許 力，曹青松，易 星

(江西科技學(xué)院 汽車工程學(xué)院，南昌 330098)

0 引 言

永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)由于其體積小、效率高、調(diào)速寬、轉(zhuǎn)矩大而在我國電動汽車中應(yīng)用廣泛。作為電動汽車核心技術(shù)之一的電機驅(qū)動控制系統(tǒng)在車輛行駛過程中如突遇阻力轉(zhuǎn)矩或電池電壓突降等工況時，仍需要保證電機平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。通常，電機驅(qū)動系統(tǒng)采用傳統(tǒng)電壓源逆變器，并利用空間矢量脈寬調(diào)制算法(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)進行調(diào)速控制。文獻[1]在永磁同步電機矢量模型下建立了模糊PI控制的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，削弱了電機轉(zhuǎn)矩脈動，加強了電機響應(yīng)速度與精度。文獻[2]提出根據(jù)誤差絕對值范圍不同而引入不同比例或積分環(huán)節(jié)思想，設(shè)計出改進型PI控制器，超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差和轉(zhuǎn)速追蹤響應(yīng)時間均有所降低。文獻[3]根據(jù)電機轉(zhuǎn)速不同提出速度分區(qū)調(diào)速方法，電機低速負載能力和最高運行轉(zhuǎn)速得到增強。

在傳統(tǒng)逆變器工作過程中，死區(qū)和輸出電壓的降低不可避免，影響波形質(zhì)量和寬范圍調(diào)速。浙江大學(xué)彭方正教授[4]提出Z源逆變器，允許同一橋臂的直通和輸出電壓的增益。文獻[5]分析電池電壓跌落對驅(qū)動性能的影響，采用雙向Z源逆變器拓撲升高直流母線電壓，改善動力性能。文獻[6]根據(jù)傳統(tǒng)脈寬調(diào)制策略并保證其諧波性能特征，分析Z源逆變器的連續(xù)、斷續(xù)工作模式。文獻[7]根據(jù)準Z源逆變器小信號模型，設(shè)計出直通占空比的電壓電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，并針對準Z源逆變器的特殊性，對空間矢量調(diào)制加以改進，以提高直流或交流負載的干擾性。文獻[8]根據(jù)不同車速對直流母線電壓增益與否來改善汽車動力性能，適用于寬調(diào)速運行、轉(zhuǎn)矩和功率頻繁變化場合。文獻[9]利用電感型Z源逆變器高增壓特性，調(diào)整電機輸入電壓，構(gòu)建一種抑制轉(zhuǎn)矩脈動的控制方式。

根據(jù)上述研究背景，本文設(shè)計基于雙向Z源逆變器的永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)，建立永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型，研究Z源逆變器空間矢量調(diào)制算法，確定零矢量的插入時刻，采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方式，仿真驗證電機控制效果。

1 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)方案

電動汽車永磁同步電機驅(qū)動控制系統(tǒng)方案見圖1所示，由蓄電池、雙向Z源逆變器模塊、永磁同步電機、位置與速度檢測模塊、速度與電流控制模塊、SVPWM生成模塊等組成。電機輸出的三相電流經(jīng)過坐標變換得到dq坐標系上的值。d軸電流與參考值比較后送入電流控制器。同時，通過位置與速度檢測模塊檢測出永磁同步電機轉(zhuǎn)速并與其參考值比較后，經(jīng)轉(zhuǎn)速控制器得到q軸參考電流，在與實際電流值比較后送到電流控制器。將兩個經(jīng)過比較后的值經(jīng)過Park逆變換后送入PWM生成模塊得到PWM信號來控制逆變器橋臂開關(guān)的通斷。其中，d軸電流，直通占空比和轉(zhuǎn)速為此驅(qū)動系統(tǒng)的3個控制參考值。

圖1 電機驅(qū)動用Z源逆變器控制系統(tǒng)示意圖

2 永磁同步電機數(shù)學(xué)方程及其坐標變換

根據(jù)永磁同步電機電氣關(guān)系，忽略定子渦流和磁滯等損耗，三相靜止ABC坐標系下的電壓方程為[10]

(1)

式中，ua、ub、uc分別為三相定子繞組相電壓，ia、ib、ic分別為三相定子繞組相電流，ψa、ψb、ψc分別為三相定子繞組產(chǎn)生的磁鏈，Rs為電樞電阻。

在電機驅(qū)動控制系統(tǒng)中，為了控制簡單，需將電機在ABC坐標系的方程轉(zhuǎn)換成兩相靜止αβ坐標系和兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標系的方程。ABC坐標系到αβ坐標系的Clark變換矩陣及逆矩陣為

(2)

(3)

αβ坐標系到dq坐標系的Park變換矩陣及逆矩陣為

(4)

(5)

3 Z源逆變器工作原理

Z源逆變器驅(qū)動的永磁同步電機拓撲如圖2所示，由直流電源、Z源網(wǎng)絡(luò)、三相逆變橋和永磁同步電機組成。其中，Z源網(wǎng)絡(luò)由對稱電感和電容組成，與直流電源和傳統(tǒng)三相電壓型逆變器耦合。

