电动车用永磁同步电机驱动系统

来源:杭州易泰达科技 作者:钟德刚
前言
在2014年10月22-25日《第十七届国际电机与系统会议》上,我们展示了一套电动车用永磁同步电机驱动系统,这套系统是由一台额定功率为1.8kw、额定转速为2850RPM的内嵌式永磁同步电机驱动,控制系统是一套基于STM32平台搭建的采用最大转矩电流比以及弱磁控制的解决方案,采用外速度环、内电流环,两环矢量控制算法。核心控制算法软件架构如图1所示,当电机转速低于700r/min 采用虚线表示的霍尔传感模式获取转子角度与速度信息,当电机转速高于 700r/min 时切换无位置传感器模式。
图 1 核心控制算法软件架构
本方案为正弦波的永磁同步电机控制方案,图2所示为电机运行在2500RPM、5N.m 时电流波形,电流波形正弦性好,谐波少,噪声小。
图 2 电机运行在 2500RPM、5N.m 时 C相实际电流波形
1、电机控制方式
这次展会使用的是一台内埋式永磁同步电机,其特点是转子磁路具有不对称性,从而可以产生磁阻转矩,利用这个特点可以调高电机的过载能力和功率密度。
此控制系统同时使用最大转矩电流比策略和恒功率弱磁算法。在额定转速之
内采用最大转矩电流比(MTPA)矢量控制算法,采用该策略可以充分利用磁阻转矩,从而提高电机的转矩输出能力和系统效率。在实际应用中,有时需要扩展电机的转速,所以在额定转速之上采用恒功率弱磁控制算法,使得在电机超过最大恒功率运行速度时,能够继续提高电机的转速,也就是提高电机的最大运行速度。
2、电机传感器类型
无论是在最大转矩电流比策略中还是在弱磁控制中都需要得到准确的电机位置和速度信息,本控制方案中采用了无位置传感器控制算法,使得系统稳定、可靠、精准。相比于霍尔位置传感器方案,其结果更为准确、控制器效率更高;而较于编码器方案,其具有低成本的优势。无位置传感器控制方法基于对检测到的反电动势进行积分,但在零速或低速段会因反电动势太小,难于检测。所以我们的解决方案是在电机低转速下采用霍尔(hall)传感器提供电机位置与速度信号,在中高速段切换到无位置传感器模式,提高了电机在高转速下的运行平稳性,以及系统可靠性。
3、电机运行模式
一般电机根据不同实际需要有两种运行模式:转矩模式和速度模式。在实际电动车使用过程中,除定速巡航模式之外,一般采用转矩模式,即转把提供给电机所需要输出的转矩大小,输出转矩的大小与电机的转速没有直接的关系,还取决于负载的大小。为了展示的效果,这套控制系统我们选用了更为直观的速度控制模式,即转把直接提供给电机所需要输出的转速大小,电机将自动根据外加负载的大小调整电机输出转矩的大小,以维持给定转速。由于现场展示条件所限,无法实现实际使用的负载,所以通过刹车系统模拟出变负载情况。经过我们在测控台上实际测量,可以实现电机最高转速达到 4300r/min,输出转矩 10N.m,峰值功率 4KW。
4、电机调速运行结果
图 3 所示为电机调速运行转速与转矩曲线。图 4 所示为电机调速运行效
率曲线。从运行结果看,本驱动系统在2100~4300RPM 系统效率均在 80% 以上,在此区间运行可获得较长的续航里程。
图 3 调速运行曲线
图 4 调速运行下系统效率

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