新能源汽车技术I EMCA違权控刹名阄2018,45 (6)
黄闯，代颖，赵剑飞，王小飞
(上海大学机电工程与自动化学院，上海200072)
摘要：基于M a xw e ll 2D和S im p lo re r联合仿真平台，以1台额定功率20 k；的电动汽车牵引用永磁同步 电机为研究对象，建立考虑电机饱和问题和的电机牵引仿真模型。分析作！
<0控制与M T P A控制、高速运行！<0控制与弱磁控制的牵引特性，具对比了电机的磁链、电、转矩
脉动、驱动效率等特性。，仿真方法的性，为电动汽车牵引电机调速系统的控制仿真
考。
关键词！永磁同步电机"电动汽车"联合仿真"最大转矩电流比"弱磁
中图分类号：T M351 文献标志码！A文章编号：1673-6540(2018)06-0102-07
Field Circuit Co-simulation of Traction PMSM for Electric Vehicle*
HUANG Chuang，DAI Ying，ZHAO Jianfei，WANG Xiaofei
(S c h o o l o f M e c h a tro n ic s E n g in e e r in g a n d A u to m a tio n，S h a n g h a i U n iv e r s it y，S h a n g h a i 200072，C h in a) Abstract: Based on the M a xw e ll 2D and S im plorer co-sim u la tio n p la tfo rm，a perm anent m otor ( P M S M) fo r e le ctric veh icle tra ctio n w ith a rated power o f 20 k W was used to study the sim ula tion m odel o f the
m otor tra ctio n system w hich cou ld consider the m otor saturation problem and the lo s s，analyzing and com paring the
constant torque in te rva l i <0con trol and M T P A c o n tro l，high speed in te rv a l i <0controled and weaked the m agnetic
con trol tra ctio n cha racte ristics-spe cific com parative analysid o f the m otor f lu x，c u rre n t，torque rip p le，d rive e fficie n cy
and other characteristics. A n d the correctness o f the sim ula tion m ethod was valida ted through experim ental te s ts，and
provided reference fo r the con trol sim ula tion o f e le ctric tra ctio n m otor speed con trol system.
Key words: permanent magnet synchronous motor (PMSM)% electric vehicle; co-simulation; maximum torque per ampere (MTPA) ；weaknesses
0引言
永磁同步电机（P e rm a n e n t M a g n e t S y n c h ro n o u s M o to r，P M S M)是电动汽车牵引用电 机的 。2016 汽车驱动电机的装机量达59.5万台，P M S M机 过45 台，比达77%+1—5]。电机的饱和问题及
的，电机 建模的 ，电机控制 以为
的 ，控制 。，基于A n s y s M a x w e ll 2D和s i m p l o r e r场路联合仿真平台，电机牵引 运行
和磁路饱和 电机牵引 的外特性。以1台20 k W电动汽车牵引用P M S M为研究对象，建立电机的2D电磁场和控制系统的场 合仿真，分析控制 对电机牵引 性 现 的。仿真 为 电机的运行特性。
20 k W电动汽车牵引用P M S M的外形如图1
。
