電傳動裝甲車輛發動機-發電機組建模與仿真研究

劉春光，項 宇，劉越戰

(1.裝甲兵工程學院 全電化技術重點實驗室，北京 100072；2.太和縣馬集鄉農業綜合服務站，阜陽 236600)

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電傳動裝甲車輛發動機-發電機組建模與仿真研究

劉春光1，項 宇1，劉越戰2

(1.裝甲兵工程學院 全電化技術重點實驗室，北京 100072；2.太和縣馬集鄉農業綜合服務站，阜陽 236600)

發動機-發電機組是電傳動裝甲車輛的核心部件，建立其仿真模型對電傳動技術研究具有重要意義，其較強的非線性特性大大增加了其建模仿真難度。通過采用實驗數據與控制理論相結合的方式建立了發動機穩態模型。基于發電機時變參數建立其仿真模型，設計了整流穩壓及弱磁控制方案。通過仿真與臺架試驗驗證了部件及機組模型的可靠性。

電傳動裝甲車輛；發動機-發電機組；建模仿真

0 引 言

當前，全電戰斗車輛成為裝甲車輛發展方向[1]，而電傳動技術是全電化的基礎。由于當前儲能技術還不能滿足車輛行駛、防護、火力等系統的電力需求，發動機-發電機組仍然是電傳動車輛的主能量源[2-3]，發揮著不可代替的作用，與動力電池和超級電容一起為各類用電設備提供電力。負載在多動力源之間的分流控制是電傳動領域研究的關鍵技術之一[4]，建立發動機-發電機組模型，能夠為研究主動力源和輔助動力源的優化控制提供基礎。本文將在MATLAB/Simulink環境下，建立發動機-發電機組的仿真模型，并對模型進行驗證。

1 發動機建模

發動機工作過程受多種因素影響[5]，依據發動機原理的建模過程過于復雜，而根據實驗數據、公式法等方式描述發動機工作特性的建模方法較適用于控制策略研究。因此，本文根據發動機實驗數據及其油門調節原理建立其動態仿真模型。

1.1 發動機穩態模型

對發動機臺架試驗獲得的發動機穩態輸出數據進行擬合，結果用于模擬發動機穩態條件下的輸入輸出特性。對數據的學習方法較多，但是各種方法的學習精度不同，其中神經網絡學習精度高[6-7]，適用于發動機穩態數據學習。

設計雙輸入、單輸出，含有一個隱含層的BP神經網絡，輸入為發動機油門和轉速，輸出為發動機轉矩，如圖1所示。網絡訓練迭代次數1000，學習率0.1，訓練目標0.000 1。

圖1 神經網絡拓撲結構

利用測得的發動機臺架數據對神經網絡進行訓練，選取部分實驗數據對網絡學習結果進行測試。測試結果如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可知，網絡預測輸出與實際輸出相近，預測誤差在1%以內，學習精度較高。發動機轉速、油門開度、轉矩關系如圖4所示，作為發動機穩態模型。

圖2 測試結果圖3 測試誤差

圖4 轉速-油門開度-轉矩關系

1.2 發動機動態模型

在發動機穩態模型的基礎上，用發動機轉矩方程描述發動機在各工作點間的調整過程，兩者相結合可構成發動機動態模型。

(1)

式中：T為軸輸出轉矩；Tem為發電機電磁轉矩；T0為空載轉矩；J為轉動慣量；D為發動機軸的摩擦系數。

圖5為發動機模型。與發動機實際調速控制相同，通過速度閉環PID控制器調節油門大小，實現對發動機轉速的控制，跟蹤給定轉速。τ為控制系統的響應時間。

圖5 發動機模型

1.3 發動機模型測試

在恒定負載條件下，測量發動機目標轉速階躍變化時的轉速調整時間，仿真和實驗結果對比如表1 所示。

表1 仿真與實驗結果對比

由表1可知，發動機轉速調整時間仿真值與實測值差值基本上在0.1s以內，在可接受范圍之內。

2 發電機建模

2.1 發電機模型

發電機為永磁同步發電機，為更加準確地體現發電機運行特性，考慮電動機參數時變特性，建立在旋轉坐標系下的永磁同步發電機數學模型[7]：

(2)

式中：Ud，Uq，id，iq，Ld，Lq分別是定子電壓、電流、電感的d，q軸分量；p為極對數；ωr為電機的電角速度；ψf為轉子磁鏈；Tem為電磁轉矩。f1，f2為電感Ld，Lq與直交軸電流id，iq的函數。

在實際運行中，定子電流增大會引起磁路飽和，導致交直軸電感發生變化，如圖6所示，致使電機實際轉矩與不計飽和情況下的輸出轉矩存在差異。

圖6 交直軸電感與電流關系

通過有限元仿真獲得考慮磁鏈飽和情況下的發電機最大轉矩和交直軸電流關系，如圖7所示，用于最大轉矩電流比(MPTA)控制。

圖7 最大轉矩和交直軸電流關系

2.2 發電機控制方案

圖8為發電機穩壓控制方案。發動機起動后，發動機調速至怠速800 r/min，發電機開始調壓發電，此過程中轉速較低，不需進行弱磁控制，采用MTPA控制策略。發電時采用雙閉環控制模式，電壓外環，電流內環，實現對直流側母線電壓的控制；當電機轉速過高時，電機反電勢增加，為了控制母線電壓，采用電壓反饋弱磁控制策略。

