第３５卷第３期 ２０１３年９月 南昌大学学报（工科版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎａｎｃｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ） Ｖｏ１．３５ Ｎｏ．３ Ｓｅｐｔ．２０１３ 文章编号：１００６—０４５６（２０１３）０３—０３０３—０４ 一种应用于电动汽车的异步电动机矢量控制方法 聂晓华，肖倩华，刘建国，张晓倩 （南昌大学信息工程学院，江西南昌３３００３１） 摘要：以电动汽车异步电动机矢量控制为研究背景，构建了磁链开环而转速和电流闭环的电动汽车异步电动 机矢量控制Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型，对各主要仿真模块方法进行了分析，结合电动汽车控制要求给出了控制策 略和仿真参数，模拟电动汽车几种典型运行方式进行了仿真，仿真结果表明所构建的控制系统实现了对给定速度 的良好跟踪，并能方便进行调速。 关键词：电动汽车；异步电动机；矢量控制 中图分类号：ＴＭ８５ 文献标志码：Ａ Ａ Ｋｉｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ Ａｓｙｎｃｈｒ０ｎ０ｕｓ Ｍｏｔｏｒ Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ ＮＩＥ Ｘｉａｏ—ｈｕａ，ＸＩＡＯ Ｑｉａｎ—ｈｕａ，ＬＩＵ Ｊｉａｎ－ｇｕｏ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｑｉａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｃｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００３ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ．Ｔｈｅ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｕｘ ｒｉｎｇ ｏｐｅｎｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗａｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｇｉｖｅｎ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｓｅｖｅｒａｌ ｔｙｐｉｃａｌ ｍｏｄｅ ｏｆ ａｎａｌｏｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｒｕｎｎｉｎｇ ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｕｌｄ ａｃｈｉｅｖｅ ｇｏｏｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｇｉｖｅｎ ｓｐｅｅｄ，ａｎｄ ｃｏｕｌｄ ｆａｃｉｌｉｔａｔｅ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ；ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ 在环境问题日益突出，资源短缺的大背景下，电 动汽车成为推动传统汽车产业的战略转型的一个大 补偿减小了永磁无刷轮毂电机的转矩脉动并且降低 了驾驶室噪声；文献［６］通过Ｓａｂｅｒ建立系统各部件 的动态模型构造纯电动汽车驱动系统模型；文献 ［７］针对混合动力客车，研制了一套基于 ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５型ＤＳＰ的ＰＭＳＭ矢量控制系统；文 献［８］在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件环境下对电动汽车 用异步电机进行了电流和转速闭环矢量控制仿真， 着重分析了消除代数环的几种实用方法；文献［９］ 提出了一种磁链开环而转速和电流闭环的异步电动 方向。