模糊变结构电动车驱动IPM永磁
同步电动机直接转矩控制
车国霖1, 2，张云生2
(1. 昆明理工大学 机电工程学院，云南 昆明，650051；
2. 昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明，650093)
摘要：内置式永磁同步电动机适合电动汽车牵引驱动，为了满足车用驱动控制系统的动、稳态性能和鲁棒性，设计一种模糊滑模变结构直接转矩控制策略。该方法克服了传统直接转矩控制存在转矩脉动、速度超调、抗干扰能力差的不足，减弱了滑模变结构控制的颤振问题。仿真试验表明该方法具有可行性和有效性。
关键词：电动汽车驱动；内置式永磁同步电动机；直接转矩控制；模糊变结构控制
中图分类号：TP276 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)S1-0949-04
Fuzzy variable structure and direct torque controller for IPM permanent magnet synchronous motors used in
electrical vehicle
CHE Guo-lin1, 2, ZHANG Yun-sheng2
(1. Faculty of Mechanical and Electrical Engineering, Kunming University of Science and Technology,
Kunming 650051, China;
2. Faculty of Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology,
Kunming 650093, China)
Abstract: In order to meet the vehicle drive control system dynamic and steady state performance and robustness, a fuzzy sliding mode variable structure and direct torque control strategy was designed to interior permanent magnet (IPM ) synchronous motor which fits the electrical vehicle driving. This method overcomes the existence of conventional direct torque control torque ripple, speed overshoot and poor anti-disturbance ability, and weakens the serious chatting which exists in sliding mode variable structure control. The simulation results show the feasibility and effectiveness.
Key words: electrical vehicle driving; IPM permanent magnet synchronous motor; direct torque control; fuzzy variable structure control
随着新能源汽车特别是纯电动汽车的发展，汽车动力系统进入电气化变革。电动汽车的核心是电动机及其驱动系统，车用电动机及其驱动控制要求是：较宽的无级调速范围；低速转矩大，满足起动、爬坡的需求；较强的过载能力、快速的动态响应和良好的加速性能，适应电动汽车频繁起步和负载变化大的情况；调速区域具有高效率、高功率密度和高转矩密度。
目前车用电动机驱动有无刷直流电动机、异步电动机、开关磁阻电动机和永磁同步电动机等系统，其中永磁同步电动机具有高效率、高功率密度、高转矩密度、良好的转矩平稳性、体积小、惯性低、响应快等特点，在电动汽车中应用广泛。电动车驱动用永磁同步电动机以内置式(IPM)为主[1]。
直接转矩控制(DTC)是一种新型交流变频调速原理，传统DTC采用比例积分(PI)环节作为速度调节器，电动机转速会产生超调，电磁转矩和磁链脉动较大，电动机参数的变化和转速估计的偏差对系统动态性能影响较大，系统的鲁棒性差。根据电动汽车运行特点，车用驱动系统要求具有良好的动稳态性能和鲁棒性。变结构控制系统如滑模控制以其优良的控制性能和易于实现等优点，在交、直流传动系统中受到重视[2]。常规变结构控制系统输出会出现颤振现象。本文作者提出一种模糊变结构控制方案，将其引入IPM永磁同步电动机直接转矩控制，对给出的模糊变结构DTC进行仿真，克服PI调节转速超调、转矩脉动大的缺点，增强驱动系统鲁棒性和稳态特性。
1 IPM直接转矩控制
1.1 IPM永磁同步电动机数学模型
永磁同步电动机根据转子永磁体的放置方式，分为表贴式(SPM)和内置式(IPM)两种。SPM制造工艺简单，成本低，应用较广泛，但调速范围比较窄，存在力矩波动。IPM永磁同步电动机即永磁-磁阻电动机，IPM在永磁转矩的基础上叠加磁阻转矩，磁阻转矩有利于提高电动机的过载能力和功率密度，易于弱磁调速，扩大电动机恒功率运行范围，代表车用驱动电动机发展方向。
IPM电动机在d和q坐标系下的数学模型描述如 下[3]。
电压方程：
(1)
磁链方程：
(2)
电磁转矩方程：
(3)
运动方程：
(4)
其中：ud，uq，id，iq，Ld，Lq，ψd和ψq分别为d轴和q轴的定子电压、定子电流、电感、定子磁链分量；ψf为永磁体转子磁链；Ra为定子电阻；p为极对数；ω为电机转子角速度；Te和Tl分别为电磁转矩和负载转矩；J为电动机转动惯量。
1.2 IPM直接转矩控制
直接转矩控制(DTC)是继矢量控制之后的一种高性能交流电动机控制方法，它省去将交流电动机与直流电动机作等效与转化时复杂的空间坐标变换；采用定子磁链定向，实现在定子坐标系对电动机磁链、转矩直接观察、控制；检测定子电阻可以观测定子磁链，解决矢量控制性能受转子参数的影响。DTC将磁链、转矩观测值与给定值之差经滞环控制器调节获得磁链和转矩控制信号，综合定子磁链的当前位置选取合适的电压空间矢量，对电动机转矩直接控制，提高动态性能。
