異步電機(jī)矢量控制技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

朱修敏,蘭森林,馬　黎,魏　力

(西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院,成都 610039)

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異步電機(jī)矢量控制技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

朱修敏,蘭森林,馬黎,魏力

(西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院,成都 610039)

針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)快速發(fā)展的現(xiàn)狀,研究了電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用,并介紹了異步電機(jī)矢量控制理論及空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)原理,推導(dǎo)了異步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。在Matlab/Simulink下建立了基于SVPWM的異步電機(jī)矢量控制仿真模型,進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,異步電機(jī)定子電流、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小,轉(zhuǎn)速響應(yīng)較快,系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能,可為實(shí)際電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論支撐。

電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng);異步電機(jī);矢量控制;SVPWM調(diào)制

電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)是電動(dòng)汽車(chē)的核心,需要滿(mǎn)足啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣和過(guò)載能力強(qiáng)等基本要求。因此,隨著電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展,蓄電池充放電控制技術(shù)、能量管理技術(shù)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制技術(shù)已逐漸成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)[1-5]。交流異步電機(jī)因具有堅(jiān)固耐用、維護(hù)方便、可靠性高、容量大、調(diào)速范圍寬和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)代交流傳動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。然而,由于異步電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、參數(shù)時(shí)變的非線性對(duì)象,很難對(duì)其進(jìn)行高性能的控制[6]。

1972年,F.Blaschke提出了異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的策略,基本思想是把交流電機(jī)模擬成直流電機(jī)進(jìn)行控制,把磁鏈?zhǔn)噶康姆较蜃鳛樽鴺?biāo)軸的基本方向,采用矢量變換的方法實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈控制的完全解耦,得到類(lèi)似于直流電機(jī)的優(yōu)良動(dòng)態(tài)調(diào)速性能,可使異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有更高的調(diào)速精度、更大的調(diào)速范圍和更快的響應(yīng)速度[7]。異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心包括磁鏈觀測(cè)器和控制器的設(shè)計(jì)。磁鏈觀測(cè)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度能直接影響磁鏈與轉(zhuǎn)矩的解耦控制;控制器的性能可決定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度[8]。同時(shí),采用SVPWM調(diào)制技術(shù),還能達(dá)到轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、諧波成分少、直流母線電壓利用率高的效果。基于此,本文以MATLAB/Simulink環(huán)境作為建模和仿真平臺(tái),搭建了異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型,介紹了控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置,詳細(xì)分析了矢量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理。

1　電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成

目前,電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普遍使用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。蓄電池的電壓通過(guò)雙向Buck-Boost變換器升高,為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量。通過(guò)對(duì)逆變器變頻控制實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的精確控制,從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)。

圖1　電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

2.1兩相靜止坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型

異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程組成[9-10]。一般情況下,電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為

由運(yùn)動(dòng)方程可知,當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí),通過(guò)控制電磁轉(zhuǎn)矩就可以控制電機(jī)的速度變化。

異步電機(jī)的電壓方程為

(1)

式中:定子電壓usαβ=[usαusβ]T,轉(zhuǎn)子電壓urαβ=[urαurβ]T,定子電流isαβ=[isαisβ]T,轉(zhuǎn)子電流irαβ=[irαirβ]T,定子磁鏈ψsαβ=[ψsαψsβ]T,轉(zhuǎn)子磁鏈ψrαβ=[ψrαψrβ]T,它們均為各物理量在αβ兩相靜止坐標(biāo)系下的分量組成的向量,p和ωr分別為微分算子和電機(jī)轉(zhuǎn)子角頻率。則矩陣J滿(mǎn)足下式:

式中:磁鏈的導(dǎo)數(shù)相常稱(chēng)為變壓器電動(dòng)勢(shì),而-ωrJψrsβ項(xiàng)稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)。

異步電機(jī)的磁鏈方程可以表示為

式中:Ls、Lm和Lr分別為定子自感、定子轉(zhuǎn)子間的互感和轉(zhuǎn)子自感;矩陣I為二階單位矩陣。

異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為

由于此處采用了等幅值的坐標(biāo)變換,因此轉(zhuǎn)矩方程中出現(xiàn)了3/2項(xiàng),若采用等功率變換,則無(wú)此項(xiàng)。實(shí)際上,根據(jù)磁鏈方程,可以選擇不同行變量構(gòu)成電磁轉(zhuǎn)矩的各種表達(dá)式。例如,轉(zhuǎn)矩可以用定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈表示為

2.2兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

兩相坐標(biāo)系可以是靜止的,也可以是旋轉(zhuǎn)的。若能夠得到以任意速度旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,則可以涵蓋各種坐標(biāo)系的情況。設(shè)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的M軸相對(duì)于三相靜止坐標(biāo)系a軸的角速度為ωMT,則可以推導(dǎo)出異步電機(jī)在MT坐標(biāo)系下的電壓方程為

其中矩陣A為

轉(zhuǎn)矩方程與運(yùn)動(dòng)方程分別為

3　轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制

3.1轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的原理

磁場(chǎng)定向是異步電機(jī)的矢量控制的關(guān)鍵,通常包括定子磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈和氣隙磁鏈定向。矢量控制根據(jù)磁場(chǎng)位置檢測(cè)方式的不同,又可以分為直接磁場(chǎng)定向和間接磁場(chǎng)定向兩種方式。直接磁場(chǎng)定向方法簡(jiǎn)單,但容易受電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子齒槽的影響,檢測(cè)信號(hào)脈動(dòng)較大。而間接磁場(chǎng)定向不需要觀測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康膶?shí)際位置,是通過(guò)控制轉(zhuǎn)差頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)定向。