随着电力电子技术不断进步和现代控制技术 的发展，交流电机驱动优点日渐突出，比如体积小， 功率大、效率高、结构简单、易于维护等突出优点，已 经被广泛应用在电动车矢量控制驱动系统中¨＿２ｊ。 文献［３］提出了电动汽车交流控制系统的设计 方案，结合矢量控制策略，对系统的软件模块进行了 设计；文献［４］介绍了一种采用空间矢量ＰＷＭ实现 的电动汽车感应电机的矢量控制方法，并给出了基 于ＴＭｓ３２０ＬＦ２４０７ＤｓＰ的全数字化实现；文献［５］为 了进一步减小电机的转矩脉动，分析了基于空间电 机矢量控制变频调速系统仿真模型。 本文根据电动汽车用异步电机的控制要求，在 文献［９］模型的基础上提出了一种磁链开环而转速 和电流闭环的电动汽车异步电动机矢量控制方法， 压矢量的死区效应产生的电流谐波，通过增加死区 收稿日期：２０１３—０８—０３ 基金项目：江西省科技支撑计划项目（２０１２３ＢＢＥ５００７７） 作者简介：聂晓华（１９６９一），男，副教授，博士。 引文格式：聂晓华，肖倩华，刘建国，等．一种应用于电动汽车的异步电动机矢量控制方法［Ｊ］．南昌大学学报：工科版， ２０１３，３５（３）：３０３—３０６． 南昌大学学报（工科版） ２０１３正 并进行了仿真模型和参数调整，仿真结果验证了所 建立模型的正确性，为电动汽车用异步电机的建模 和仿真提供了一种实用的分析方法。 所以 ＝ ， ＝０，写成电流表达式为： 肥 ＝ ２＝Ｌ ｌ＋ 挖：Ｌ ｉｎ＋Ｌ，ｉ ＝０ （２） １异步电动机在ｄ—ｑ同步旋转坐标 系的数学模型 异步电动机定子三相绕组和转子三相绕组经 过３／２变换可以变换成等效的静止坐标系上的二相 绕组。再采用 、 坐标系一转子总磁链 矢量的 方向为 轴，逆时针转９Ｏ。与 垂直的方向为 轴 。 异步电动机在二相同步旋转坐标系上按转子磁 场定向时的电磁转矩为： Ｌ￣， ｒｎ ．＝ｍｐ － ｎ＋ ２ （３） 式中： 为电机的极对数。 完成坐标变换后，异步电动机的模型得到了简 化。按照坐标变换前后的旋转磁场完全等效原则，那 么，当静止三相坐标系中通人三相对称的电流时，同 步旋转坐标系中只需通人直流励磁量，这便十分接 近直流电机的工作特性。 基于同步旋转坐标系，按转子磁链定向矢量控 则异步电动机数学模型中多变量之间部分得到 解耦，此时的电压方程为： ｒＵＭ１］ｒＲＩ＋ ｓｐ—ｗｌＬｓ Ｌｍｐ —ＷｌＬｍ］ｒ Ｍ１］ ｌ ｕｎ Ｉ—ｌ ｎ｝１Ｌ Ｒ１＋Ｌｓｐ ｎＩ１￡ｍ Ｌｍｐ ｌ ｌｎ Ｉ ｌⅡＬ Ｊ ｌ Ｉ Ｌ Ｌｍｐ ２制，就可以仿照对直流电机的控制来控制异步电动 ￡ ０ Ｒｅ＋Ｌｒｐ ０ Ｉ １ｍ ｌ ｏ ２ ， Ｒ２ ｊ Ｌ ｎ Ｊ （１） 机，从而获得高效率的调速性能。 ２ 基于矢量控制的电动汽车仿真 模型 Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真工具为电力电子、电动 机、发电、输变电等系统计算提供了强有力的解决方 式中：Ｒ。、Ｒ 分别为定子绕组和转子绕组的电阻；Ｌ 为二相坐标系中同轴等效定子与转子绕组间的互 感； 为二相坐标系中等效二相定子绕组的自感； 为二相坐标系中等效二相转子绕组的自感；Ｐ为微 法 ］。基于矢量控制的电动汽车仿真模型，如图１所 示。 分算子； 为同步角速度；ｏＪ：为转差角频率。 由于 轴与矢量 重合， 轴与矢量 ：垂直， 图１ 基于矢量控制的电动汽车仿真模型 Ｆｉｇ．１ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ 图１中主电路由ＩＧＢＴ逆变电源、异步电动机、 测量装置等部分组成。