车用电机SPWM与SVPWM方案的调制度与电压利用率研究.pdf

第 卷 年第 期 月.车用电机 与 方案的调制度与电压利用率研究董力嘉 潘忠亮 李 帅 李 岩 段立华(.中国第一汽车股份有限公司 新能源开发院 长春.汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室 长春)摘 要:随着新能源车辆市场占有率的增加 电驱系统性能受到广大学者和汽车行业从业人员的关注 正弦脉宽调制和空间矢量脉宽调制作为两种常用的车用电机控制方案 其涉及的调制度与电压利用率指标影响着电驱总成系统性能 提高调制度进而提升逆变器电压利用率 可以在母线电压一定的前提下 提高电驱系统转矩与功率 本文对 和 两种控制方案下的调制度和电压利用率概念进行阐述 并通过理论分析及仿真手段加以验证说明为后续提升系统性能提供理论基础关键词:车用电机 调制度 电压利用率 中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.()().:收稿日期:作者简介:董力嘉()男 硕士 研究方向为新能源电驱控制 引 言随着新能源车辆市场占有率的增加 电驱系统性能受到广大学者和汽车行业从业人员的关注 其直接决定着整车动力性与经济性指标 影响整车驾乘体验 正弦脉宽调制()和空间 矢 量 脉 宽 调 制()作为车用电机控制方案 其涉及的调制度与电压利用率指标影响着电驱总成系统性能 通过控制手段提高调制度进而提升逆变器电压利用率 可以在母线电压一定的前提下 提高电驱系统转矩与功率 本文对 和 两种控制方案的调制度和电压利用率概念进行阐述并通过理论分析及仿真手段加以验证说明 为后续提升系统性能提供理论基础 的调制度与电压利用率 方案下的调制度对于 方案 在电机控制层面其调制度通常定义为 卷 /()其中 为调制度 为正弦调制波的幅值 为三角载波的幅值 当 时 处于 的线性调制区域 当 时处于非线性区域调制度 作为控制指标 其决定着逆变器输出的相电压幅值 当 时式()成立:/()其中 为三相电压型逆变器输出相电压基波分量的幅值 为直流环节电压当 时进入非线性区域 与 关系无法用公式去计算 随着 不断增加 当超过一定值时 方案近似于方波调制 此时有如下关系成立:/()本文基于 软件搭建 模型 对 方案进行仿真 验证 与 的关系 由于、三相情况类似 这里以 相基波电压幅值结果进行说明 搭建模型如下 在这里为方便观察结果 给定/图 基波电压仿真模型模型中电源侧采用中点电压的形式 因此 相的极电压(相对于中点电压)有式()存在 其中为正弦调制波幅值 载波幅值:()(后 逐渐饱和 最终 达到最大值 接近方波模式下的输出结果为进一步验证随着 不断增加 方案是否等效为方波调制模式 建立方波控制方案如下在这里为方便观察结果 给定/对 相电压进行傅里叶分析得到基波电压幅值 仿真结果如图、图 所示图 方波调制方案 相基波电压仿真模型图 方波调制方案 相基波相电压幅值由图 可以看出 随着仿真时间增加 傅里叶分析得到的相电压基波幅值逐渐稳定 方波方案下的 约为 验证了当 增加到一定值后 方案的控制效果近似等效为方波控制方案 方案下的电压利用率电压利用率的定义不只一种 本文采用线电压基波幅值有效值与母线电压的比值进行定义 具体如式()所示()式中 为电压利用率 为星接中性点 为三相电压中的某一相相电压基波幅值 线电压基波幅值通常通过示波器等设备采集并利用傅里叶变化公式进行计算 傅里叶级数形式及相关参数如:()()()()()期董力嘉等:车用电机 与 方案的调制度与电压利用率研究()()()当正弦波作为调制波且在线性调制区域时()调制波为 ()()式中 为幅值参数 当 在 之间变化时 调制波的幅值也随之变化 下面讨论线性区的极限情况()方案通过调制波与载波运算得到占空比在这里建立模型进行傅里叶级数运算 模型如下这里 以 相为例进行傅里叶分析得到的电压利用率见下图 给定/可以看出仿真得到相电 压 基 波 幅 值 接 近 为 电 压 利 用 率 约为 图 时 方案 相电压利用率仿真模型图 时 方案 相电压 分析结果图 时 方案 相电压利用率仿真波形当 很大时 实际上此时已经等效为方波调制模式 建立模型进行仿真 这里 给定 对 相电压进行傅里叶分析并计算电压利用率 仿真结果如下 可以看出仿真得到的相电压基波幅值接近为 电压利用率约为 图 时 方案 相电压 分析结果图 时 方案 相电压利用率仿真波形进一步建立方波模型 探究方波调制方案下的电压利用率 此时电压利用率与调制波幅值无关模型如下:图 方波调制方案 相电压利用率模型图 方波调制方案 相电压 分析结果图 方波调制方案 相电压利用率仿真波形 卷可以看出当 较大时 方案和方波调制方案得到的相电压基波幅值一致 电压利用率基本相等约为 当 但没有足够大时 即 方案没有工作在线性调制区域 同时也没有达到方波调制方案效果时 此时电压利用率在 