基于勵磁改進型矢量控制的車用交流感應電機啟動控制研究

李軍偉，蔡良生, 高 松

(山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049)

基于勵磁改進型矢量控制的車用交流感應電機啟動控制研究

李軍偉，蔡良生, 高 松

(山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255049)

為解決電動車用交流感應電機(ACIM)啟動時出現的大電流、小轉矩問題，提出勵磁改進型矢量控制的新方法,從ACIM控制策略角度考慮解決啟動問題。在MMATLAB/SIMULINK環境下建立了ACIM改進前后的轉子間接磁鏈定向矢量控制仿真模型和嵌入式自動代碼生成模型。先進行仿真調試，再生成針對TI公司C28x系列DSP的C代碼，手工編寫TMS320F28335的底層驅動程序，在開發環境Code Composer Studio中完成了上層控制算法和底層驅動程序代碼的集成，并將代碼燒寫到以TMS320F28335為核心的電機控制器中進行啟動實驗。對改進前后的控制策略進行仿真和實驗對比。仿真和實驗的結果表明：采用勵磁改進型矢量控制的方法能夠使ACIM在啟動中降低啟動電流并迅速提高啟動扭矩。該方法比從啟動設備和硬件結構上改進的常規方法更加節約成本，提高效率。

機電工程；交流感應電機；啟動方式；矢量控制；軟件仿真

0 引 言

ACIM具有低成本、高可靠性、免維護等特性，被廣泛應用于工業生產和新能源電動汽車上。ACIM同樣面臨選型、啟動、綜合保護等諸多問題[1]。這些問題將嚴重限制ACIM的使用范圍。ACIM啟動時往往會出現啟動電流大、啟動轉矩小等問題。評價ACIM的啟動性能與直流電機一致，關鍵是對電機啟動輸出轉矩的有效控制和對電機啟動電流的有效抑制[2]。

現有的ACIM啟動方法中降壓啟動、直流電機帶動ACIM啟動、軟啟動器和變頻器輔助啟動較為普及[3-5]。但是這些方法都是從啟動設備或者硬件結構的改進上來解決ACIM啟動問題，從開發的角度講，增加了開發成本。矢量控制技術問世以來，人們一般集中于研究電機的穩態運行，而忽略了對啟動方法的研究[6-7]。從ACIM控制策略角度考慮，提出在矢量控制的基礎之上進行改進，通過先勵磁再輸出轉矩的方法抑制啟動瞬態電流，瞬速提升電機的啟動轉矩。相對于傳統以啟動儀器和硬件改進的方法來實現啟動而言，這種軟件的改進方法效率更高，成本更低，為更加完善的ACIM啟動策略提供了一種新思路。

1 矢量控制電機啟動

1.1 ACIM同步旋轉坐標系動態數學模型推導

以ACIM磁鏈開環轉差型矢量控制為啟動策略改進的軟件平臺，其基本思想就是將交流感應電機等效成直流電機進行控制，獲得與直流電機相似的調速性能。此種矢量控制結構是基于轉子磁鏈定向的同步旋轉坐標系來實現的。

為簡化ACIM復雜的原始三相數學模型，首先通過坐標變換將靜止的三相坐標系變換至兩相靜止坐標系，再推廣至任意旋轉坐標系中。其變換過程如圖1，圖2。

圖1 定子兩相靜止坐標系及轉子兩相旋轉坐標系Fig.1 Stator two-phase stationary coordinate system and rotor two-phase rotating coordinate system

圖2 定子及轉子兩相坐標系到任意旋轉坐標系的變換Fig.2 Conversion to any rotating coordinate system from stator and rotor two-phase coordinate system

首先，對原始三相坐標系進行坐標變換的運算，得到任意旋轉坐標系下磁鏈方程為：

(1)

電壓方程為

(2)

轉矩方程為

Te=npLm(isqird-isdirq)

(3)

運動方程為

(4)

由式(1)的第3、第4行可以解出：

(5)