圖2 基于Z源逆變器的永磁同步電機系統(tǒng)

由于Z源網(wǎng)絡(luò)的存在，三相逆變橋在傳統(tǒng)6個有效矢量和2個零矢量基礎(chǔ)上多了直通零矢量，其直通態(tài)和非直通態(tài)的等效電路如圖3所示。

圖3 Z源逆變器的等效電路

直通狀態(tài)下，VC+VL=Vd,VL=VC=0.5Vd。非直通狀態(tài)下：VC+VL=V0,VL+Vi=VC。如果直通時間為T0非直通時間為T1，根據(jù)伏秒平衡原則，穩(wěn)態(tài)時電感平均電壓為0，即

(6)

(7)

(8)

4 Z源逆變器的SVPWM算法

矢量調(diào)制算法由3個步驟組成：扇區(qū)判斷，作用時間和切換點的計算。

4.1 扇區(qū)判斷

電機輸入電壓Uref所在扇區(qū)由在αβ坐標系下的兩個分量決定，如圖4所示。

圖4 空間矢量扇區(qū)

表1 扇區(qū)表

4.2 作用時間及切換點的計算

令兩個相鄰非零矢量作用時間分別為T1,T2，傳統(tǒng)零矢量作用時間為T0，直通零矢量作用時間為t0，根據(jù)圖4可知各矢量的作用時間為

(9)

式中，D為直通零矢量占空比。將直通零矢量完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)零矢量，以最大程度提升增壓比。將直通零矢量平均分為6等分，插在開關(guān)切換的時刻，且一個周期內(nèi)直通次數(shù)由3個橋臂均分，如圖5所示。上橋臂S1, S3, S5的切換時間為

(10)

下橋臂S4, S6, S2的切換時間為

(11)

圖5 插入直通矢量的PWM波形

5 系統(tǒng)仿真

5.1 系統(tǒng)仿真模型及參數(shù)

根據(jù)圖1及以上分析，采用Matlab/Simulink軟件建立PMSM矢量控制系統(tǒng)仿真模型，如圖6所示，系統(tǒng)模型由雙向Z源逆變器模塊、SVPWM模塊、坐標變換模塊、位置與速度檢測模塊和PI調(diào)節(jié)模塊組成，采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方式。在SVPWM模塊內(nèi)得到6路包含直通矢量的PWM信號，對Z源逆變器進行矢量調(diào)制。同時，對同一橋臂上下兩開關(guān)的PWM信號進行“AND”操作得到三路信號后進行“NOR”操作獲得一路信號，作為直流側(cè)反向并聯(lián)開關(guān)管的驅(qū)動信號。

其中，Z源網(wǎng)絡(luò)參數(shù)取電感L1，L2為10 μH，電容C1,C2為33 μF。永磁同步電機參數(shù)取d軸電感5.25 mH，q軸電感12 mH，定子電阻0.958 Ω。載波頻率為10 kHz，直通占空比為0.2，調(diào)制度為1。直流電源為600 V。

圖6 永磁同步電機矢量控制模型

5.2 仿真結(jié)果與分析

仿真總時間為0.3 s，在0.15s時刻突加10 Nm 的阻力轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速參考值為1000 r/min。輸出電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖7所示，阻力轉(zhuǎn)矩施加之前，電磁轉(zhuǎn)矩趨于0，阻力轉(zhuǎn)矩施加之后，在“10 Nm” 上下波動，以平衡阻力轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速波形如圖8所示，在0.05 s時，轉(zhuǎn)速達到參考值，永磁同步電機經(jīng)過外加阻力轉(zhuǎn)矩作用后，在0.02 s內(nèi)恢復(fù)到原轉(zhuǎn)速值，結(jié)果表明本調(diào)速方法達到穩(wěn)定時間短，抗外界干擾能力強。電機輸入線電壓波形如圖9所示，符合正弦分布規(guī)律，可使磁鏈趨于理想圓，并有效減少諧波的產(chǎn)生。電機輸出相電流波形如圖10所示，波形趨于正弦波，諧波含量少，并且對外界阻力轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快。圖11為蓄電池電壓陡降到300 V時的轉(zhuǎn)速波形，與圖7比較可知，兩波形相差不大，表明空間矢量調(diào)制的雙向Z源逆變器在電池電壓陡降時，可以表現(xiàn)良好的穩(wěn)定性。

圖7 電磁轉(zhuǎn)矩波形

圖8 轉(zhuǎn)速波形

圖9 電機輸入電壓波形

圖10 電機輸出相電流波形

圖11 電源電壓降為300V時的轉(zhuǎn)速波形

6 結(jié) 語

本文采用雙向Z源逆變器，通過空間矢量調(diào)制方式對電動汽車永磁同步電機進行施加外部阻力轉(zhuǎn)矩和蓄電池電壓突降兩種工況下的調(diào)速研究。提出通過改變直通占空比的大小對直流母線電壓進行升壓的控制策略。仿真結(jié)果表明此種調(diào)速方式具有良好的抗負載干擾能力和抵抗蓄電池電壓陡降時的影響，有效保證電動汽車行駛平穩(wěn)性，具有一定的工程實用價值。