混合动力电动汽车驱动电机控制器硬件在环仿真研究

童大权

摘 要：文章以混合动力电动汽车用永磁同步电机控制器为研究对象，采用硬件在环原理，借助Simulink仿真软件，设计了一种在dq坐标系下简化模型，设计了包含RT-LAB目标机和DSP电机控制器两部分的硬件在环仿真平台，通过电机定子电流数值仿真结果，可以得出硬件在环仿真模型的可行性和准确性，降低了产品开发的成本和周期，具有很好的理论和实践价值。

关键词：HEV;电机控制器;HIL

中图分类号：U462.1  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）17-69-04

Study of Hardware-in-the-loop Simulation on Hybrid Electric Vehicle Drive

Motor Controller*

Tong Daquan

（ School of Vehicle Engineering， Hunan Automotive Engineering Vocational College， Hunan Zhuzhou 412001 ）

Abstract： The Article permanent magnet synchronous motor controller for hybrid electric vehicle is taken as the research object， and the hardware is adopted. Based on the principle of loop， a simplified model in dq coordinate system is designed with the help of Simulink simulation software. A hardware-in-the-loop simulation platform including RT-LAB target machine and DSP motor controller is designed. The feasibility and accuracy of hardware-in-the-loop simulation model reduces the cost and cycle of product development， and has good theoretical and practical value.

Keywords： HEV; Motor controller; HIL

CLC NO.： U462.1  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）17-69-04

1 引言

環境问题一直是困扰全球的实质性问题，另一方面全球石油资源在未来的可持续性可能性越来越低，因此针对新能源汽车的发展战略势在必行。混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）的产业化时代已经到来，为了提高市场竞争的优势，扩大市场规模，相关的混合动力系统研究日益紧迫，包括总成开发、协调控制、能量管理等关键技术，发动机和电动机进一步的融合等，都是为了进一步提高性价比，破解混合动力汽车目前存在的难题，提高混合动力汽车整个体系的保障等机制。硬件在环仿真（harware-in-the-loop simulation，HIL），为了在实验环境中进行仿真测试，减轻前期研发成本，采用实时仿真系统进行仿真模拟，将真实的控制器与仿真系统结合成一体，从而达到闭环控制的目的，从而避免了对电机、变流器以及传感器的使用。本文以硬件在环仿真平台为基础，以混合动力汽车驱动电机控制器为应用对象，通过对驱动电机控制器的硬件在环仿真进行研究，相关成果可以为未来混合动力汽车乃至其他新能源车辆驱动系统的研究提供新的借鉴，并可以进一步引申作为相关的电机驱动系统硬件在环仿真试验方法进行推广使用。

2 混合动力汽车驱动电机的动态数学模型

永磁同步电机是混合动力汽车主要采用的动力驱动系统，为了保证对整个试验系统的研究的准确性，要保证其特性的准确反映，这就要对该模型进一步研究、细化[1]。

2.1 相坐标下永磁同步电机的数学模型

（1）电压方程

（1）

式中：μa、μb、μc为三相绕组的相电压（V），ia、ib、ic为三相绕组的相电流（A），Rs为每相绕组的电阻（Ω），ψa、ψb、ψc为三相绕组的磁链（Vs），p为微分算子。

（2）磁链方程[2]

（2）

式中：Laa、Lbb、Lcc为每相绕组的自感（H），Mab、Mac、Mca、Mcb分别为两相绕组之间的互感（H），ψfa、ψfb、ψfc为与三相绕组交链的永磁体磁链（Vs）。

2.2 dq坐标下永磁同步电机的数学模型

（1）定子电压和磁链方程[3]

定子电流空间矢量如式3所示。

（3）

其中， 。在 ABC 坐标系中，同理定义定子电压空间矢量如式4所示。

（4）

其中， ，Ls为等效同步电感，θr为ψf为相位角， Rs为定子相电阻。

dq轴坐标电压方程如式5和式6所示。

（5）

（6）

式中：ψd，ψq分别为定子磁链的d轴和q轴分量;ωr=npωm为转子的电角度;np为电动机的极对数;ωm为转子的机械角速度;ud，uq为定子电压矢量 的直轴d和交轴q的分量;Rs为定子绕组的电阻;id，iq分别是定子电流的d轴和q轴分量;p为微分算子， 。磁链方程如式7和式8所示。

（7）

（8）

式中： ; 。Lsσ为dq绕组漏感，Ld、Lmd、Lq、Lmq分别为dq轴系的定子绕组的自感、励磁电感。

（2）转矩方程

电磁转矩的矢量表达式为：

（9）

若   用以dq轴表示，则有   得：

（10）

将磁链方程 代入电磁转矩方程有：

（11）

其中， 为定子磁阻相对于转子磁链旋转角速度，即 是 相对于 的初始角， 为转矩角的变化量， Ld=Lq=Ls，磁阻转矩分量为 0，对公式11两边求导，得电机转矩在t=0时刻的增长率为：