將式(5)代入式(1)的第1、第2行可以解出：

(6)

將式(5)代入式(3)整理得：

(7)

采用的ACIM為鼠籠式轉子，其內部結構短路，因此，令urd=urq=0，代入式(2)，電壓方程整理得：

(8)

將式(5)、式(6)代入式(8)，消去ird，irq，ψsd，ψsq再將轉矩方程(3)代入運動方程(4)，經整理后得任意旋轉坐標系下狀態方程：

(9)

確定的磁鏈開環轉差型矢量控制采用按轉子磁鏈定向的同步旋轉坐標系，因此，需要在任意旋轉坐標系的基礎之上，令：

(10)

將公式(10)帶入到任意旋轉坐標系狀態方程(9)中。最終可以求得磁鏈開環轉差型矢量控制在同步旋轉坐標系下的狀態量如下：

轉子磁鏈為

(11)

轉差角頻率為

(12)

磁鏈位置的估算:

(13)

等幅值變換下的電磁轉矩為

(14)

式中：isd，isq，ird，irq分別為定子和轉子電流的勵磁和轉矩分量；usd，usq，urd，urq分別為定子和轉子電壓在同步旋轉坐標系d,q軸上的分量；ψsd，ψsq，ψrd，ψrq分別為定子和轉子磁鏈在d,q軸上的分量；Rs和Rr分別為定子和轉子電阻；ψr為轉子磁鏈；Ls和Lr分別為定子和轉子兩相繞組自感；Lm為定子與轉子同軸等效繞組間的互感；Te為電磁轉矩；TL為負載轉矩；J為轉動慣量；np為極對數；σ為漏磁系數；Tr為轉子電磁時間常數；p為微分算子；θ為磁鏈位置角度；ωs為轉差角頻率。

根據推導出的磁鏈和轉矩公式(11)、公式(14)可知，磁鏈開環轉差型矢量控制在同步旋轉坐標系下可以實現勵磁和轉矩的解耦控制，轉子磁鏈ψr穩態運行時只受等效勵磁電流id的影響。只要能夠保證磁鏈的穩定，通過調節等效轉矩電流iq就能夠有效地調節ACIM電機的輸出轉矩，實現穩定的矢量調速控制。

由式(14)簡化的最終形式可知，轉矩在勵磁電流id穩定的前提下取決于電機的轉差頻率。在運行狀態發生突變的動態過程中，如電機的啟動過程，因為電機中出現了暫態電流，其阻礙了運行狀態的突變，因此電機的轉矩出現了偏差，響應出現遲滯。為了解決這一問題，可以先保證電機定子磁場、轉子磁場或者氣隙磁場中有的一個始終保持不變。這樣電機的輸出轉矩即使在啟動過程中也會和穩態運行時一樣，主要由轉差決定。根據這一轉換思想，磁鏈開環轉差型矢量控制以定子電流的幅值、相位和頻率為控制量，保持電機的旋轉磁場大小不變，而改變磁場的旋轉速度，這樣便可得到無延時的轉矩響應。此種控制策略可以在接近零速的系統中穩定運行，轉矩響應快，系統動態過程短[8]。因此，該控制方法可以作為ACIM啟動控制策略開發的軟件平臺。

1.2 矢量控制勵磁改進方案的提出

采用磁鏈開環轉差型矢量控制策略啟動電機時，電機啟動瞬間，磁場定向通常是不準確的。因此，在相同幅值的啟動電流下電機不能夠以最快的響應達到最優的轉矩迅速啟動電機。針對這一問題，在電機啟動時，可以保持旋轉磁場的大小不變，即保持勵磁電流分量為定值(電機運行狀態進入弱磁之前)。啟動瞬間，轉子轉速為0，轉差率達到最大，此時，可以將電機的啟動過程看作給定了峰值轉矩，并由PID進行閉環調節的控制結構。此種狀態下，即便初始磁鏈定向不準確，由于PID的調節作用，電機也會迅速達到其峰值轉矩。轉速提升的過程中，磁鏈估算逐漸準確，轉矩的動態響應也進一步加快。盡管如此，PID調節的過程雖然短暫，但是并不等同于電機瞬間輸出最大轉矩。因此，實際啟動效果仍需搭建臺架試驗平臺進一步驗證。同時，啟動大電流問題始終無法避免，會對電機所在電網造成沖擊，影響電網中其他電氣設備的正常工作[9]。針對這一問題，很多研發人員提出降壓處理的方法。

