電動汽車用異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真研究

引言

電動汽車以電能為能源,具有零排放、無污染的突出優(yōu)點(diǎn),開發(fā)前景十分廣闊。高密度、高效率、寬調(diào)速的車輛牽引電機(jī)及其控制系統(tǒng),既是電動汽車的心臟,又是電動汽車研制的關(guān)鍵技術(shù)之一,是提高電動汽車的驅(qū)動性能、行駛里程及可靠性的根本保證。交流異步電機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),已成為動力驅(qū)動系統(tǒng)的主流。其中,異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)控制思想新穎,結(jié)構(gòu)簡單,控制手段直接,是一種具有良好的靜態(tài)與動態(tài)性能的交流調(diào)速方法,已成為交流調(diào)速傳動中的研究熱點(diǎn),其作為電動汽車驅(qū)動電機(jī)的應(yīng)用越來越普遍。

本文將直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用于電動汽車,建立了異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型,并搭建電動汽車用異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真模型,詳細(xì)介紹了模型中各個子模塊的組成和功能,并進(jìn)行電機(jī)運(yùn)行仿真。仿真結(jié)果表明,控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)迅速,調(diào)速性能良好,驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的正確性。

1異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

本文電動汽車的變頻調(diào)速系統(tǒng)采用交流鼠籠式異步電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。異步電機(jī)是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng),因此在研究其數(shù)學(xué)模型時做些允許范圍內(nèi)的假設(shè)。異步電機(jī)在兩相靜止α-8坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型:

(1)磁鏈方程:

式中,ψsα、ψs8、ψrα、ψr8、isα、is8、irα、ir8分別為α-8坐標(biāo)系下的定、轉(zhuǎn)子磁鏈和電流:Ls、Lr、Lm為α-8坐標(biāo)系下的定、轉(zhuǎn)子電感和互感。

(2)電壓方程:

式中,usα、us8、urα、ur8分別為α-8坐標(biāo)系下的定、轉(zhuǎn)子電壓。

(3)異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程:

式中,Te為電磁轉(zhuǎn)矩:p為電機(jī)的極對數(shù)。

(4)異步電機(jī)的運(yùn)動方程:

式中,TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩:J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量。

2直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理與建模

異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)輸出信息結(jié)合定子磁鏈所處扇區(qū),由電壓矢量選擇表選出合適的空間電壓矢量驅(qū)動逆變器模塊,調(diào)節(jié)磁鏈與轉(zhuǎn)矩誤差,實(shí)現(xiàn)對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制。

2.1DTC系統(tǒng)建模

Matlab/Simulink是一個交互式的動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境,并帶有豐富的功能模塊。在其中搭建異步電機(jī)DTC系統(tǒng)仿真模型,仿真模型整體如圖2所示。

2.2轉(zhuǎn)速РI調(diào)節(jié)器模塊

系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊將當(dāng)前轉(zhuǎn)子速度or與給定值or*比較,將偏差作為PI調(diào)節(jié)器的輸入,PI調(diào)節(jié)器的輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩的給定值Te*。通過不斷的仿真調(diào)試,選取適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)和積分系數(shù),可以獲得較好的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)效果。轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器的仿真模型如圖3所示。

2.3磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測模塊

系統(tǒng)中定子磁鏈觀測模塊采用電壓-電流模型,由式(2)中定子電壓方程變換得到:

電磁轉(zhuǎn)矩觀測值根據(jù)式(3)計(jì)算得到。磁鏈和轉(zhuǎn)矩的觀測仿真模型如圖4所示。

2.4磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)模塊

系統(tǒng)采用兩點(diǎn)式,即滯環(huán)比較器調(diào)節(jié)定子磁鏈,將定子磁鏈觀測值與實(shí)際值之間的誤差△ψs限制在滯環(huán)比較器的容差sψ內(nèi),比較器的輸出磁鏈控制信號為0和1,分別對應(yīng)減小磁鏈幅值和增大磁鏈幅值。磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)模塊如圖5所示。