弱磁控制方案如圖8中弱磁控制模塊所示。矢量控制輸出的d,q軸參考電壓被反饋回來，其幅值與電壓限值進行比較，當其小于電壓限值時，弱磁模塊不起作用。當其大于電壓限值時，PI4被激活，得到d軸電流偏移量，增大弱磁電流。d軸最大弱磁電流為電機短路電流。弱磁時，修正q軸電流限幅，使電流幅值不超過電流限值。

圖8 發電機弱磁控制方案

3 仿真驗證

3.1 模型驗證

在發電機不控整流、空載模式下，控制發動機轉速在0～1 500 r/min范圍內(發電機反電勢過高，因此為保證安全，控制發動機轉速在1 500 r/min以內)，記錄整流器直流側電壓。在相同的轉速給定條件下，測量發動機-發電機組模型不控整流時的直流側電壓，轉速與整流器關系曲線如圖9所示。

圖9 不控整流時轉速與直流側電壓關系

由圖9可知，不控整流模式下，發電機整流器直流側電壓隨轉速的增大而增大，當轉速為1 400 r/min時，直流側電壓達到了約830 V。在相同轉速給定下，整流器直流側電壓仿真值與實測值變化趨勢相同，兩者比較接近。

同時，在800 r/min和1 200 r/min時發電機交流側AB相線電壓實測值與仿真值對比結果如圖10所示，AB相電壓仿真值與實測值接近但存在一定誤差，這一誤差是直流側電壓不同的主要原因，引起這種誤差的因素可能是：模型的簡化，模型參數與實際參數存在誤差。然而，線電壓和直流側電壓仿真值與實測值差距不大，在可接受范圍內。

(a)800r/min時結果對比(b)1200r/min時結果對比

圖10AB相線電壓實測值與仿真值對比

3.2 控制方案驗證

發動機-發電機組及其控制系統實物臺架試驗條件：發電機整流器在800 r/min以上轉速可控整流發電，800 r/min以下不控整流；可控整流時目標電壓750 V；發動機轉速在0～2 100 r/min范圍內變化；直流側負載為電阻箱。采用相同的試驗條件進行發動機-發電機組及其控制系統模型仿真，試驗結果及對比如圖11所示。

(a)轉速變化曲線(b)負載電流及直流側電壓

圖11 實測與仿真結果

由圖11可知，電機轉速在允許范圍內變化以及在相同的負載變化條件下，模型和實物樣機都能實現750 V穩壓功能。臺架試驗中最大負載91 kW時，直流側電壓波動±5 V，仿真中直流側電壓波動±4 V。仿真中的交軸和直軸電流如圖12所示，其變化趨勢與實際相符。

圖12 交/直軸電流變化曲線

上述不控整流和可控整流試驗分別證明了建立的發動機-發電機模型的可靠性以及發電機控制系統模型的可靠性。

4 結 語

本文立足于解決電傳動裝甲車輛發動機-發電機組建模難題。建立了發動機動態模型與發電機變參數數學模型，完成穩壓發電和弱磁控制方案設計。仿真結果與臺架試驗數據對比表明，建立的發動機-發電機組模型精度較高，能夠滿足研究需求，為進一步開展多動力源優化控制研究奠定基礎。

[1] 廖自力，馬曉軍，臧克茂,等.全電戰斗車輛發展概況及關鍵技術[J].火力與指揮控制,2008,33(5)：1-4.

[2] 孫逢春，張承寧.裝甲車輛混合動力電傳動技術[M].北京：國防工業出版社，2008:71-72.

[3] 李華.混合動力裝甲車輛電驅動系統控制策略研究與仿真[D].北京：裝甲兵工程學院,2006.

[4] 劉春光，初華.戰車電傳動能量管理策略研究[C]//全電戰斗車輛發展趨勢及關鍵技術研討會論文集.金華:全電戰斗車輛技術研討會，2010:55-57.[5] 劉秋麗，劉春光.電傳動車輛發動機建模方法[C]//全電戰斗車輛發展趨勢及關鍵技術研討會論文集.金華:全電戰斗車輛技術研討會,2010:477-478.

[6] 張乃亮，閻平寬.神經網絡與模糊控制[M].北京：清華大學出版社，1998:10-12.

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Modeling and Simulation Research on Engine-Generator Set for Electric Drive Armored Vehicle

LIUChun-guang1,XIANGYu1,LIUYue-zhan2

(1.Key Laboratory of All-Electric Technology，Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China 2.Maji Agricultural Service Station，Fuyang 236600，China)

Engine-generator set is the core component of electric drive armored vehicle, establishing its simulation model is of great significance for electric drive technology research, but its strong nonlinear characteristics have greatly increased the difficulty of modeling and simulation. In this paper, by the combination of the experimental data and the control theory the engine steady state model was established. Based on time-varying parameters to establish the generator simulation model was established, and the rectifier voltage regulator and weak magnetic control scheme were designed. Simulation and bench test verify the feasibility of the model.

electric drive armored vehicle; engine-generator set; modeling and simulation

2016-01-18

TM351

A

1004-7018(2016)06-0010-03