根據ACIM的T形等效電路計算電磁轉矩為

(15)

轉差率s=1時所對應的轉矩為啟動轉矩，用Tst表示。它可以反應電機的啟動能力。將s=1代入式(15)得：

由式(16)可知，電機轉子電阻不變時，啟動轉矩與定子相電壓的平方成正比。如果為了降低啟動電流而采取降壓處理，啟動轉矩將會大幅度降低，進而影響ACIM帶載啟動性能。因此，ACIM作為電動汽車的驅動電機而言，通過降壓啟動來降低啟動電流的方法是不可取的，這樣會直接影響到電動汽車的動力性。

對此，筆者提出對磁鏈開環轉差型矢量控制策略的改進方案。對于ACIM而言，啟動過程包括建立磁場和輸出轉矩兩部分[10]。鼠籠式電機要求磁通、轉矩快速達到穩態，而轉速輸出相對慢一些。根據ACIM電磁轉矩方程(14)可知，磁通為自變量，轉矩為因變量。因此，在啟動時，可以調節磁通使其幅值在最短的時間內達到參考值，再輸出轉矩。矢量控制已經實現了勵磁和轉矩的解耦控制。從控制啟動電流的角度，將磁場的建立和轉矩的提升分階段來完成，可以避免勵磁電流分量和轉矩電流分量同時出現峰值。以此種控制策略啟動電機，只要能夠限制勵磁電流，就可以有效地控制系統啟動電流的大小。從控制啟動轉矩的角度，磁鏈穩定后立即輸出轉矩，轉矩可近似無延時響應，電機能夠瞬間輸出最大轉矩克服負載啟動電機。車用驅動電機啟動性能的提升同樣是電動汽車動力性增強的體現。

2 ACIM啟動SIMULINK仿真

2.1 勵磁改進前后矢量控制SIMULINK建模

根據坐標變換邏輯，推導出的同步旋轉坐標系下轉子磁鏈、轉差角頻率、磁鏈位置、電磁轉矩公式(11)～公式(14)以及電壓空間矢量脈寬調制邏輯，建立磁鏈開環轉差型矢量控制仿真模型，如圖3。

圖3 ACIM按轉子磁鏈開環轉差型矢量控制仿真模型Fig.3 Simulation model of ACIM flux open loop slip vector control

針對ACIM啟動問題，對圖3中的仿真模型作出改進。增加磁鏈幅值判斷模塊，判斷磁鏈幅值是否到達給定值并保持穩定。為了防止啟動后運行狀態進入弱磁區域，不符合啟動時的磁鏈幅值判斷邏輯，可加上轉速判斷模塊。當轉速達到100 r/min，切換至穩態運行模式，不再延用勵磁改進后的啟動限流控制策略。改進模型如圖4。仿真時的電機性能參數設置如表1。

表1 ACIM啟動仿真性能參數

仿真時給定勵磁電流id=12 A；轉速s=800 r/min；母線電壓Ud=520 A；SVPWM更新周期T=0.1ms；啟動負載均設為60 N·m。將給定勵磁電流分量、給定轉速、電機性能參數代入等幅值變換下的電磁轉矩公式(14)中，可以求得仿真時，啟動的峰值轉矩為141.92 N·m。

2.2 勵磁改進前后ACIM啟動仿真結果對比及分析

對改進前后的磁鏈開環轉差型矢量控制模型進行仿真，得出改進前仿真結果如圖5～圖6，改進后如圖7～圖8。

圖5 按轉子磁鏈開環轉差型矢量控制啟動轉矩響應Fig.5 Response of starting torque for flux open loop slip vector control