系统中建模所需的电机参数 如下：定子电阻Ｒ。＝０．４５ Ｑ、漏感Ｌ。。：１．５ ｍＨ；转 子电阻Ｒ，：０．７２３ Ｑ、漏感 １，＝２ ｍＨ；互感 ＝ 第３期 聂晓华，等：一种应用于电动汽车的异步电动机矢量控制方法 ６７．９ ｍＨ；转动惯量Ｊ＝２ ｋｇ・ｍ ；极对数Ｐ＝２。 给定环节和矢量控制环节是异步电动机矢量控 制的变频调速系统的控制电路的主要部分，矢量控 方法是采用“电流模型法”，即在 — 旋转坐标系 下，根据定子电流励磁分量给定值 、转矩分量给 定值 以及由转子位置检测器得到的Ａ角（定子静 制环节仿真模型，如图２所示。 ０ ｍ 图２ 矢量控制环节仿真模型 Ｆｉｇ．２ Ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｉｎｋ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ２．１ 定子电流控制 在该系统中，磁链给定 为固定值，经 “ （ ）计算电路”得到定子电流励磁分量给定值 （ 。），定子电流转矩分量给定值 （ ）来自转 速调节器和“ （ ）计算电路”的输出，有了 （ 。）和 （ ）后，经“同步旋转ｄ—ｑ（Ｍ— ）坐 标系”到“静止ａ—ｂ—Ｃ坐标系”的坐标变换（ＶＤ加 ２／３），得到物理上存在的定子三相电流的给定值， 供给交一交变频器及异步电动机，为了使定子三相 电流的实际值等于给定值，系统中设置了以ＡＣＲ为 核心的电流控制系统，该电流控制系统的反馈输入 采用与直流调速系统中相同的交流电流检测方法获 得定子三相电流实际值，经３ｓ／２ｓ（静止三相坐标系 到静止二相坐标系）和ＺＳ／２Ｒ（静止二相坐标系到 旋转二相坐标系）变换环节输出，作为直流电流调 节系统的反馈信号ｉＭｌ、ｉｎ。以直流电流调节器为核 心构成定子电流控制系统。 ２．２ 定子电压给定ｌｆ 、 矗计算 系统中定子电压给定 、Ｍ 计算模块具有标 量解耦功能，在其作用下，感应异步电动机获得了解 耦，能够充分发挥矢量控制的优越性。 ２．３ 磁链位置角０（Ｊ ）计算 Ｊ ｄ—ｇ（ — ）一ａ—ｂ—ｃ的坐标变换所需要的 “磁链位置角０（Ｊ ）”是基于“电流模型”通过“转 Ｊ 子磁通观测器”得到。具体获取转子链位置角 的 止Ｏｔ轴和同步旋转ｄ轴间的夹角），计算出转子ｄ轴 和 轴间的夹角 角，进一步计算出 轴和 轴之 间期望的磁链位置角 ，用 代替 进行坐标变 换。 ２．４ 电流模型的有关表达式 转子磁链模型期望值 ， Ｌ—Ｍ （４） 转差角频率期望值 ，． △∞ ＝ （５） １ ｒｌｆ， 负载角的期望值 ＝÷△ （６） 磁链位置角的期望值 ＝ ＋Ａ （７） ２．５ 速度闭环控制系统 感应异步电动机矢量控制系统重点控制的变量 就是电动机的速度，在高性能调速系统中速度控制 均采用闭环控制。速度给定环节一般是一个带有正 负限幅的恒值给定环节；速度调节器是比例一积分 调节器，输入是速度给定ｎ （ｔｏｒ ）和速度实际值 ｎ（∞ ）的偏差，输出为定子电流转矩分量给定 。 ３仿真结果 仿真选择的算法为ｏｄｅ４５，仿真Ｓｔａｒｔ ｔｉｍｅ设为 ０，Ｓｔｏｐ ｔｉｍｅ设为２．５。 分别模拟电动汽车３种控制情况方式进行仿 真：１）初始给定转速１ ８００ ｒ／ｍｉｎ时，空载时的仿真 波形如图３所示；２）初始给定转速１ ８００ ｒ／ｍｉｎ，２．０ Ｓ后给定转速２ ４００ ｒ／ｍｉｎ时空载仿真波形如图４所 示；３）初始给定转速１ ８００ ｒ／ｍｉｎ，初始系统给定转 矩１０ Ｎ－ｍ，２．０ Ｓ后给定转矩９０ Ｎ・ｍ的仿真波形 如图５所示。 仿真波形图中所示波形从上至下分别为逆变电 源Ａ、Ｂ ２相的线电压（Ｖａｂ，Ｖ）；异步电动机矢量控 制变频调速系统ＡＢＣ三相的电流（Ｉａｂｃ，Ａ）；实际转 子转速（Ｒｏｔｏｒ ｔｏｒｑｕｅ，ｗｍ）和转矩（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｏｒｑｕｅ，Ｎ・Ｍ）。 