第２１卷第２期 牡丹江大学学报 Ｖｏ１．２ｌ Ｎｏ．２ ２０１２年２月 Ｍｕｄａｎｊ ｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓ ｉ ｔｙ Ｆｅｂ． ２０１２ 文章编号：１００８—８７１７（２０１２）０２—０１４７—０３ 电动汽车用永磁同步电机调速系统研究 艾青陈功贵 （湖北民族学院信息工程学院，湖北恩施４４５０００） 摘要：永磁同步电动机具有高效、高功率密度以及良好的调速性能，已经成为电动汽车的首选驱 动电机。本文首先分析了永磁同步电动机矢量控制的数学模型，并在此基础上构建了双闭环控制系统的 仿真模型。对双闭环控制结构的速度环，采用复合控制算法进行了仿真分析。仿真结果表明采用复合模 糊ＰＩ控制算法可有效消除扰动带来的误差和振荡，较常规ｐＩ控制更能提高电动汽车调速系统的品质。 关键词：电动汽车；永磁同步电动机；矢量控制；复合控制 中图分类号：ＴＭ３４１ 文献标识码：Ａ 引言 在一定假设条件下：忽略漏磁通的影响，不考 由于电动汽车具有高效、节能、低噪声、零排 虑磁饱和现象，定子各相绕组完全对称，气隙分布 放等显著特点，在环保和节能方面具有不可比拟的 均匀，磁回路与转子位置无关，即各相绕组的电感 优势，已成为国内外汽车研发的热点。“ 电动汽车 与转子的位置无关，转子磁链在气隙中呈正弦分 需要经常变换运行方式，特别是在城市道路行驶状 布。得到基于转子坐标系（由轴系）的永磁同步电动 态下，这就要求电机驱动系统响应迅速、调速范围 机的动态数学模型如下。 宽，同时陛能稳定。另一个特点是对电动汽车电池 Ｌｇｉｇ ｑ 的续航能力要求较高，这就要求提高电机调速系统 ｄ＝Ｌｄｉｄ七ｖ ｆ 的效率，保证有限电能的高效利用。永磁同步电动 机（ＰＭＳＭ）具有高效、高功率密度以及良好的调 ｇ＝ ｆｇ＋ｐ 口＋ （１） 速性能，成为电动汽车的首选驱动电机。 本文在 ｕｄ＝Ｒｓｉｄ＋ｐｌ＿ｃ，ｄ一∞ ｄ 永磁同步电动机数学模型基础上，研究针对速度环 ｒｅｍ＝Ｐ ｓ ｘｉｓ 的各种控制策略对电动汽车调速系统性能指标的 影响。 公式（１）中， 为永磁体产生的磁链； ， 为转子角速度；厶为ｄ轴等效线圈的自感；厶为ｑ 一、ＰＭＳＭ调速系统 （一）ＰＭＳＭ数学模型 轴等效线圈的自感；１１，为电枢绕组电阻；Ｐ为微分 ＰＭＳＭ的控制方法与异步电动机基本相同，主 操作ｄ／ｄｔ算子；尸为电机极对数。 要有矢量控制和直接转矩控制两种。它们的共同点 （二）ＰＭＳＭ控制策略 就是力求实现转矩、励磁控制量的解耦，将强耦合 从公式（１）中可以看出，当极对数尸、磁链 的非线性模型变换成易于控制的线性模型。解耦的 ，＿，、自感厶和厶确定后，ＰＭＳＭ的电磁转矩 只 基本思想是通过坐标变换，将静止坐标系中定子电 取决于定子电流矢量 在由旋转坐标系中的两个 流空间矢量Ｚ分解为由旋转坐标系中励磁电流分 分量 和 因此，只要控制好 和‘就能很好的 量 和与之垂直的转矩电流分量‘，在调速过程中， 控制转矩 。 通过调节 和‘的大小，即可获得较好的动态性能。 当采用矢量控制中的ｋ＝Ｏ的恒转矩控制时，使 收稿日期：２０１１．１１．Ｏ９ 湖北省自科基金项目（项目编号：２０１０ＣＢＤ００９０２） 作者简介：艾青（１９７８一），男，硕士，助教，主要从事电力系统优化，分布式发电的研究工作。 陈功贵（１９６４一），男，博士，教授，主要从事新能源与电力系统的研究工作。 １４７ 定子三相电流的合成矢量位于 轴上就可以满足 要求，即电磁转矩 。 ０控制的特点是 控制方法简单，电磁转矩与定子电流的大小成正 比，定子电流无弱磁分量，不存在去磁现象。 （三）电动汽车调速系统 系统结构框图如图１所示。系统设计的关键在于模 糊控制规则对ＰＩ参数的实时自适应调节。 一 一一…一一． 一 一 ｌ…一——～ 『 Ｉ量 ～一一 ¨ ： 赫 。 本文研究的永磁同步电机控制系统采用双闭 环控制策略，电动汽车由加速踏板提供系统设定的 给定转速，通过电流内环运算输出ＰＷＭ控制信号， ＰＷＭ信号经过驱动电路驱动逆变器的导通顺序和 导通时间，从而达到控制和输出永磁同步电机转速 图１模糊ＰＩ控制系统结构图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｆｕｚｚｙ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ２．