的控制思想是源于他
励 直 流 电动 机 的调 磁 控 制 ， 而 由于 永 磁 同步 电机
将定子电流矢量 ｉ 超前于交轴 的角度定义为 超前角 。根据弱磁控制原理分析 ， 可 以通过控
制 电 流超 前 角 卢以及 电流 矢量 的 幅值 ， 来 达 到
的励磁磁动势是 由永磁体产生的， 所以无法调节 ，
的 电压 平衡 方程 为
Ｏ ）
ｅ
Ｊ （ ｉ ） ＋ （ ＋ ）
（ ９ ）
—
：
但 由于逆 变器 直 流侧 电压 达到 最大 值 后会 引起 电 流调 节 器 的饱 和 ， 因此 为 了在 高 速 运 行 时实 现 恒 功率 调速 ， 需要 对 电动机 进行 弱磁 控制 。
（ 电角速 度 ） 时， 响应 曲线 如 图 ６ 所示 ， 表 明转 速 的 突变 可 以快 速 响应 ， 且稳 定性 很好 ， 转 矩 曲线则 表 明在低 速 稳 定 后 ， 突 变 到 高速 时 ， 转矩 快 速增 加 ，
如 图５ 所示 ， 可以看出系统在负载转矩突变时 ， 可
以快 速 响应 ， 且 转 速 略有 下 降 后 又 回升 至 给 定数
根据式 （ ８ ） 可 得 到 转 矩 与 交 轴 电流 的对 应 关
１ ． ２ Ｍ Ｔ Ｐ Ａ控制 系统 结构 说 明及仿 真验 证
系， 即将转矩等分成为转矩 向量 ， 由式 （ ８ ） 得到交 轴电流 向量 ， 再根据式 （ ７ ） 得到直轴电流向量。进 而 得 到 了两个 二 维 矩 阵 ， 即直 轴 电流 分 量 和交 轴 电流分量分别与转矩分量之间的对应关系。进而 利用插值和拟合 ， 即可分别得 到交直轴 电流分量 关于转矩的一元 函数关系。流程图如图 １ 所示 。 利用 Ｍ Ａ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ编程 ， 得到采用最大转 矩电流 比控制时的电流曲线如 图２ 所示。
（ Ｌ ５ ）
；
！ ／
ｉ ｉ
将式（ ５ ） 代人 式 （ ２ ） 可得 到 ：
＼ ， ／
－
／
ｉ
ｉ ｌ ＼
一 —— 二 二 ： 二 二 一
根据式 （ ２ ） ｉ ｄ 和ｉ 关系 ， 用ｉ 表示 ｉ ｄ ：
ｆ＋ ｉ ｌ ｌ ／ ２ ＋ ４ Ｉ ／ Ｉ 一— —
图 ５ 转速 恒定 负载转矩 突变 （ 左转速 、 中转矩 、 右 电流 （ 上 、 下 ） ）
图 ６ 负载转矩恒定转速 突变 （ 左转速 、 中转矩 、 右 电流 （ 上 、 下 ） ）
２ 内置 式 永磁 同步 电机 超 前 角 弱磁 控 制
（ Ｆ Ｗ控 制 ）
车用 永 磁 同步 电机需 要 有 较 宽 的调 速 范 围 ，
磁转矩取最大值时 ｏ ｆ （ ） ， ａ ： ０， 可得到：
（ 一 ｃ ｏ ｓ ２ ｙ ＋ ｃ ｏ ｓ ０
…
１ 内置式永磁 同步 电动机 Ｍ Ｔ Ｐ Ａ控制
１ ． １ ＭＴ Ｐ Ａ控 制原理
作者简介 ： 刘亚成 （ １ ９ ９ Ｏ 一） ， 男， 硕士研究生 ， 研究方 向： 机 电耦合传动 。
电 机 控 制 系统 ， 提 出 了一 种 基 于 ＭＴ Ｐ Ａ控 制 原 理
中的转矩 电流关系 ， 利用编程实现插值拟合 ， 分别
得到交 、 直轴电流关于转矩 的函数关系， 从而实现 了最大转矩电流 比控制 。在基速 以上 ， 电机运行 于恒功率 区， 电机高速运行 时受到逆变器直流侧
电压 的限制 ， 通 常采用 弱 磁 （ Ｆ ｌ ｕ ｘ Ｗｅ ａ ｋ ｅ ｎ ｉ ｎ ｇ ， Ｆ Ｗ） 控制 方法 ， 以拓 宽 电机调 速范 围 ， 并在 提升 转 速 的
利 用 图 ３所 示 的 系 统 结 构 框 图 建 立 仿 真 模
型， 其 中转速 闭环 Ｐ Ｉ 输 出为 电磁转矩参考值 ，
由上节 得 出 的结 论 利用 电磁 转 矩得 到交 直轴 电流
参考值 ｉ ： 和ｉ ： 。再经过电流闭环得到给定交直轴
电压 ， 并通过 坐标变换 以及 空间矢量调制 （ Ｓ Ｖ Ｐ — ＷＭ） 和逆变器 等为 电机供 电。通过转速外环 和 电流内环实现Ｐ ＭＳ Ｍ的最大转矩电流比控制。
（ Ｌ ｄ — Ｌ ｑ ） ｉ （ ２ Ｃ Ｏ Ｓ ２ Ｔ 一 １ ） ＋ Ｃ Ｏ Ｓ Ｙ ＝ ０
解得 ：
第５ 期
刘亚成 等 ： 车用永磁 同步电机控 制系统研究 与仿真分析
、
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Ｃ Ｏ Ｓｙ ：