从图３～图５仿真结果可以看出：系统的实际 速度实现了对给定速度的良好跟踪和调速。 ・３０６・ 南昌大学学报（工科版） ２０１３正 目 ………～一一……一 黼 掷 一…—～～…～…一…………一 ；醇 “ ：一… ……～ … …～ … ～ 图３给定转速１ ８００ ｒ／ｍｉｎ空载时仿真波形 Ｆｉｇ．３ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ａｔ ｎｏ ｌｏａｄ ｆｏｒ ａ ｇｉｖｅｎ ｓｐｅｅｄ １ ８ＯＯ ｒ／ｍｉｎ ■■■■■－ 圈４给定转速１ ８００ ｒ／ｍｉｎ时，２．０ Ｓ后给定转速 ２ ４００ ｒ／ｍｉｎ空载时仿真波形 Ｆｉｇ．４ Ｇｉｖｅｎ ｓｐｅｅｄ １ ８００ ｒ／ｍｉｎ，２ ｓｅｃｏｎｄｓ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｉｇｖｅｎ ｓｐｅｅｄ ２ ４００ ｒ／ｍｉｎ ｎｏ－ｌｏａｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｖｅｆｏｒｍ ４ 结论 本文结合异步电动机在ｄ—ｑ同步旋转坐标系 的数学模型，构建了磁链开环而转速和电流闭环的 电动汽车异步电动机矢量控制仿真模型。对主要仿 真模块：１）定子电流控制；２）定子电压计算；３）磁链 位置角计算；４）电流模型有关表达式；５）速度闭环 控制系统等进行了分析。 分别模拟电动汽车３种典型控制方式：１）初始 给定转速１ ８００ ｒ／ｍｉｎ空载方式；２）初始给定转速 １ ８００ ｒ／ｍｉｎ，２．０ Ｓ后给定转速２ ４００ ｒ／ｍｉｎ方式； ３）初始给定转速１ ８００ ｒ／ｍｉｎ，初始系统给定转矩１０ ： 一／一～～…～…～ ¨一一 … 一一 … 一 …～一…… 图５给定转速１ ８００ ｒ／ｍｉｎ时。系统初始转矩１０ Ｎ・ｍ， ２．０ Ｓ后给定转矩９０ Ｎ・ｍ时仿真波形 Ｆｉｇ．５ Ｇｉｖｅｎ ｓｐｅｅｄ １ ８００ ｒ／ｍｉｎ。ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｔｏｒｑｕｅ １０ Ｎ・ｍ。２ ｓｅｃｏｎｄｓ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｉｇｖｅｎ ｔｏｒｑｕｅ ９０ Ｎ・ｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｖｅｆｏｒｍ Ｎ・Ｉｌｌ，２．０ Ｓ后给定转矩９０ Ｎ・ｍ方式进行了仿真。 仿真结果表明，本文建立的仿真模型取得了理想效 果。 参考文献： ［１］魏祥林，周启华，宁俊保．异步电机矢量控制变频调速 系统的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真研究［Ｊ］．电气自动化，２０１１，３３ （５）：４８—５１． ［２］王丹，续丹，曹秉刚．电动汽车关键技术发展综述［Ｊ］． 中国工程科学，２０１３，１５（１）：６８—７２． ［３］谭延良，胡燕娇，盛碧云，等．纯电动汽车交流感应电 机控制系统设计［Ｊ］．电气传动，２０１２，４２（４）：７—９． ［４］ 王庆利，鞠大亮．电动汽车中感应电机的数字控制系 统［Ｊ］．电气传动，２００５，３５（１）：１３—１５． ［５］ 卢东斌，欧阳明高，谷靖，等．电动汽车永磁无刷轮毂 电机磁场定向控制［Ｊ］．电机与控制学报，２０１２，１６ （１１）：１６—８３． ［６］ 刘平，刘和平，郭军．纯电动汽车异步电动机驱动系统 的Ｓａｂｅｒ建模与仿真［Ｊ］．微特电机，２０１１（３）：６９—７２． ［７］杜远远，许春雨．并联式混合动力客车用永磁同步电 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