键合图永磁无刷电机.pdf

摘要:键图法能很方便地把像电动汽车这样一个集机、电、液、磁和热等多能源的系统

统一起来。利用键合

图法对电动汽车永磁无刷电机进行了建模,并基于MATLAB/SIMULINK平台进行动态仿真。

分析了电机

各项参数对输出转速和转矩的影响。建模过程及实验结果表明,键合图法是一种适合于多能

源系统的建模方

法。此模型也为电动汽车整个系统的建模,特别是驱动系统的建模与分析提供了参考。同时,

它还可以作为

一个独立完整的模块与电动汽车其他模块很好地连接起来。

关键词:电动汽车;永磁无刷电机;键合图;建模;仿真

1引言

电机在各领域有着广泛的用途,在汽车上电机可作为雨刷、风扇驱动及其他附件的驱动源。

电机在电动汽车中所起的作用更是明显,它是驱

动系统的主要组成部分。而永磁无刷电动机既具

有交流电动机的结构简单、运行可靠和维护方便

等一系列优点,又具备直流电动机的运行效率高、

无励磁损耗及调速性能好、起动转矩较大等特点,

在电动汽车上得到越来越多的应用。因此对这种

电机进行深入的研究是十分必要的[1]

。

借助模拟仿真技术,可以方便有效地对电机进行研究。电动汽车,特别是混合动力电动汽车

是一个集机、电、液、磁和热等多能源的系统,电机

作为电动汽车驱动系统的重要组成部分,本身就

是一个机、电、磁综合的系统。利用现代控制工程

很难将它们组合在一起,而作为研究多能源系统

动态特性方法之一的键图法却能很方便地把它们

统一起来。键合图用状态方程作为数学模型的形

式,且方程的获得比推理来得容易,并且有一定的

程式,只要能画出键合图,即可方便地得到状态方

程。因此利用键合图法对电机进行建模有其自身

的特色和优点,除了能方便地得到电机自身的模

型外,还可为以后与电动汽车的其他模块方便地

连接提供了基础。

2键合图基础

键合图通过功率流把系统中不同领域的能量

参数与元件参数统一起来。因此,它最明显的优

势是适合于描述像有机、电、液、磁等这样多种

能量范畴共存的系统。

键合图中功率用P表示,是流(f)和势

(e)的乘积。在不同的物理系统中流和势定

义如表1所示。

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键合图用相应符号表示不同部件的动力特

性,键合图基本元件如表2所示。

确定了系统的状态变量和基本元件之后,系

统键合图模型就是根据系统内的功率流向(用半

箭头表示)及变量的因果关系(用短直线表示)用

规则化的图形来建立。之后,根据键合图模型规

则列出系统状态方程,在系统的输入已知的条件

下就可以求得系统的响应。

3电机模型的建立

3.1物理模型

永磁无刷直流电机由电动机本体(定子为电

枢和转子为永磁体)、位置传感器和电子换相线路

3大部分组成,如图1所示[2]

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。

这里主要是对电机本体进行键合图的建模

和数学模型的建立。控制器的功能通过

MATLAB/SIMULINK仿真模块来实现。根据电

机的物理特性及实际运行特性,定子部分(电枢绕

组)可简化为电阻(Ra、Rb、Rc)、电感(L-M)和

反电动势(ea、eb、ec)3部分,其中电感部分根据电

机结构对称性,可以把其等效为自感与互感之差

L-M;转子部分(永磁体)经过电磁力矩转换,

输出转速()和力矩(T),其中包含摩擦阻力和

转动惯量2个物理量。永磁无刷直流电机(三相)

的简化模型如图2所示。

3.2键合图模型

根据图2所示的永磁无刷直流电机的简化模

型,并应用键合图建模规则,建立了无刷电机的键

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合图模型,如图3所示[3~5]

。

键合图是根据系统的功率流向(键的箭头指

向)逐一画出来的。功率流向根据实际物理模型

来确定;因果关系根据键合图3中各元件的因果

关系规则确定。

图3中对所有的键进行了编号,不同键上的

变量用相应键的编号作为下标进行区分,例如标

号为18的键上的势变量和流变量可分别表示为

e18和f18。

三相的输入电压分别用可变