圖6 按轉子磁鏈開環轉差型矢量控制啟動單相電流響應Fig.6 Single phase current response in the start for flux open loop slip vector control

通過對改進前后模型的仿真結果對比可知，同樣的啟動負載下啟動電機，改進前的矢量模型，電機的輸出轉矩存在一個由小到大逐漸提升的過程。該過程持續0.3 s的仿真時間，如圖5。電機帶載啟動的情況下，這樣的轉矩響應很難使電機以足夠的轉矩啟動，電機往往會出現長時間抖動甚至堵轉的現象，并長時間維持峰值電流，加大繞阻損耗，嚴重情況會出現電機瞬間發熱燒毀線圈的現象。圖6即為此種狀態下電機的單相電流波形，啟動初期電流幅值迅速達到峰值，并且抖動頻率較高。

改進后的矢量模型，電機在磁鏈達到穩態值之前輸出轉矩一直為0 N·m，判定磁鏈穩定后，仿真時間在0.2 s處，輸出轉矩直接由0 N·m迅速提升至峰值轉矩，如圖7。該轉矩的提升時間比改進前依靠PID調節提升扭矩的過程更短，克服啟動負載提升轉速的效果更加明顯。圖8為勵磁改進后電機的單相電流波形，與圖7中對應，仿真時間在0.2 s之前。根據磁鏈判斷邏輯，磁鏈幅值未達到穩態值，通過限制轉矩電流分量來限制轉矩的輸出。因此啟動仿真時，在0～0.2 s電流幅值很小并且波形穩定。相對于改進前的仿真效果而言，啟動電流得到了很明顯的抑制。

圖7 勵磁改進后轉差型矢量控制啟動轉矩響應Fig.7 Response of starting torque for field improved slip vector control

圖8 勵磁改進后轉差型矢量控制啟動單相電流響應Fig.8 Single phase current response in the start for field improved slip vector control

3 基于DSP的ACIM的啟動實驗

3.1 ACIM勵磁改進后矢量控制策略嵌入式代碼生成模型的建立和自動代碼的生成

根據改進后的矢量控制策略，建立ACIM勵磁改進型矢量控制嵌入式自動代碼生成模型[11]，如圖9。

建模完成之后，采用RTW工具箱使SIMULINK模型生成針對TI公司C28x系列DSP的C代碼[12-14]。由于控制器逆變器部分采用MOSFET功率管，其開關頻率為20 kHz，因此，程序中執行中斷的頻率不可高于該頻率。將執行步長設置為0.000 05，即執行周期為50 μs。根據主控芯片類型設置硬件平臺為Texas Instrument C2000。對RTW進行配置時，選擇ert.tlc作為目標文件，這樣所生成的代碼緊湊、高效，占用的內存較少。勾選Report選項，生成代碼報告，以方便后期的檢查。完成配置后，單擊build按鈕，生成相應的控制代碼。

圖9 ACIM勵磁改進型矢量控制自動代碼生成模型Fig.9 Automatic code generation model of ACIM field improved vector control

將自動生成的上層控制代碼和手工編寫TMS320F28335底層驅動程序在開發環境Code Composer Studio中進行集成，并編譯、燒寫和運行，結合硬件平臺進行調試。

3.2 實驗平臺的搭建及數據處理

完成ACIM勵磁改進型矢量控制嵌入式自動代碼生成之后，將集成好的工程控制代碼燒寫到以車用級TMS320F28335芯片為核心的電動車用電機控制器中。對ACIM勵磁改進前后的矢量控制系統進行啟動實驗分析。

實驗平臺搭建裝置主要包括：交流感應電機、測功機、功率電源、上位機、開發環境主機、基于TMS320F28335核心控制板的MOSFET型電機控制器等。試驗平臺如圖10。