DTC已经在异步电动机上成功应用，近年来也逐步应用于永磁同步电动机[4]。DTC在永磁同步电动机与异步电动机应用中的差异主要表现为零电压矢量的使用。异步电动机DTC中，零电压矢量能有效控制定子磁链的运动而控制转矩实时变化，得到快速动态响应。永磁同步电动机DTC，使用零电压矢量定子磁链保持位置不变，但定子磁链与转子永磁磁场作用仍然产生转矩，不能有效减小转矩，更多使用反电压矢量减小转矩。采用反电压矢量，永磁同步电动机转矩响应快，也使得磁链、转矩变化剧烈，影响稳态性能。解决动态响应性能与稳态性能的矛盾是永磁同步电动机DTC需要解决的问题。
在IPM电磁转矩方程式(3)中，
(5)
(6)
将式(4)和(5)代入式(3)并化简，得到：
(7)
式中：ψs为定子磁链；δsf为定子磁链与转子磁链的夹角，即转矩角；电磁转矩包括定子磁场和永磁磁场作用引起的电磁转矩和d和q轴磁路不对称引起的磁阻转矩。式(7)表明若定子磁链恒定，则电磁转矩与转矩角的正弦成正比。保持定子磁链恒定，改变定子磁链旋转速度和方向可以瞬时调整转矩角，实现转矩的动态控制，是IPM直接转矩控制的基本思想。
DTC系统中逆变器有8个开关状态，得到8种电压空间矢量，其中2个零电压矢量位于空间矢量平面中心，其余6 个非零电压矢量在空间矢量平面中各个相差60°平均分布，构成6个扇形区域。
定子磁链可以表示成电压空间矢量u的积分：
(8)
式中：ψs为定子磁链；u为电压空间矢量；is为钉子电流；R为定子电阻。磁链矢量运动方向与给定电压矢量的方向一致，选择适当的电压空间矢量可以调节定子磁链的幅值、运动方向与速度，调节转矩角实现转矩直接控制。
2 模糊变结构DTC控制
变结构滑模控制器是基于相平面的控制，其基本思想是设计一预定的滑模面，然后将从任意一点出发的状态轨迹通过控制器的作用引导到设定的滑模面，同时保证系统在滑模面上的运动是渐近稳定的[5]。系统进入滑态后，对系统参数及扰动变化反映不灵敏，具有很强的鲁棒性，且存在颤振。变结构控制器产生不连续控制量引起颤振现象，将模糊控制方法与其相结合，构成模糊变结构控制系统[6]。传统IPM永磁同步电动机DTC方案，速度环使用PI调解器，本文作者在DTC基础上，用模糊变结构控制器代替DTC中的PI速度调解器，保证车用IPM驱动快速响应的同时提高稳定性，系统框图如图1所示。
图1 模糊变结构IPM永磁同步电动机DTC系统框图
Fig.1 Fuzzy variable structure IPM DTC system diagram
取控制系统的状态变量为
(9)
其中：ωr为给定的转子角转速；ω为实际的转子角速度，由速度检测装置得到。
为了使传统DTC控制无超调地达到稳态，选择一阶滑模面，令
(10)
模糊控制器的输入量是S和
。S代表相迹点和滑模面的距离；则表示相迹点趋近滑模面的速度。输出量为U。S、和U的论域取[-3，+3]，令S，和U的语言变量分别为
，
和
，其对应的模糊子集取{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}={-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}。根据S和
的物理意义，提出模糊控制规则表，模糊控制规则表中语言变量取值模糊数，也就是模糊数模型，如表1所示。对于任意一组S和，若
，
，采用矩形域上分片双一次插值方法对模糊数模型在线插值得到。该方法将xy平面某一区域分成若干矩形，选其中任一矩形域，已知矩形域四个顶点上的函数，求插值函数：
(11)
式(11)为双一次式，求解得到插值函数。否则令为
，Um为系统最大允许控制量。经最大隶属函数判决得到连续变化量U。
表1 模糊控制规则表
Table 1 Fuzzy control rules table
3 仿真研究
为了对比IPM永磁同步电动机与传统DTC和模糊变结构DTC的控制效果，采用 Matlab/Simunink 进行仿真试验。电机参数为：额定电压220 V，额定电流3 A，额定功率400 W，额定转速700 r/min，额定转矩0.64 N·m，定子每相电阻1.51 Ω，d 轴电感 0.004 8 H，q 轴电感0.009 6 H，转子永磁磁通0.107 3 Wb，极对数2，转动惯量0.244×10-3 kg·m2。系统采用图1所示的模糊变结构DTC控制方案，与速度调节器采用PI控制的一般同步电动机DTC比较。
仿真试验结果如图2所示。从图2可以看出，采用模糊变结构DTC控制的IPM永磁同步电机转速上升速率快，达到稳定值时无超调。速度环采用PI控制的DTC，IPM永磁同步电动机转速动态响应时间稍长，转速有超调。
图2 电机转速仿真结果
Fig.2 Speed of motor simulation results
4 结论
(1) 针对电动汽车驱动用电动机及其控制系统要求，对电动汽车用IPM永磁同步电动机数学模型和传统DTC控制方法进行叙述。
(2) 提出IPM永磁同步电动机直接转矩控制系统采用模糊变结构控制器代替传统的PI控制器，消除了原有DTC速度超调现象，改善稳态性能。
(3) 模糊变结构DTC克服了传统DTC转矩脉动、磁链脉动较大的缺陷，保留了传统DTC动态响应快的优点，有效地提高了车用IPM驱动系统的运行性能。模糊变结构DTC对系统参数变化、外部干扰具有较强的鲁棒性。仿真实验的研究为下一步工程应用奠定了理论基础。
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ZHANG wei-guo, YANG Xiang-zhong. Theory and application of fuzzy control [M]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University Press, 2004.
(编辑 李向群)
收稿日期：2011-04-15；修回日期：2011-06-15
基金项目：云南省自然科学基金研究项目(2009CD041)
通信作者：车国霖(1975-)，男，重庆人，博士研究生，讲师，从事运动控制、智能控制及应用研究；电话：13033376426; E-mail: che_guolin@163.com
