電動汽車用開關磁阻電動機直接轉矩控制

翟紅英,熊立新,徐丙垠

(1.山東理工大學,山東淄博255049;2.浙江大學,浙江杭州310027)

0 引 言

電動汽車的核心是電動機[1],目前電動汽車用電動機主要有四種:直流電動機、感應交流電動機、永磁電動機和開關磁阻電動機[2]。

直流電動機制造成本高、重量體積大、碳刷壽命短、換向時碳刷易產生火花,不適宜高速大容量場合,有逐漸被淘汰的趨勢。感應交流電動機由于其驅動系統復雜、功率因數低、小負荷范圍內效率低、功率密度和效率低于永磁電機,逐漸失去其優勢。永磁電動機不需要直流勵磁電源,具有重量輕、體積小、慣性低、控制簡單、效率高、調速范圍寬、起動轉矩大等優點,但電機含永磁材料,制造成本高,而且永磁材料在溫度過高、過低、強烈振動情況下,有不可逆轉的退磁現象,使電機性能下降。開關磁阻電動機具有結構簡單、牢固、制造成本低、調速范圍寬、速度響應快、控制靈活、起動電流小、起動轉矩大的優點,作為電動汽車的驅動電機有很大的發展潛力[3],但開關磁阻電動機的轉矩脈動和噪聲較大,要在電動汽車中推廣應用,必須解決這兩個關鍵問題。

開關磁阻電動機的噪聲隨著電機設計的成熟會逐漸減弱,轉矩脈動的產生主要是因為開關磁阻電動機必須工作在開關狀態,通用工業場合中普遍以繞組電流為目標進行控制,換相時轉矩不連續,因此轉矩脈動大。轉矩脈動引起的汽車振動不僅對機械結構危害很大,也降低了汽車乘坐的舒適性。本文參考交流電動機的直接轉矩控制方法,根據開關磁阻電動機的運行原理進行了改進,應用直接轉矩控制方法來減小開關磁阻電動機的轉矩脈動,使其更適合于電動汽車應用。

1 開關磁阻電動機工作原理

圖1 開關磁阻電動機結構

開關磁阻電動機為雙凸極結構,定子上有集中繞組,每相對的兩極為一相,轉子上無繞組也無永磁體,電機整體結構簡單,如圖1所示。

電機運行遵循磁阻最小原理[4],當一相繞組通電時,與此定子凸極非對齊位置的轉子凸極,由于磁拉力的作用運轉到對齊位置。各相依次通電,即可實現電動運行,改變各相通電順序,可改變電機運轉方向。開關磁阻電動機的轉矩T根據磁共能W來計算,即:

式中:Ψ(θ,i)為磁鏈。

開關磁阻電動機的每相繞組都是單極驅動,因此開關磁阻電動機的每相電流都是正的[5]。從式(2)可看出,轉矩的正負取決于式(2)的后一項,即如果定子磁鏈相對于轉子角度的變化率為正,轉矩增加;如果定子磁鏈相對于轉子角度的變化率為負,轉矩減少。

開關磁阻電動機運行時的實際控制變量包括開通角、關斷角、勵磁電壓和勵磁電流上限。控制方法有電流斬波控制、角度位置控制、脈寬調制調壓控制三種基本控制方法,其目的都是為了控制電機相繞組的電流。由于開關磁阻電動機的轉矩除與電流有關外,還與定、轉子的相對位置角有關,如果僅僅使電流平穩,在換相時會造成前一相的轉矩開始降落而后一相的轉矩尚未建立起來的現象,引起電機轉矩脈動較大,限制了開關磁阻電動機在電動汽車場合的應用推廣。

2 直接轉矩控制

2.1 直接轉矩控制原理

在交流電機控制中,直接轉矩的基本思想是保持定子磁鏈幅值基本恒定不變,通過改變定子磁鏈與轉子磁鏈的轉角來控制轉矩的增大或減小,即通過加速或減速定子磁鏈來控制轉矩,從而把轉矩限制在一個給定的滯環范圍之內。

