基于新型死区补偿的永磁同步轮毂电机矢量控制研究

李勇

摘  要：永磁同步电机由于具有结构简单，功率密度高的优点得到了越来越广泛的应用。然而由于转速脉动的存在严重影响了永磁同步电机在要求高转速精度工况下的应用，且转速脉动还会降低电能利用率和元器件的使用寿命，给系统带来不稳定的隐患，因此对于转速脉动抑制的研究具有重要意义。轮毂电机驱动系统具有高集成度、高功率密度等优势，能够优化车身结构，提高车辆的空间利用率，但是也会增加整车非簧质量，导致车辆平顺性变差。基于此，本篇文章对基于新型死区补偿的永磁同步轮毂电机矢量控制进行研究，以供参考。

关键词：新型死区补偿;永磁同步;轮毂电机;矢量控制

引言

随着汽车工业的发展，燃油汽车不仅给人们带来了舒适的体验，但同时也带来了许多环境问题，在这个大背景下，电动汽车被研究出来。在机械结构变化的基础上，必须保证电子差速器系统的安全性和可靠性，这是电动汽车安全的前提。考虑到车辆扭矩中心偏差对车轮载荷垂直传递的影响，分析了牵引质量驱动力和车身偏差对车轮载荷垂直传递的影响。利用CARSIM软件建立动态模型，利用SIMULINK软件确定控制策略，最后对系统进行总体仿真。传统的阿克曼建模仿真有很多学者进行相关的探索。但是这个模型局限性很大，它只能在线性时不变的系统模型中应用。如果要探究速度快的车辆模型，就需要再针对其他干扰因素作出更深一步的研究。

1轮毂电机发展史

20世纪50年代初，美国人Robert便发明了电动汽车轮毂电机，并申请了专利，其将电动机、传动系统和制动器浓缩到轮毂机构。日本也从1991年开始涉足轮毂电机研发领域，但从产业层面来看，欧美公司占据主导地位，如荷兰e-Traction、美国Protean、欧洲Elaphe，都先后有系列产品诞生。Proteanelectric早在2010年便推出了应用在普通乘用车上的轮毂电机技术。而国内则从2010年才开始研发轮毂电机技术，各大汽车零部件厂商开始通过并购方式引入国外先进技术，如泰特机电、万安科技、亚太股份分别投资了e-Traction、Protean、Elaphe。随着全球5G商业化时代来临，汽车行业正迎来新一轮的变革。在新的变革中，作为众多前沿技术的落地场景，汽车也被重新定义：它不仅仅是交通工具，更是承载人们多重需求的移动空间，是生活场景的一个个缩影，如医疗、休闲、娱乐、工作、物流、快递，等等，这些前沿技术将打破空间的束缚。中国一汽红旗开发了HEi2.0智能化底盘概念平台，通过PTC（动力总成与底盘集成）、CTC（动力电池与底盘集成）、CTI（动力与底盘域控制集成）集成技术，HEi2.0智能化底盘可实现平台零部件大幅减少，空间利用率提升，质量降低，提高了通过性。随着线控转向及线控制动技术的应用，分布式驱动构型下的线控底盘可以实现车轮大角度转角，甚至360°转角成为可能，可轻易实现蟹行、斜行、原地旋转的运动模式。使用轮毂电机的分布式一体化电动底盘突破了传统的集中式驱动构型，可实现更高安全、更为清洁、更加快捷和全场景的便利使用。

2新型死区补偿方案

传统的死区效应补偿方法对电流极性检测准确性要求比较高，且电流极性的检测相对而言比较困难，增加了死区补偿算法的实现难度。依据反馈控制思想，通过建立一种观测器，实时对输出电压扰动进行监测，并采用线性补偿增益的方法改善电流钳位，从而抵消死区时间和开关器件导通压降等非线性特性带来的死区效应问题，该方法不需要对电流极性进行检测。采用观测器进行误差补偿，通常会忽略电流钳位造成的畸变，且其自身也存在误差电压，故采用线性补偿调节增益方法进行二次补偿。由于正切函数属于非线性函数，相比一般线性函数，其鲁棒性更高、抗扰动能力强、拟合效果更好，更加适合非线性矢量控制系统。为优化电流波形正弦度，以正切函数作为补偿增益。

线性补偿增益K的计算如式（1）：

通过判断电流是否过零点，对补偿值斜率进行调节，从而改善了电流正弦度;正切增益可在电流过零点之前抑制钳位区间。

3仿真分析

研究对象是电动汽车永磁同步轮毂电机，带负载启动是轮毂电机驱动电动汽车的重要特点，故设置负载转矩为TL=150N.m。分别对电机在不同转速下的三相电流波形和相电流频谱进行仿真分析对比，从而验证所提补偿方案对抑制死区效应有效性图3为控制系统中有补偿和无补偿在不同转速下的三相电流波形对比。由图3（a）、图3（b）可知：在电机转速为200r/min工况下且无补偿时，轮毂电机三相电流畸变更明显，此时电流波形正弦度较差;在加入死区补偿后，钳位现象得到了较大的改善。由图3（c）、图3（d）可知：转速1000r/min未加入死区补偿时，轮毂电机三相电流钳位现象不太明显;但在加入死区补偿后，三相电流波形正弦度也会变得更好。由此可知，电机低速运转时，死区效应带来的影响更大，采用所提方案进行补偿后，抑制效果明显，较好的提高了系统动态性能。图4为轮毂电机在不同转速下，有补偿和无补偿的相电流频谱对比。从图4中可知：无补偿时，相电流频谱中失真率变化较大;有补偿后，失真率显著降低;当电机在低速工况运转时，失真率小于1，补偿效果更好。

结束语

综上所述，本文对逆变器死区和电流测量误差产生转速脉动的机理进行了深入分析，并提出一种扰动观测器与重复控制器相结合的方法对此两种实际工况中必然存在的非理想因素导致的转速脉动进行了抑制。仿真结果表明，所提方法能够克服传统方法由于IGBT通断时间随负载电流变化导致的补偿不准确的缺点，对逆变器死区导致的转速脉动具有较好的抑制效果。RC也能够快速有效地抑制电流测量误差带来的残余转速脉动，进一步增强了转速的平稳性。该方法提高了永磁同步電机在需要转速高精度工况下的可应用性，具有一定的理论价值和实际应价值。

参考文献

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[3]周晓飞.新型自减速永磁复合轮毂电机驱动控制系统研究[D].东南大学，2018.