2.5扇區(qū)判斷模塊

系統(tǒng)采用電壓型逆變器驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行,其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

逆變器三組橋臂分別接電機(jī)A、B、C三相,上下橋臂互補(bǔ)導(dǎo)通可以組合出8種電壓矢量,其中V0和V7是零電壓矢量,V1~V6為有效電壓矢量。以每個有效電壓矢量為矢量中線,將定子磁鏈空間復(fù)平面分為6個扇區(qū),每個扇區(qū)所在區(qū)間為60o電角度,如圖7所示。

通過編寫m函數(shù),將定子磁鏈角度作為函數(shù)輸入進(jìn)行扇區(qū)判斷。

2.6電壓矢量選擇模塊

系統(tǒng)中定子磁鏈觀測模塊采用電壓-電流模型,在忽略定子電阻壓降時有:

上式表明,定子電壓矢量與定子磁鏈?zhǔn)噶坑邢嗤倪\(yùn)動方向,可以通過選擇特定的電壓矢量調(diào)節(jié)定子磁鏈幅值與旋轉(zhuǎn)方向,達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。

如圖8所示,以定子磁鏈處于扇區(qū)1且逆時針旋轉(zhuǎn)來說明電壓矢量選擇規(guī)律。當(dāng)磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸出為Hψ=1、HT=1時,表明此時需要增大磁鏈幅值和轉(zhuǎn)矩,應(yīng)該選擇與定子磁鏈夾角為銳角且與磁鏈旋轉(zhuǎn)方向一致的電壓矢量。由圖8可以確定,此時應(yīng)該選擇電壓矢量V2,一方面其與磁鏈之間夾角為銳角可以增大磁鏈幅值:另一方面其與磁鏈旋轉(zhuǎn)方向一致可以增大磁鏈角,從而增大轉(zhuǎn)矩。當(dāng)磁鏈位于其他扇區(qū)時,采用上述分析方法,根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩比較器輸出選擇合理的電壓矢量。由此可以獲得電壓矢量選擇表,如表1所示。

通過查表編寫了電壓矢量選擇模塊的m函數(shù),其輸入為磁鏈滯環(huán)比較器輸出信號、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器輸出信號及扇區(qū)判斷模塊輸出信號,其輸出為選定的電壓矢量。

3仿真結(jié)果及分析

仿真中所選用的異步電機(jī)參數(shù)如表2所示。

仿真過程中,定子磁鏈幅值給定值為1wb,各仿真時間段轉(zhuǎn)速、負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)定值如表3所示。

得到的仿真結(jié)果如圖9所示。

從圖9(a)和(b)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的仿真波形可以看出,直接轉(zhuǎn)矩控制對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的突變均有很快的響應(yīng)速度,有較好的穩(wěn)態(tài)性能,且超調(diào)量較小。DTC系統(tǒng)在1s開始從800r/min加速到1600r/min過程中,能夠輸出設(shè)定的最大轉(zhuǎn)矩限值,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的最快調(diào)節(jié)。圖9(c)定子電流波形表明,DTC系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時電流基本保持為正弦波,并且在突加負(fù)載時無過流現(xiàn)象。圖9(d)表明定子磁鏈幅值在動態(tài)加速和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時,都能基本保持恒定幅值1,在磁鏈滯環(huán)容差范圍內(nèi)波動,磁鏈軌跡接近圓形。

4結(jié)語

本文將直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用于電動汽車,建立了異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型,搭建了電動汽車用異步電機(jī)DTC系統(tǒng)的仿真模型,并進(jìn)行電機(jī)運(yùn)行仿真。仿真結(jié)果表明,控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應(yīng)迅速,靜態(tài)性能良好,磁鏈幅值基本能夠保持恒定,驗(yàn)證了DTC系統(tǒng)的有效性。但DTC技術(shù)也存在不足之處,如穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時轉(zhuǎn)矩脈動較大、磁鏈軌跡不規(guī)則等,需要進(jìn)一步的研究。