圖2 三相半橋式功率變換器

2.2 電壓矢量的選取

改變定子磁鏈與轉子位置的夾角及磁鏈的幅值是通過選擇不同的空間電壓矢量來實現的,而空間電壓矢量是由加在定子各相繞組上的電壓公共作用形成的。在每一個確定的時刻,每相繞組都因開關狀態的確定而有一個確定的電壓狀態,從而就有一個各相公共作用形成的確定的空間電壓矢量。在不同時刻,每相選擇不同的開關狀態組合,就會確定出不同的空間電壓矢量。本系統選擇的是三相半橋式功率變換器,如圖2所示。

功率變換器每相由兩個主開關管和兩個續流二極管組成,具有能量回饋功能,在電動汽車有限的電池能量儲存情況下,有助于提高效率,節約能量。

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根據每相兩個主開關管不同的開通與關斷情況,可分為三種開關狀態。第一種情況是兩個主開關管同時開通,這時加在繞組上的電壓為正,定義為開關狀態“1”;第二種情況是一個主開關管開通一個主開關管關斷,開通的主開關管和這相的其中一個續流二極管構成閉合回路,這時電壓為零,定義為開關狀態“0”;第三種情況是兩個主開關管都關斷,繞組與此相的兩個續流二極管構成閉合回路續流,這時電壓為負,定義為開關狀態“-1”。例如空間電壓矢量v1(1,0,-1)表示三相功率變換器A相上下兩個主開關管都開通,B相一個主開關管開通一個主開關管關斷,C相兩個主開關管都關斷的狀態。而空間電壓矢量v2(0,1,-1)表示三相功率變換器A相一個主開關管開通一個主開關管關斷,B相兩個主開關管都開通,C相兩個主開關管都關斷。通過控制三相不同的開關組合,就會確定出不同的三相公共作用形成的空間電壓矢量。這種三相半橋式功率變換器可確定出27個空間電壓矢量。其中有些電壓矢量因為功率變換器不能同時有兩相被激勵而被淘汰,還有一些電壓矢量選擇后會降低效率也被淘汰。每相不能從開關狀態“1”直接到開關狀態“-1”,或者從開關狀態“-1”直接到開關狀態“1”,應該是從開關狀態“1”到開關狀態“0”再到開關狀態“-1”,或者逆序[7]。選用其中6個有效的空間電壓矢量,這6個空間電壓矢量均勻分布在坐標平面上,每個空間電壓矢量彼此相差且幅值相等,把空間平面均勻地分成6個區,每個區對應的空間電壓矢量及開關狀態如圖3所示。

圖3 空間電壓矢量

2.3 磁鏈定區

在交流電動機的直接轉矩控制中定子磁鏈矢量可由式(3)得出,其在開關磁阻電動機中同樣適用。

式中:ψs為定子磁鏈矢量;v為定子電壓矢量;i為定子電流矢量;R為定子電阻。

為了將不斷變化的磁鏈控制在滯環內,控制器需不斷地從6個電壓矢量中選出一個來滿足這種情況。定子電壓矢量可用來控制定子磁鏈矢量(特別是在低壓時,這時定子電阻可忽略)[5],如果電壓作用時間足夠短,式(3)可寫為:

可見定子磁鏈的方向與定子電壓的方向一致,定子磁鏈幅值的大小與定子電壓的幅值和作用時間有關。如果定子磁鏈在第K區,選擇vK+1和vK-1可增加定子磁鏈幅值,選擇vK+2和vK-2可減小定子磁鏈幅值,選擇vK+1和vK+2可增加轉矩,選擇vK-1和vK-2可減小轉矩。控制第K區定子磁鏈和電機轉矩的開關表如表1所示,在表中?表示增加,?表示減小。

表1 開關表

為了把磁鏈和轉矩控制在滯環內,必須知道瞬時的磁鏈和轉矩的幅值以及磁鏈所在的區。在交流電機的直接轉矩控制中瞬時磁鏈由式(5)算出,ψs0是定子磁鏈的初始值,對于開關磁阻電動機來說,每相的電流和磁鏈在一個電周期內都回到零,所以ψs0=0。每相的磁鏈幅值隨著時間的變化而變化,但方向始終沿著定子極軸方向。