复合模糊ＰＩ控制 采用复合控制的系统结构，控制器包括模糊控 的目的。电流调节器采用ＰＩ控制算法，而速度调 节器在传统ＰＩ控制的基础上引入模糊控制，通过 复合模糊 控制来提高和改善控制系统的动态性 能和自适应能力。 二、ＰＭＳＭ控制系统 （一）常规ＰＩ控制 比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现 状，能迅速响应并产生逆向控制作用。而积分调节 器的输出则包含输入偏差的全部历史，能最终消除 稳态偏差。设计ＰＩ控制器的关键是如何选择控制 器参数，即比例参数岛、积分参数岛。常规数字式 ＰＩ控制器的表达式如公式（２）所示。式中，ｅ 为输入偏差量，廿 沩控制器输出量。 土 ， ｚ，（ ）＝七 ｅ（ｋ）＋ｋｉ Ｐ（ ） （２） 在电动汽车调速系统中，常规ＰＩ控制器比例 参数岛、积分参数岛的值设定后，不能根据负载变 化情况进行动态调整，使得常规ＰＩ控制的性能指 标不是很好。为了保证调速系统的稳态精度和抗干 扰方面获得比较满意的结果，常采用改进型的ＰＩ 控制算法来提高调速系统性能指标。 （二）改进型的ＰＩ控制 电动汽车的调速系统在运行过程中扰动较多， 而且运行模式变化较频繁，这对于依赖于较精确模 型参数的ＰＩ控制来说较难完成控制目标。而模糊 控制能很好适应复杂多变的动态过程，能较好完成 电动汽车调速系统目标。 在常规ＰＩ控制的基础上引入模糊控制的模式 一般有两种。一种是以在线调整ＰＩ参数为目的的 模糊ＰＩ控制，另一种是以改变控制器主结构的复 合模糊Ｐ１控制。 １．模糊ＰＩ控制 模糊ＰＩ控制是以模糊控制规则实时调节ＰＩ参 数的一种自适应控制算法。模糊规则根据电动汽车 各种运行状况的不同，结合专家经验的推理来自动 调整ＰＩ控制器的参数，提高调速系统的性能指标。 １４８ 制和比例积分控制两个部分。复合控制器的输出等 于两个控制环节输出量的加权和。复合控制结构的 引入，能减少零点附近的摆动，积分环节的引入则 提高了系统的精度，消除了扰动带来的误差 。 图２为基本的复合模糊ＰＩ控制系统结构图。 模糊控制环节是典型的双输入单输出系统，模糊控 制的输人为速度给定信号和反馈信号的偏差和偏 差的变化率（精确量），经过模糊化处理的信号变 为模糊量，根据模糊控制规则进行模糊推理，然后 经过模糊判决（反模糊化），得到精确控制变量。 图２复合模糊控制系统结构图 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ 三、仿真实验及结果 本文在ＭＡＴＬＡＢ环境下对一隐极式永磁同步 电动机进行 Ｏ控制，用于仿真的电机参数如下： 定子每相绕组电阻 ＝２．８；直轴电感三 ８．５ｍＨ； 交轴电感厶＝８．５ｍＨ；转子磁通ｇｔ，＝Ｏ．２ｗｂ；极对数 ４；转动惯量Ｊ＝－０．Ｏ００８ｋｇ・ｍ２；ＰＷＭ周期 强Ｏ．０００１ｓ；逆变器电压ｕ．￣＝３００Ｖ；额定转速 ｍ＝７ＯＯｒ／ｍｉｎ。 （一）常规ＰＩ控制仿真 常规ＰＩ控制系统仿真模型如图３所示。 图３常规ＰＩ控制仿真模型 Ｆｉｇ＿３ Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ 在阶跃干扰信号作用下，调节ＰＩ控制器的参 数 、ｋ，－，ＰＭＳＭ的转速响应如图４所示，从图中 可以看出转速跟踪的速度较快，时间也较短。 ｒ一—— 。一 一 ｉ图６电动汽车转速响应 。 一一…．一＿ｌ～一一 ｌｌ＿ Ｉ ～＿＿＿＿ｌ＿＿：一：＿¨＿－一：＿ Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｐｅｅｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ．种 一 一一ｒ 一一一 ’ ： 四、结语 Ⅻ ｒ 一 ～ ‘ 一一一 。 常规ＰＩ控制系统较难满足电动汽车复杂多变 唁 ｏ —面…… 一一 ～… 貉 月‘引 的动态响应要求，通过引入模糊控制能够提高调速 图４电动汽车转速响应 系统动态响应及稳态运行指标。