基于凸極效應的混合動力車用IPMSM無傳感器控制的設計

柏躍程　王政

【摘 要】本文提出了一個集中繞組式IPMSM的設計。該設計基于凸極特性的無傳感器控制，采用高頻信號注入法。充分考慮到交叉耦合磁飽和和空間諧波，利用有限元理論檢測無傳感器驅動的可行域?？煽啃酝ㄟ^使用兩個原型來予以驗證。然后，驗證IPM電機結構對可行域的影響。最后，建立設計指導以獲得合適的電機結構。所提出的設計的有效性通過基于MATLAB/SIMULINK 的動態仿真器進行驗證。

【關鍵詞】混合動力車用電機；有限元；MATLAB仿真；無傳感器安全運行范圍

Design of Saliency-Based Sensorless Drive IPM Motors for Hybrid Electric Vehicles

BAI Yue-cheng WANG Zheng

（School of Electrical and Information Engineering of Anhui University of Science and Technology， Huainan Anhui 232001， China）

【Abstract】This paper presents the design of concentrated winding IPMSM under the saliency-based sensorless drive using a high-frequency signal injection. The finite element （FE） analysis is used to examine the feasible region of the sensorless drive. The reliability of the feasible region is verified by experiment using two prototypes. Then， the influence of the IPM motor geometry on the feasible region is examined. Consequently， the design guideline is established to obtain a suitable motor geometry which can maximize the torque capability and stability of the sensorless drive.

【Key words】HEV motor； The finite element （FE） analysis； MATLAB simulation； SSOR

0 引言

混合動力汽車中大多應用內嵌式永磁同步電機（IPMSM）作為重要的牽引電機，這是由于它的優越的功率密度和高效率。在IPMSM的轉矩控制中少不了位置傳感器的影子。IPMSM的多種無傳感器驅動的原理已經被開發出來。常用的電機驅動位置估計算法有兩種。一是在中高速應用的反電動勢估計算法，二是應用在低速及零速的基于轉子凸極效應的方式。然而，第二種方式在重載下并不能較好的運行，這是由于轉子凸極效應受到磁飽和的影響而減弱了。

本文提出一個混合動力汽車牽引電機的無傳感器控制的集中繞組IPMSM的設計。在無傳感器控制設計中，主要是如何擴大運行的范圍。我們引入無傳感器安全運行范圍（SSOR），這是為了解釋交叉耦合磁飽和電感分布的諧波。

1 在低速時無傳感器控制技術

1.1 IPMSM的數學模型

α-β坐標系表示靜止坐標系，d-q坐標系代表旋轉坐標系。旋轉速度和d-q坐標系角度轉子的速度和轉子位置是分別是ω和θ。因為在無傳感器運行的情況下，實際的轉子位置是不可知的，估計的γ-δ坐標系，以ωe和θe旋轉，進行了虛擬定義。轉子速度和位置的實際值和估計值的差別分別定義為？駐ω=ωe-ω和？駐θ=θe-θ。

磁場定向控制器和解耦合控制器在γ-δ坐標系中應用，通過使用在無傳感器控制系統中得到的估計值ωe和θe。

這里vd，vq是d-q坐標軸上的外加電壓，id，iq是d-q軸電流，R是電樞繞組電阻，Ld，Lq是d-q軸上的電感，KE是反電動勢常數，p是d/dt 的代替。

假想，一個超過基頻足夠高的頻率作為測試信號同電壓一同注入，觀測高頻成分。這里vdh，vqh和idh，iqh分別是d-q坐標系中電壓和電流的高頻成分，Ldh，Lqh分別是d軸和q軸上增加的自感。

1.2 傳統的無傳感器控制技術

這一部分總結用以檢測IPMSM轉子位置的脈振電壓矢量技術。它依賴于轉子空間凸極特性的檢測，同時利用疊加在基頻電壓上的高頻電壓分量（振幅Vh和頻率ωh）。

如果脈振電壓信號入到確定的d軸，q軸就會因為注入的電壓沒有發生而產生電流紋波。

可見，轉子位置誤差被放在估計q軸電流響應中。為了把位置誤差從估計的q軸電流響應中提取出來，采用簡單外差解調，位置誤差能從q軸響應電流中提取出來?？梢灾赋龅氖?，誤差信號與轉子位置誤差？駐θ的兩倍的正弦函數成比例，所以轉子位置估計是可行的。

1.3 交叉耦合效應

交叉飽和效應由于引入了依賴負載的位置誤差對無傳感器運行有著不好的影響的事實已經被廣為報道。

這里，Ldqh是交叉耦合的動態電感，θm是由交叉飽和效應引起的交叉飽和角。在無傳感器運行狀態下，誤差信號εf的大小被控制為0；因此，由交叉飽和效應引入的位置估計誤差可以通過？駐θ=-θm/2獲得。

為了評估在傳統無傳感器驅動下的位置估計誤差的性能，MATLAB/SIMULINK開發了一個動態仿真器。仿真中，為了實現精確地預估，交叉飽和和電感分布諧波被考慮在內。