為了把三相磁鏈矢量整合成一個磁鏈矢量,把三相定子磁鏈所在的三相坐標系轉換成兩相靜止坐標系如圖4所示。

坐標轉換公式:

圖4 α-β坐標系

定子磁鏈ψs的幅值和角度δ:

當ψα＞0,ψβ＞0或ψα＞0,ψβ＜0時,δ=arctan

當ψα＜0,ψβ＞0時,δ=arctan

當ψα＜0,ψβ＜0時,δ=arctan

當ψα=0時,若;若若ψβ=0,δ=0。

3 建模與仿真

3.1 電動汽車直接轉矩控制仿真模型

本文使用的電動汽車直接轉矩控制仿真系統原理圖如圖5所示,系統由電動汽車電機模塊、磁鏈三相到兩相的坐標轉換模塊、磁鏈矢量計算模塊、磁鏈所在區間計算模塊、轉矩比較器和磁鏈滯環比較器、功率變換器的驅動開關表等部分組成。

圖5 電動汽車直接轉矩控制系統原理圖

參照圖5可在Matlab中建立仿真模型,本文選用Matlab模型中的開關磁阻電動機作為電動汽車驅動電機,參數配置為輸出功率60 kW、三相6/4結構,瞬時轉矩值可根據電機轉矩特性查表而得。

3.2 仿真結果分析

圖6 電流斬波控制時的轉矩波形

建立仿真模型后,對直接轉矩控制和電流斬波控制進行了仿真比較。圖6是電流斬波控制在低速時的轉矩脈動,從圖中可看出,轉矩脈動比較大,在一個周期內轉矩的最大值為150 N·m,最小值為20 N·m,而且脈動頻率較高,在電動汽車中應用時會帶來嚴重的機械振動,影響汽車壽命。

圖7是采用直接轉矩控制的仿真結果。圖7a是汽車踏板給定值是12 N·m時的仿真圖,從圖中可看出轉矩被很好地控制在12 N·m上下很小的轉矩脈動范圍內。圖7b是踏板給定值從零秒12N·m至0.1 s 20 N·m變為0.2 s 15 N·m的仿真圖,從圖中可看出,轉矩響應很快,轉矩脈動被控制在給定的轉矩值上下很小的范圍內。這種特性很適合電動汽車。

圖7 直接轉矩控制時轉矩波形

圖8是電流斬波控制與直接轉矩控制的磁鏈軌跡。從圖中可看出,直接轉矩控制的磁鏈軌跡(圖8a)是一個圓形,幅值基本恒定,被限定在滯環內,遠遠好于電流斬波控制的磁鏈軌跡(圖8b)。

圖8 磁鏈軌跡

仿真結果證明,直接轉矩控制能把磁鏈很好地控制在滯環內,磁鏈軌跡為一圓形,這種圓形磁鏈軌跡的控制能降低脈動,而且還能降低電機損耗,整體控制效果明顯好于電流斬波控制,適合于電動汽車有限能量的情況。

電動汽車對轉矩的要求是開環系統,直接轉矩控制很好地滿足了這一要求,直接給定控制轉矩并把轉矩脈動控制在較小的范圍內,滿足具有高性能電子系統的電動汽車要求,而且消除了在低速時劇烈的震動對電動汽車的影響。

4 結 語

直接轉矩控制與電流斬波控制相比轉矩具有可控性,直接轉矩控制是把磁鏈控制在滯環內,產生一個圓形的磁鏈軌跡,這種圓形軌跡的控制可降低電機損耗,而且直接控制轉矩把轉矩控制在滯環內,降低了轉矩脈動,從仿真結果來看其轉矩脈動遠遠小于電流斬波控制產生的轉矩脈動,非常適合具有高性能電子系統的電動汽車控制。

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