ｙ — 二 ： — — — — ＿ — — ： — — — 二 — — — ～ ４ （ Ｌ ｄ — Ｌ ｑ ） ｉ
主流。针对电动车用电机的特点 ， 以内置式永磁 同步电机 为例 ， 低速时采用最大转矩 电流 比控制策略实现大转矩高效率 ，
利用转矩方程经过插值拟合得 到转矩 和交直轴电流 函数关 系 ， 实现了 ＭＴ Ｐ Ａ控制 ； 高速时采用超前角弱磁调速 系统 ， 提高 电机在恒 功率区域 的调速 范围 。利用 Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ 搭建控制 系统仿真模 型 ， 验证 了方 案的正确性 ， 仿真结果 可以对车用 内置
２ ． １ 超 前 角弱磁 控 制原理
。
Ｊ （ ￡ ｉ ） ＋ （ ｉ ｄ ＋ ）
从 中可 以看 出当 电 动机 电压 达 到 极 限 时 ， 要 继续 增 加 转 速 可通 过 调 节 交 直轴 电流 来 实 现 ， 即 增加 直轴 去磁 电流分 量 、 减 小 交轴 电流分 量 ， 以维 持 电压平衡 并 达到 弱磁效 果 。
－
（ ６ ）
／ ／ １
＼
：
—
—
—
２ ｉ ： Ｌ Ｌ） Ｊ （
ｄ－
—
ｑ
—
（
—
—
—
＿
７ ）
将式（ ７ ） 代人式 （ １ ） 得到电磁转矩与交轴电流 分量的关系 ：
＝
； 鹫
ｌ Ｊ
寻 ｐ ｎ ｉ ｑ ｌ √ ＋ ４ （ ￡ ＋ Ｉ （ ８ ）
图２ Ｍ ＇ ｒ Ｐ Ａ电流曲线
的 电枢 电 流 经 过 Ｃ ｌ ａ ｒ ｋ — Ｐ ａ ｒ ｋ 变换后 ， 电 机 的 电 磁
最大转矩输出能力受制于逆变器 的电流额 定值 ，
因此通常采用最大转矩 电流 比（ Ｍ ａ ｘ ｉ ｍ ｕ ｍ Ｔ ｏ ｒ ｑ ｕ ｅ ｐ ｅ ｒ Ａ ｍ ｐ ｅ ｒ ｅ ， Ｍ Ｔ Ｐ Ａ ） 控制方法 ， 最大限度地提高 电机的转矩输 出能力。因此针对 内置式永磁同步
内置式永磁 同步 电机具有磁 阻转矩 ， 而且具 有更宽的恒功率范围和优 良的弱磁调速能力 。另
外， 它可 以满 足 转 矩输 出能 力 高 、 调速范围宽 、 全
最 大 转 矩 电流 比控 制 （ ＭＴ Ｐ Ａ控 制 方 式 ） ， 即
单位 电流输出最大功率。其轨迹在低转速的情况 下整体处于电流极限圆的内部 ， 利用最小的变频 器输 出电流获得最大的输 出转矩 ， 由于定子电流 较小 ， 有 效 地 降 低 了 电机 的热 损 耗 。但 是 当
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机 电技术
２ ０ １ ５ 年１ ０ 月
车用永磁 同步 电机控 制系统研究与仿真分析
刘亚成 周广明 李慎龙 唐 沛
（ １ ． 中国北方车辆研究所 ， 北京 １ ０ ０ ０ ７ ２ ； ２ ． 车辆传动重点实验室 ， 北京 １ ０ ０ ０ ７ ２ ） 摘 要： 永 磁同步 电机 以其体 积小 、 功率 密度高 、 效 率和功率 因数 高等明显优点 ， 逐渐成为 电动汽车 电机 驱动系统 的
Ｐ ＭＳ Ｍ的运 行 速度 超 过 基 速 时 ， 采 用 最 大 转 矩 电 流 比控 制 控 制 的 Ｐ ＭＳ Ｍ输 出转 矩 下 降 较 快 。 因
速运行范 围内效率最优 、 环境适应性强及可靠性 高等车用电机的需求。因此 目前许多公司设计的 新车型 中主要采用 内置式永磁 同步 电机 ， 例如 日
使系统以最大转矩加速 ， 这一点也可 以从交直轴 电流参考值的图中看出。 综上所述 ， 利 用 本 文 提 出 的方 法 搭 建 的 ＭＴ ．
Ｐ Ａ模 型 具有 相 应 速 度 快 、 鲁棒性好等特点 ， 通 过 仿 真模 型验 证 了方法 的正 确性 。
值并保持稳定 ， 而交直轴电流参 考值也符合 Ｍ Ｔ ．
本 丰 田公 司 的普 锐斯 三代 、 本 田思域 等 。 车用 内置 式 永 磁 同步 电机 通 常 采 用 矢 量 控 制－ － ～。在基 速 以下 ， 电机 运行 于恒 转矩 区 ， 电机 的
此， 最大转矩 电流比控制是一种 内置式永磁同步 电机运行于基速 以下时的最佳控制模式［ ９ １ 。对于 隐极同步电机来说 ， ｉ ＝ ０ 控制即最大转矩电流 比 控制 ， 由于其转矩方程与直轴电流无关 ， 因而最大 转矩电流 比曲线与交轴重合。 最大转矩电流 比控制原理是将永磁 同步电机