從中可以看出，？駐θ的平均值和位置相關變動隨著負載轉矩τ的增加而增加，并且穩定的無傳感器驅動不能獲得超過190%的額定負載轉矩。因此，需要補償由交叉耦合磁飽和帶來的轉子位置估計誤差。

1.4 補償由交叉飽和效應帶來的轉子位置估計誤差

電感Ldh、Lqh和Ldqh的值隨著電機工作點的改變而變化，因此誤差信號的大小依賴于負載轉矩。結果，誤差信號εf的幅值被控制為εf（？駐θ=0°），并且轉子位置誤差將會為0，在Ldqh≠0的情況下。

在測量中，注入電壓的振幅和它的頻率分別是80V和5kHz。

為了實現穩定的無傳感器控制，控制器采用基于誤差信號幅值里的誤差上的估計的轉子位置修正。在大多數IPMSM中，因為凸極特性的存在，誤差信號εf/？駐θ的傾斜特性將會與位置估計誤差在-20°-20°范圍內成反比。

這里，Kθ是一個修正因子，εf 是儲存在查找表參考值，這是預先由在最大轉矩電流比運行軌跡下實驗測量得到的。在目標混合動力汽車中，控制器只有一個電流反饋環。在低速時，IPMSM沿著最大轉矩電流比的跡線運行。

2 IPMSM的無傳感器系統設計

2.1 設計流程

基于以上提到的交叉飽和與空間諧波的影響，下面的點必須在設計中考慮到，以增加最大轉矩額無傳感器驅動的穩定性。

（1）在最大轉矩條件下的？駐εf的值應當盡可能的大。

（2）為減小穩態位置誤差，誤差信號的εf幅值的波動應當被減小的值應當盡可能的小。

設計流程如下：

轉子齒寬βR應當通過考慮到使用嵌入式永磁同步電機轉子的lm=6mm的固定值。嵌入式磁鐵的深度必須根據與固定轉子齒距βR來設計。定子軛寬與齒寬的比值應當被設計以減小電感變量。在下面的設計研究中，使用了有限元封裝。

2.2 轉子齒距

定子齒寬Ts為18mm，定子扼寬為12.97mm，在所有模型里都是同樣的。βR從3° 增加到 13°。在下面的設計中，βR-opt=5°作為最優解使用。

2.3 嵌入式永磁的深度

永磁的尺寸（lm=6mm，wm=33mm）、轉子齒開度（βR=5°，wrt=8.1mm）在所有模型中都是一樣的。深度d從2.6mm變化到5.8mm。

和內置永磁轉子相比，內嵌永磁同步電機轉子的估計指數較小。然而，弧形磁鐵花費太大，制造困難。所以，本設計中使用帶有平面磁鐵的內嵌式永磁同步電機轉子。內嵌式磁鐵深度d的增加在？駐εf不符合要求，有兩個原因：

（1）Ldh隨著d的增加而增加

（2）因為q軸明顯的電感隨著d的增加而增加，Lqh隨著d的增加而減小，這是由于q軸磁飽和。

最終，深度d應當盡可能的小，以增大SSOR。

2.4 定子扼寬與齒寬的比值

永磁的尺寸（lm=6mm，wm=33mm）深度d（=2.6mm），轉子齒開度（βR=5°，wrt=8.1mm）在所有的模型中是一樣的。比值η在固定定子槽區域Sslot內從0.4變化到0.72。？駐S在？駐εf>0時取到最小值的最優比值η=0.5。在η=0.5的前提下，定子中的磁通密度相比于其他三種電機類型較低。

3 設計結果

3.1 轉矩特性

設計的電機實現了最大的轉矩期望在目標混合動力車應用。

3.2 無傳感器控制可運行區域

在文獻[5]中，Ldif>0是由無傳感器位置監測的可運行區域定義的?；诖?，設計電機最大的轉矩在80Nm左右。然而，基于式15的最大的轉矩容量超過100Nm。20Nm的轉矩差別是由于考慮到控制器的動態特性，包括估計轉子位置的修正所造成的。因此，設計的電機實現了必要的最大轉矩的要求。

3.3 位置無傳感器起動特性

為了評估無傳感器驅動的性能，我們在MATLAB/SIMULINK平臺上開發了一個動態仿真器。在仿真中，考慮交叉飽和與電感分布諧波以實現精確地預計。通過比較測量結果和計算結果來驗證動態仿真器的精確度。

在100r/min時負載情況下，測試信號是在200ms內參考轉矩從0增加到100NM。這些負載變化在目標應用中是標準的要求。位置估計誤差？駐θ在一個負載變化后增加，收斂于一個穩態水平（穩態位置誤差在±15°范圍內）。設計的電機能達到期望的表現性能。

4 結論

我們提出了一個應用于混合動力車應用的基于凸極特性的內嵌式永磁同步電機的無傳感器驅動的設計。利用仿真以研究電機結構如何影響SSOR。結論是，推導出了集中繞組式內嵌式永磁同步電機的無傳感器控制的指導方針。100NM、10kW、12極、18槽的IPM電機正好滿足了目標混合動力車應用設計需求。所提出的設計的有效應通過基于MATLAB/SIMULINK的動態仿真器驗證。

【參考文獻】

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[責任編輯：朱麗娜]