之间无固定公式 的调制度与电压利用率 源于交流电动机定子磁链跟踪的思想它宜于数字控制器实现 且有输出电流波形好、直流环节电压利用率高等优点 方案下的调制度变频调速系统常用的调制度 定义为 ()其中为期望的定子电压空间矢量幅值 线性区域使用 技术能获得的最大调制比或最大输出电压 是能够和六边形内切的最大圆的半径如下图所示 此时有下式成立:图 方案控制示意图()在线性区最大调制比可以按下式计算:()当 超过六边形内切圆半径进入过调制区域此时有:()当 进一步增加时 接近方波调制方案 也可以称为六拍模式 此时 工作在六边形 个顶点 此时有下式成立:()方案下的电压利用率在这里沿用 方案下的电压利用率计算公式 定义如下:()其中 为电压利用率 为星接中性点 为三相电压中的某一相相电压基波幅值若 方案工作在线性区()当处在线性区极限状态 即 时 在理想情况下相电压基波幅值为 电压利用率为()在这里建立模型进行傅里叶级数运算进一步验证理论分析结果 模型如下 在这里为方便观察结果 给定/以 相为例进行傅里叶分析得到的电压利用率见下图 可以看出线性区最大相电压基波幅值接近为 此时电压利用率约为 相比于 方案的线性区域最大电压利用率提高 图 时 方案 相电压利用率仿真模型图 时 方案 相电压 分析结果当 较大 方案工作在方波调制模式时 此时相电压基波幅值为()(下转第 页)期李康军等:高性能油冷电机 优化研究 结 论针对车用永磁同步电机的 问题 通过仿真和测试相结合的方法 在开发前期识别出 问题点通过研究优化最终有效改善该问题 得到的结论如下:()永磁同步电机的振动阶次特性可以根据极槽比确定 对于 极 槽永磁同步电机 性能重点关注空间 阶下的 和 阶时间阶次()电机 性能可以通过仿真分析的方法来预测 电磁仿真解析得到阶次扭矩波动及径向电磁力密度 通过有限元求解得到振动响应结果 仿真与测试结果吻合度较高 验证了仿真分析的准确性()电机的 性能优化可以根据实际问题研究 电磁激励和传递路径是主要的优化途径 电机电磁方案设计对电磁激励起决定性作用 优化 的同时也要兼顾电机其他性能 壳体设计时需规避壳体局部模态 尽量提升壳体对激励的衰减特性参考文献 王轶楠 唐冲 颜钢锋.定子齿冠开辅助槽抑制永磁电机齿槽转矩.微电机 ():.高辉 尹红彬 王永超 等.不同槽极数配合的永磁电机噪声特性分析.微电机 ():.孙玲 章桐 于蓬.永磁同步电机激励特性分析.机电一体化 ():.林福 左曙光 吴双龙 等.基于阶次分析的永磁同步电机噪声源识别.农业工程学报 ():.宋志环.车用驱动电机电磁振动噪声源诊断技术.电机与控制应用 ():.林巨广 吴梦.基于模态分析的永磁同步电机噪声研究.机械设计 ():.郑江 代颖 石坚.车用永磁同步电机的电磁噪声特性.电工技术学报 :.倪明明 廖连英 左言言 等.车用永磁电机电磁振动与噪声分析.微特电机 ():.李晓华 刘成健 梅柏杉 等.电动汽 宽范围调速振动噪声源分析.微特电机 ():.李晓华 黄苏融 李良梓.电动汽车用永磁同步电机振动噪声的计算与分析.电机与控制学报 ():.谢颖 黄苏融 李良梓 等.内置永磁同步电机减振设 计与研究.中国电机工程学报 ():.张冉 王秀和 乔东伟 等.基于辅助槽的永磁电机激振力波削弱方法.中国电机工程学报 ():.杨浩东 陈阳生.分数槽永磁同步电机电磁振动的分析与抑制.中国电机工程学 ():.(上接第 页)图 时 方案 相电压利用率仿真波形 电压利用率表示为 ()在过调制区(线性区和方波调制模式之间)此时电压利用率在 之间 无固定公式 结 语本文对 和 两种控制方案的调制度和电压利用率展开了系统研究 为后续提升电驱系统性能提供理论基础 首先在 控制方案下按照不同区间对调制度概念展开理论分析 并利用仿真手段对分析结果进行验证 然后在不同调制度区间下对电压利用率进行了阐述 仿真验证了当调制度增加到一定值后 方案的控制效果近似等效为方波控制方案 其次在 方案下 对线性区、过调制区、六拍模式区的调制度和电压利用率进行了理论分析及仿真验证参考文献 陈清泉 孙立清.电动汽车的现状和发展趋势.科技导报():.徐衍亮.电动汽车用永磁同步电动机及其驱动系统研究.沈阳:沈阳工业大学.袁登科 徐延东 李秀涛.永磁同步电动机变频调速系统及其控制.北京:机械工业出版社 .海瑟姆阿布鲁.交流传动系统高性能控制及/建模.北京:机械工业出版社 李亚伟 顾汝彬 张琳 等.永磁同步电机周期载波调制技术研究 .计 算 机 与 数 字 工 程 ():.暴杰 许重斌.电动汽车用超高效率电机驱动系统关键技术研究.汽车工艺与材料():.江哲懿.电动汽车永磁同步驱动电机控制方法的研究.北京:清华大学.任劲松 刘栋良 徐正华.永磁同步电机弱磁控制中过调制算法的 应 用 .工 业 控 制 计 算 机 ():.张艳芳 林飞 马志文 等.两种 过调制方法的比较研究.北京交通大学学报():.宛世源.过调制算法研究与实现.武汉:华中科技大学.