模糊控制与ＰＩ控 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｐｅｅｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ 制的结合有两种模式，本文重点研究采用复合控制 （二）模糊ＰＩ控制仿真 结构的模糊ＰＩ控制系统。通过仿真分析，引入模 为了提高常规ＰＩ控制器性能，引入模糊控制， 糊控制后提高了电动汽车调速系统的动态性能及 考虑到电动汽车各种运行状况情况复杂，模糊控制 稳态精度，改善了调速系统的品质。较常规ＰＩ控 规则需要反复调试。本文重点以复合模糊ＰＩ控制 制系统，电动汽车的转速跟踪情况更加快速平稳可 系统作为仿真对象，分析与常规ＰＩ控制的不同。 靠。 仿真模型如图５所示。 参考文献： ［１］温旭辉．电动汽车电动机驱动技术及其发展［Ｊ］． 电气时代，２０１０，（９）：５８—６０． ［２】邴黎明．电动汽车永磁同步电动机控制策略研究 ｆＤ］．武汉：湖北工业大学，２００９． ［３］阮毅，陈伯时．电力拖动自动控制系统［Ｍ］．北京： 图５复合模糊控制系统仿真模型 机械工业出版社，２００９，（８）：１５５—１６９． Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｌｅｘ ｆｕｚｚｙ ［４１杨大柱．基于ＭＡＴＬＡＢ的电动汽车闲环调速系 ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ 在阶跃干扰信号作用下，调节复合控制输出量 统仿真［Ｊ］．现代机械，２００８，（５）：１７—１９． 加权的两个参数岛、乜，能够权衡模糊控制和常规 ［５】龙洪宇，程小华．永磁同步电动机控制策略综述 ＰＩ控制的比重，根据实际运行情况能够进行动态 ［Ｊ】．防爆电机，２０１０，（６）：１—３． 调整。ＰＭＳＭ的转速响应速度如图６所示，从图中 ［６］许伍洲．电动汽车交流调速系统控制策略研究［Ｊ］． 可看出复合控制较常规ＰＩ控制时转速响应速度更 中国汽车制造，２００６，（１２）：１０ １３． 快，转速跟踪时间更短，并且更加平稳。 ［７］张志远，万沛霖．一种用于电动车辆驱动控制的 模糊控制系统设计【Ｊ］．电机与控制学报，２００５，（５）： 蝴一——～——…～一———ｒ…——一一－＿————一一一 一 一一一一一～～…～…一一 ２０３—２０６． ∞Ｄ 一 一 …一ｒ～ 一 ［８］赵轩，马建，汪贵平等．基于模糊ＰＩ控制的纯电动 汽车驱动系统建模和仿真［Ｊ］．科技导报，２０１０，２８ （１５）：８３—８７． ０垃０ｍ ｏｏｌ ０埔 Ｏ墙 运行时目（社 （上接１ ４６页）群的结构和性质．例如极大子群的个数和极小子群的个数等等．见文献【４～５】，文献［６】中 通过计算子群的个数，得出了２ ，４ ，３ｐ 阶群由子群的个数唯一确定，本文继这一工作，得到了２ 阶 群由子群的个数唯一确定的结果． 参考文献： ［１］Ｈ．Ｋｕｒｚｗｅｉｌ，Ｂ．Ｓｔｅｌｌｍａｃｈｅｒ，Ｔｈｅ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆＦｉｎｉｔｅ Ｇｒｏｕｐｓ［Ｍ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒｖｅｒｌａｇ，２００４． ［２】徐明曜．有限群导引（上册）（第二版）［Ｍ］．北京：科学出版社，２００７． ［３］张远达．有限群构造（上、下册）Ｏｖｔ］．北京：科学出版社，１９８２． ［４］Ｙ－．ｉ中．极大子群个数小于５的有限群［Ｊ】．首都师范大学学报，２０００，（０５）：１０—１３． ［５］钟祥贵，王素珍．仅有三个非正规子群的有限群［Ｊ］．邵阳学院学报，２００７，（４）：５—６． ［６］孙晓寒．有限群子群的阶．个数对群的影响［Ｄ】．苏州大学，２００９． ［７］孙自行，崔方达．４次对称群Ｓ４的子群个数及其证明［Ｊ］．阜阳师范学院学报，２００５，２２（４）：１３—１６． ［８】沈如林．元素的阶与幂零群的刻画［Ｊ］．湖北民族学院学报，２００９，２７（３）：２９０—２９２． 【９］Ｒｕｌｉｎ Ｓｈｅｎ．Ａ ｎｏｔｅ ｏｎ ｆｉｎｉｔｅ ｇｒｏｕｐｓ ｈａｖｉｎｇ ｐｅｒｆｅｃｔ ｏｒｄｅｒ ｓｕｂｓｅｔｓ［ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｌｇｅｂｒａ，２０１０，（４）：６２９－６３７． １４９