（12）

当保持 恒定时，公式12表明转矩随转矩角的增加而增加。

根据上文叙述研究分析，可以确定的是，在对转矩角进行操作的时候，定子磁链的旋转速度和方向也可以同步进行操作。

3 混合动力汽车驱动电机控制器硬件在环仿真

目标机是对永磁电动机进行仿真的核心部分有永磁同步电机和逆变器两部分，通过RT-LAB运行仿真模型，而其控制过程则通过控制器实现，控制器采用的是DSP控制器，可以针对目标机中的电流与位置信号进行计算，然后控制仿真模型，完成整个系统的控制过程，控制器的核心部件使用的是TI公司的TMS32F2812芯片[4]～[6]。

3.1 仿真模型的建立

选择Matlab/Simulink为离线仿真工具，首先进行仿真模型的构建工作。在模型的选择上，电机选择了JMAG-RT电机模型，逆变器选择了RT-EVENT的带时间戳的三相桥，电机的控制策略为矢量控制方法具体如图1所示[7]。

如图2所示，准备进行系统的调试工作，按照相关的规则完成操作。

RT-LAB主控界面及操作步骤：

（1）选择模型（Open Model）：选择相关模型，准备下一步操作;

（2）编辑（Edit）：按规则进行相关修改;

（3）模型编译（Compile）：目的是形成目标文件，通过对模型进行编译操作，最后获取文件;

（4）节点分配（Assign Nodes）：目的是实现各个子系统的同步运行仿真，所以对具体的实时模型进行分配的过程;

（5）模型下載（Load）：下载文件到目标机中，进行下一步的准备工作;

（6）模型运行（Execute）：进行实时仿真，可以同时进行监控和修改模型的参数值;

（7）重置（Reset）：模型自动重置，重新传递数据。

3.2 仿真结果的分析

仿真的参数是：控制器的开关频率为10kHz，死区时间为3.2μs，电机控制的算法为id=0矢量控制方法。模型的参数：直流母线电压为538V，永磁同步电机参数为根据样机建立的有限元分析JMAG-RT模型[8]。实时仿真模型运行的步长为20μs。

运行状态1：电机初始运行转速为300r/min，负载转矩为3 Nm，在0.15s加速到500r/min，电机的转速和电磁转矩如图3所示，永磁同步电机定子三相电流如图4所示。

运行状态2：电机初始运行转速为300r/min，负载转矩为3 Nm，在0.15s加速到400r/min，电机的转速和电磁转矩如图5所示，永磁同步电机定子三相电流如图6所示。

永磁电机的齿谐波次数v：

（13）

式中Z为定子槽数，k=1，2，3…，p为极对数。

根据13式，进行运算，当k=1，Z=24，p=2时，可以算得v的值为12±1次，据此进行下面的运算。对定子三相稳态电流进行相关研究分析，如表1所示。

4 结论

根据主次区分，选择合适的理想模型，就电机数学模型进行推导，通过对永磁同步电机的动态数学模型的建立，保证了对整个仿真系统研究的准确性;

硬件在环仿真平台的搭建。平台系统构建了对应的仿真模型，对模型进行了相应的研究和搭建过程，通过搭建的控制器模型来对系统平台进行控制，完成了整个平台的搭建过程;

通过硬件在环仿真平台最后展现的结果，对定子三相稳态电流进行了具体分析，得到了相关准确数值，可以确定在精度方面，硬件在环仿真已经能够满足系统需求，效果较好。

参考文献

[1] 陈志新，曲白雪，张荣辉等.DCT电控系统硬件在环自动化测试平台研究与应用[J].汽车技术，2017（07）.

[2] 成铭.永磁同步电机驱动系统硬件在环半实物仿真平台研究[D].北京交通大学，2016.

[3] 林潜.永磁同步电机驱动系统的硬件在环半实物仿真平台研究[D].北京交通大学，2014.

[4] 李磊.混合动力车用永磁同步电机控制策略研究及RCP在环仿真[D].湖南大学，2012.

[5] 朱鲁佳.电动汽车用永磁同步电机驱动系统的高性能控制[J].电机与控制运用，2015，42（2）：56-59.

[6] Wang Z F， Yang J Z， Cao C， Gu Z L. Phase-phase short fault analysis of permanent magnet synchronous motor in electric vehicles. Energy Procedia， 2016（88）： 915-920.

[7] C. C. Chan， J. Z. Jiang. Novel wide range speed control of permanent magnet brushless motor drive. IEEE Trans. on Power Electronics. 2015，Vol 10（5）：539-546.

[8] Harnefors L.， Nee H. P. Model-based current control of AC machines using the internal model control method. IEEE Trans. on Industry Applications. 2016，Vol 34（l）：133-141.