#基金项目：国家自然基金项目（51007050)；台达环境与教育基金会《电力电子科教发展计划》项目（DREG2016015)作者简介：黄闯（1992—），男，硕士研究生，研究方向为电机的驱动控制，电机的多物理场分析。
代颖（1980—），女，博士，副教授，研究方向为电机设计，电机的振动噪声，电机的多物理场分析。
赵剑飞（1977—），男，博士，研究方向为电力电子与电力传动。
邊机别名
fl 2018,45 (6)
新能源汽车技术I EMCA
图1
20 k W
电动汽车牵引用PM SM
1
PMSM 牵引系统的场路联合仿真
电机的2D 电磁场仿真模型如图2所示，场
路联合仿真的
1
上海电动汽车价格〇
2! PM SM
表
1
内置式
PMSM 参数
参数名称参数值
额定功率/kW 20极数4额定电压/V 288额定电流/ A 120额定转速/(rm in -)
3 000方
水冷
2矢量控制联合仿真模型
直接转矩控制（D ire c t T o rq u e C o n tr o l ，D T C ) 用 B a n g -b a n g 控制器分别对 和磁
行控制， 速，但逆变器开关
频率不恒定， 开关频率不够高，在一字控
制周期 选用的有效电压矢量与期望的电压矢不一
磁链和 动过大，调速范围较
小， 用矢量控制）
由运动方程可知，电机的转动惯量3阻尼 9和磁极对数^是确定的。对于负载 ，空载、加载也可以看成
是确定的，电机的转 速只与电磁 有关，而电机的控制 质对电机的速 行控制以 节， 可以控制 来控制电机转速。利用矢量控制
理论，将定子电流分解成交轴分量和直轴分量， 保持直轴分量为零， 节交轴电 对的控制，进而 速控制，即！ < 0控制。 样机负载 受电机控制器功能限制，控制
用！<0控制， 首先分析车用P M S M 用！<0控制方 电机的 -转速特性。建立样机的！<0矢控制场路联合仿真
3 。
L3 (：相
_进
斷
增益
21增益
23
模块
常值
增益
24
增益
25
常值
IGBT1
IGBT3
VD2VD3
IGBT4
1GBT5
IGBT6
VD5Park
a
IGBT6
EQUBL
SVPWM
JGAN
SM ROT1
LIMIT2
LIMIT INTG1
V M R O T 1
|GAN|
GBT1
S5
LIMTI LIMIT3 %INTG2
LIMIT
LIMIT
图3 P M S M 联合仿真模型
新能源汽车技术I EMCA
違权控刹名阄2018,45 (6)
40 N *m ，速度给定 4 000 r /m i n ;0.235 〜0.3 s 负载
给定20 Y -m ，速度给定5 200 r /m i n 。仿真波 形如图7〜图9所示。
绕组电流
3750 50 100
150 200 250 300
t/ms
图7电流波形
图8转矩波形
由图7可知，在电机加速运行 ，电的大，电机输出较大的电磁
使电机转速
快速跟踪指令转速。由 8、图9可知电机转速
从 3 600 r /m in 升到 4 000 r /m in 耗时 0.02 s ，从
4 000 r /m in 升到
5 200 rm in 耗时 0.033 s ，满足技 术指标要求；由电流和
波形可知20 k W 电机
运行在0.238〜0.268 s 时，电机 的转矩下降。
由于！ = 0控制不能弱磁，所以电机带载运行最高
转速为 5 200 r /m i n 。
样机外特性 10 ，电机负载
最 速5 200 r /m i n ，与仿真结果一致。
电动汽车牵引用P M S M 子采用永磁体内置 式结构，！ = 0控制不能利用磁阻
电磁转
20
40
60
80 100 120 140 160
"ms
图5速度波形
电动汽车牵引电机 最 速工作点是
车用电机的关键工作点之一。 样机 最
速工作点为3 600 r /m i n ，仿真该工作点的夕卜 特性（ 母线电压540 V ，0〜0.16 s 负载给定转
50 N • m ，速给定3 600 r /m in $，出的仿真波
分
4〜图6所示。
q |_______|_______|_______|_______|_______|_______|_______|_______|
0 20 40 60
80 100 120 140 160
t/ms
图
6
转
矩
波形
由图4〜图6可知电机带50 Y -
m
负载运行，
在0〜0.136 s 运行，此时对的速
为0〜3 500 r /m i n 。电机起动时电 大，在 0.144 s 电流达到稳定值， 和速度跟踪上给定值，电机达到稳定运行时电机效率为93.05%。由 于I G B T 开关
电流的突变，电流中含有少
的高频谐波分量。
