黃秋芳

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電動汽車用交流電機矢量控制系統(tǒng)MATLAB仿真分析

黃秋芳

福建龍馬環(huán)衛(wèi)裝備股份有限公司

本文介紹了一種電動汽車用交流行走電動機矢量控制系統(tǒng)，在MATLAB環(huán)境下對交流電機矢量控制系統(tǒng)進行仿真分析，仿真結(jié)果表明對交流電機使用矢量控制方法進行控制時具有動態(tài)特性好，速度、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速等特點，為實際電機控制器的研制奠定了理論基礎(chǔ)。

交流電機 矢量控制 MATLAB仿真

0 引言

電動車用交流電機是高度非線性、強電磁偶合的功率執(zhí)行元件，與直流電機相比控制要復(fù)雜得多，交流電機的控制關(guān)鍵在于解耦。矢量控制在國際上一般多稱為磁場定向控制（Field Orientation Control），即把磁場矢量的方向作為坐標軸的基準方向，電動機電流矢量的大小方向都用瞬時值來表示[1]。磁場定向控制理論從理論上解決了交流電動機轉(zhuǎn)矩的高性能控制問題，其基本思想是將交流電動機模型通過一系列的坐標變換設(shè)法模擬直流電動機轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，在磁場定向坐標上，將電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩電流分量，并使兩個分量互相垂直，彼此獨立，然后分別進行調(diào)節(jié)。這樣交流電動機的轉(zhuǎn)矩控制，從原理和特性上就與直流電動機相似了。對于交流電動機矢量控制系統(tǒng)的研究用傳統(tǒng)的解釋法分析是非常復(fù)雜的，本文采用MATLAB軟件進行仿真分析，簡化了分析過程。

1 交流電動機在兩相旋轉(zhuǎn)坐標系（M-T）上的數(shù)學模型

式（1）中的第三、第四行出現(xiàn)零元素，減少了多變量之間的偶合關(guān)系，使模型得到簡化。即軸電流為

2 交流電動機矢量控制系統(tǒng)MATLAB仿真

在MATLAB環(huán)境下根據(jù)交流電動機在坐標系下的數(shù)學模型即式（1）、式（2）和式（3），編制M文件建立交流電動機的仿真模型。同時根據(jù)如圖1的仿真框圖中各參數(shù)傳遞路線編寫各個模塊的M文件，建立一個交流電動機按轉(zhuǎn)子磁場定向控制的MATLAB仿真系統(tǒng)。整個仿真系統(tǒng)主要包括交流電動機模型模塊、電流PI調(diào)節(jié)模塊、速度PI調(diào)節(jié)模塊、Park 變換模塊、Park逆變換模塊和電流磁鏈模塊。

圖1 交流電動機按轉(zhuǎn)子磁場定向控制的MATLAB仿真系統(tǒng)框圖

在仿真過程中采用電動機的標幺值數(shù)學模型，即將電動機的狀態(tài)量電流、電壓、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，以及參數(shù)中的電阻、電感等都用相對值（PU值）來表示。將物理量的實際值除以其同單位的基值。選用電動機的標幺值數(shù)學模型可以將所有的物理量的數(shù)值都限定在[-1，1]之間，簡化仿真過程中的計算量。

仿真過程中使用的電動機的參數(shù)：三相交流電動機，額定功率4.9 kW，額定電壓27 VAC，額定頻率50 Hz，額定轉(zhuǎn)矩32 Nm，轉(zhuǎn)差率為0.03，額定轉(zhuǎn)速1455 r/m，極對數(shù)為2，定子電阻為3.801 Ω，轉(zhuǎn)子電阻為4.102 Ω，定子電感為0.166 H，轉(zhuǎn)子電感為0.172 H，互感為0.159 H。

圖2到圖4分別是交流電動機在負載不變而轉(zhuǎn)速突變時不同坐標系下的電流響應(yīng)曲線及速度和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線。仿真條件：從啟動到0.5 s內(nèi)電動機按給定轉(zhuǎn)速為582 r/m（pu值由0.4）運行，仿真時間等于0.5s時轉(zhuǎn)速從582 rpm變?yōu)?1 164 r/m（pu值由0.4變?yōu)?.8），給定轉(zhuǎn)矩為6.4 Nm（pu值0.2）。圖2表明交流電動機速度響應(yīng)特性良好，響應(yīng)時間約為150 ms。圖3表明速度突變時交流電動機轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動，150 ms后趨于平穩(wěn)。

圖2 交流電動機速度響應(yīng)曲線

圖3 交流電動機轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

圖5到圖7分別是交流電動機在速度不變而負載突變時不同坐標系下的電流響應(yīng)曲線及速度和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線。仿真條件：從啟動到0.5 s內(nèi)電動機按給定轉(zhuǎn)速為478 r/m（pu值0.33），給定轉(zhuǎn)矩為3.2 Nm（pu值為0.1）運行，仿真時間等于0.5 s時負載從3.2 Nm變?yōu)?.6 Nm（pu值由0.1變?yōu)?.3），給定速度不變。圖6表明負載突變時交流電動機轉(zhuǎn)速產(chǎn)生脈動，150 ms后趨于平穩(wěn)。

圖5 交流電動機轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

圖6 交流電動機速度響應(yīng)曲線

3 結(jié)語

本文從交流電動機矢量控制理論出發(fā)，根據(jù)矢量控制的基本方程式，給出了交流電動機矢量控制系統(tǒng)MATLAB仿真框圖。MATLAB仿真結(jié)果表明對交流電動機使用矢量控制方法進行控制時具有動態(tài)特性好，速度、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速等特點；可以滿足對電動汽車頻繁換向及頻繁啟動、制動工況下的行走電動機的控制。仿真結(jié)果為交流電動機實際控制器的設(shè)計提供了理論依據(jù)，同時，仿真過程中整定得到的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)將用于實際控制系統(tǒng)，可提高現(xiàn)場調(diào)試效率。

[1] 許大中,賀益康,等.電機控制[M].杭州：浙江大學出版社,2002．

[2] 楊耕,羅應(yīng)立,等.電機與運動控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學出版社,2006．

[3] 劉競成.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].上海：上海交通大學出版杜,1991．

[4] 趙鏡紅,張俊洪,楊濤,等.基于DSP的SVPWM的研究[J]．電機與控制學報, 2002(2)．

[5] 吳茂,劉鐵湘,等.空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2006(8)．

Simulation of Electric Vehicle AC Motor Vector Ccontrol System Based on MATLAB

Huang Qiufang

(Fujian Longma Environmental Sanitation Equipment Co., Ltd, Longyan 364028, China)

An electric vehicle AC motor vector control system was described. Simulation analysis of the electric vehicle AC motor vector control system was conducted via the MATLAB. The simulation results show that the electric vehicle AC motor vector control system can improve the motor’s dynamic performance with fast response on speed torque and can aid to the development of the actual motor controller.

AC motor; vector control; MATLAB simulation.