在MT坐標(biāo)系下M和T軸是相互垂直且以一定的角速度ωe旋轉(zhuǎn),同時(shí)以旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軸M作為特定的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸,按照轉(zhuǎn)子的全磁鏈?zhǔn)噶喀譺來(lái)定向,即轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向。定子電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向如圖2所示。

圖2　定子電流和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向

由于M軸取向于全磁鏈?zhǔn)噶喀譺軸,T軸垂直于M軸,從而使ψr在T軸上的分量為0,此時(shí),ψr唯一由M軸繞組中電流所產(chǎn)生,因此可知定子電流矢量is在M軸上的分量isM是純勵(lì)磁電流分量,在T軸上的分量isT是純轉(zhuǎn)矩電流分量。由同步旋轉(zhuǎn)下轉(zhuǎn)子磁鏈方程可得,ψr在M-T軸系上的分量可用方程表示為

(2)

通過(guò)式(2)可進(jìn)一步得出

(3)

(4)

式中:ωr為轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度;ωsl為轉(zhuǎn)差角頻率,且有

轉(zhuǎn)子磁鏈由M軸定子電流控制,因此isM又稱(chēng)為定子電流勵(lì)磁分量或勵(lì)磁電流。轉(zhuǎn)子磁鏈與勵(lì)磁電流之間的傳遞函數(shù)為一階慣性環(huán)節(jié),其時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)Tr=Lr/Rr。當(dāng)勵(lì)磁電流突變時(shí),轉(zhuǎn)子磁鏈的變化要受到勵(lì)磁慣性的阻撓,這與直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組的慣性是一致的。穩(wěn)態(tài)時(shí)有

ψrd=LmisM

將式(4)作進(jìn)一步處理可得轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向下轉(zhuǎn)矩為

轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制的關(guān)鍵是要得到轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆岛臀恢?從而可以實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的解耦控制,其控制框圖如圖3所示。

圖3　異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖

3.2任意兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系MT上轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型

兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型如圖4所示。

圖4　兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型

由圖4可知,定子三相電流isa、isb、isc經(jīng)Clark變換可得MT坐標(biāo)系上的電流isM和isT,再借助式(3)、(4)可得ωsl和ψr,將ωsl和ψr加上實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速ω,可得定子頻率信號(hào)ωs,再將ωs進(jìn)行積分運(yùn)算可得轉(zhuǎn)子磁鏈相位角θ。該計(jì)算模型具有較高的計(jì)算準(zhǔn)確度,且適合計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)計(jì)算。

4　仿真分析

整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型主要包括速度控制器、電流控制器、IGBT逆變器、異步電機(jī)和反饋電路。其參數(shù)如下:額定相電壓220 V、額定頻率為50 Hz,定子電阻為0.087 Ω、定子漏感為0.8×10-3H,轉(zhuǎn)子電阻為0.228 Ω,轉(zhuǎn)子漏感為0.8×10-3H、勵(lì)磁電感為34.7×10-3H、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.862、極對(duì)數(shù)為2。

為了驗(yàn)證仿真模型的有效性,進(jìn)行了如下仿真實(shí)驗(yàn):電機(jī)在負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=300 N·m啟動(dòng),給定轉(zhuǎn)速為n*=500 r/min;當(dāng)t=1.5 s時(shí),轉(zhuǎn)速達(dá)到1000 r/min;當(dāng)t=2 s時(shí),加負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=500 N·m。仿真結(jié)果如圖5～8所示。

圖5　A相定子電流仿真波形

圖6　轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形

圖7　轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形

圖8　轉(zhuǎn)子磁鏈幅值波形

從圖5～8可以看出,電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠快速到達(dá)穩(wěn)定,1 s轉(zhuǎn)速指令增大后,電機(jī)仍然以恒轉(zhuǎn)矩方式加速,直至達(dá)到新的轉(zhuǎn)速值。2 s后負(fù)載轉(zhuǎn)矩由300 Nm變?yōu)?00 Nm,響應(yīng)速度較快,且轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)幅值較小,具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

5　結(jié)　語(yǔ)

本文介紹了典型的電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成及工作原理,重點(diǎn)分析了異步電機(jī)矢量控制技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用,建立了矢量控制的數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。利用Matlab/Simulink工具箱,搭建了異步電機(jī)直接矢量控制系統(tǒng)的仿真模型,并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。其結(jié)果驗(yàn)證了該控制模型具有良好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。

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Application of asynchronous motor vector control system based on drive system of electric vehicle

ZHU Xiumin, LAN Senlin, MA Li, WEI Li

(School of Electrical Engineering and Electronic Information, Xihua University, Chengdu 610039,China)

Aiming at the rapid development of electric vehicle, the author studied the application of motor drive and its control technology in electric vehicle, introduced the control theory of vector control system and the principle of voltage space vector pulse width modulation, derived the mathematics model of asynchronous motor in static coordinate and rotating coordinate. Vector control system was modeled and simulated with MATLAB/Simulink software. The simulation results show that the fluctuation of stator current and electromagnetic torque are low, with fast speed response. The system, having good static and dynamic performance, can provide theoretical support for the design of electric vehicle drive motor control system.

electric vehicle drive system; asynchronous motor; vector control; SVPWM modulation

2016-01-08;

2016-05-15。

西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(ycjj2016054)。

朱修敏(1990—),男,碩士研究生,主要從事電力電子控制技術(shù)方面的研究。

TM343

A

2095-6843(2016)03-0239-04