为验证负载和转速突变对电机的 ，本文在0〜0.185 s 负载 给定60 N .m ，速给定3 600 r /m in % 0. 185〜0. 235 s 负载转矩给定
I | I \
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5 0 5
0 5 2
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7.s
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图14 M T P A 转矩波形
特性， 控制方式的 波形仿真 15
) 同电 下，采用M T P A 控制电机的输出 为1+5 Y m ，采用！ = 0控制电机的输 出 为123Y -m ，采用
最大 电流比控制比! = 0控制 22 Y -m ；在电机带载60 Y -m *速度3 600 r /m i n 稳定运行的 下，采用！=0控制时电机的驱动效率为90%，采用M T P A 电机 的驱动效率为93%，采用M T P A 控制电机输出转 和效率均有提高。
图15不同控制方式恒转矩区转矩比较
速度的增加，反电动势增大。
电
压达到逆变 的极限 ，若保持恒功率
运行，必须 弱磁削弱电机的负载反电动势。
4弱磁控制
电动汽车牵引用P M
S M
弱磁工作 速区
时，要保持一定的 输出能力，对电流控制环要
图12 M T P A 控制电流波形
由图12〜图14可知，采用M T P A 控制速度追
踪上给定 0.1 H 比！二0控制0• 164 S 追踪
同转速 ， 用M T P A 控制电机牵引 对 变化的 快。
仿真对比 作点采用M T P A 和! = 0控制两种控制方
电机牵引 的牵引
0 20 40
60 80 100 120
"ms
图13 M T P A 速度波形
。
控制方式不能充分发挥 构的优势，因而本文基速以下采用最大 电流比（M axim u m T o rq u e P e / A m p e r e ，M T P A )控制提高电磁转矩，基 速以上米用弱磁控制提筒负载最筒转速。
样机的试验室测试现场如图11所示。
图11电机试验现场照片
3
MTPA
用M T P A ，指定电
，可合理利用磁阻转
* 电磁 输出；指定 ，可 定子电流，减小 。
电机 最 速工作点（直流母线电压540 V ，0〜0.16 h 负载给定60 N .m ，速给定 3 600 r /m in )，M T P A 仿真波如图12〜图14 。
邊机别名阄2018,45 (6)
新能源汽车技术I EMCA
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新能源汽车技术I EMCA
違权控刹名阄2018,45 (6)
图20弱磁控制转矩波形
由图19、图20可知，采用弱磁控制直轴电流 的去磁
磁场畸变，使弱磁控制时电机的
动增大、效率。相对！ = 〇控制，电机
的 动 14%左右，驱动效率 ：了2.44%。5 200 r /m i n 弱磁控制 电流波 I
21 。
图19弱磁控制速度波形
弱磁控制三相电流波形
156 158 160
162 164 166 168
t/m s
图21
5 200 r /m i n
弱磁控制三相电流波形
5 200 r /m in ! = 0控制三相电流波形如图22
。
图17磁链波形
由图17可知，弱磁后磁通减小，在0.14 s 时 磁步稳定，电机稳态运行。样机 运行定子磁 为0.23 W b %弱磁控制稳定运行时由于直轴电流的去磁作用，定子磁 ：
减小，为0.17 W b 。
求比 ，传的矢量控制中电流P I 调节器只會g
对交直轴
的电
行控制，忽
交直轴电
的耦合作用[6]。由电压方程可知速度越高，这
种耦合 越明显，对电流和 的 也越突出。为对电
行
的控制，
用
：
的方式解耦交、直轴电流，电的解 理如
16 。
ud =u # - !i !q uq =u # ? ? !idLd
式中"*#、*# ——电流P I 调节器后的电压给
定值；
id 、！一经过3s /2r 变换得到的实际值； *"、*=——经电 和反电动势 $后
的电 考值。在经P a r k 反变 作为S V P W M 的输入信 号，最终实现交直轴电流之间的解耦，电 和输出 动 小。与！ = 0控制高速工作点给定一致，速给定 值为5 200 r /m i n ，负载 给定20 .m ，电机牵引 的磁链波形、电波形、转速波形、 波分 17〜图20 。
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