圖10 ACIM啟動實驗調試平臺Fig.10 Debugging platform of ACIM starting experiment

采用ACIM銘牌參數如表2。

表2 ACIM銘牌參數

采用Code Composer Studio開發環境的數據導出功能，將勵磁改進后ACIM矢量控制系統啟動轉矩和勵磁直軸電流id響應實驗數據導出(由于改進前的矢量控制系統在啟動瞬間輸出轉矩過小，電機發熱并出現劇烈抖動，功率電源長時間維持大電流輸出。為防止燒壞電機線圈，數據不方便采集，因此，此處只采集勵磁改進后矢量控制實驗的數據)，運用MATLAB數據導入功能將數據導入并作出相應Plot圖形，如圖11～圖12。

圖11 勵磁改進后轉差型矢量控制啟動實驗轉矩響應Fig.11 Response of torque in the starting experiment for field improved slip vector control

圖11為勵磁改進后ACIM矢量控制啟動轉矩響應。本次實驗只為初步驗證改進后矢量控制系統的帶載啟動能力，因此根據式(14)通過給定合適的勵磁電流和轉速，將啟動時的峰值轉矩設為22 N·m，測功機施加負載轉矩只設為2.5 N·m。電機啟動時，磁鏈達到穩態值之前轉矩輸出近似為0 N·m，磁鏈穩定之后電機瞬間輸出峰值轉矩，并出現超調現象，轉矩上升達到25 N·m，克服啟動負載迅速并平穩地啟動電機。該實驗結果同樣驗證了勵磁改進型矢量控制仿真結果的正確性，達到了磁鏈改進策略對啟動轉矩輸出的預期效果。圖12為ACIM勵磁改進型矢量控制直軸勵磁電流id給定值為0.2(本矢量控制系統為標幺化系統，此處為標幺值)時的響應曲線。電機啟動瞬間，限制轉矩電流分量輸出為0 A，對直軸勵磁電流id實現有效控制，其響應迅速、穩定、無超調、穩態誤差小，功率電源在電機啟動瞬間輸出電流小。該實驗結果達到了勵磁改進策略對啟動大電流有效抑制的預期效果。

圖12 勵磁改進后轉差型矢量控制啟動實驗直軸電流響應Fig.12 Response of direct axis current in the starting experiment for field improved slip vector control

4 結 語

針對電動車用ACIM啟動問題，從ACIM控制策略的角度考慮，提出了一種勵磁改進型矢量控制的新方法。以ACIM矢量控制和電磁轉矩數學模型推導和分析為基礎，結合ACIM勵磁改進前后啟動控制的仿真和實驗進行對比分析，采用勵磁改進后的矢量控制策略啟動電機，啟動轉矩大并且響應迅速，啟動電流小，啟動時間短。該方法滿足新能源電動汽車對驅動電機啟動性能的要求，為新能源電動汽車驅動電機啟動控制策略的進一步研究與開發提供了理論參考。

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(責任編輯 朱漢容)

Study on AC Induction Motor for Vehicles Start ControlBased on Field Improved Vector Control

LI Junwei，CAI Liangsheng，GAO Song

(School of Transportation & Vehicle Engineering,Shandong University of Technology, Zibo 255049, Shandong，P.R.China)

In order to solve the problem of the AC Induction Motors(ACIM)for electric vehicles started with a large current and a small torque, a new method of field improved vector control was proposed to solve the startup problem from the viewpoint of ACIM control strategies. Both of the original and the improved model for ACIM ware established in Matlab/Simulink environment,including the rotor indirect field oriented vector control simulation and embedded automatic code generation model. Simulation debugging was carried out firstly, and then C code which was for TI Company C28x series DSP was generated, the bottom hardware driver of TMS320F28335 was written manually, integration of the upper control algorithm and the underlying drive was completed in the development environment of Code Composer Studio. Test of startup was conducted by loading consolidated control code into the motor controller which considered TMS320F28335 as its core. The original and the improved control strategy ware compared by simulation and experiment. Simulation and experimental results show that: using the method of field improved vector control, it enables ACIM to reduce the starting current and increase starting torque rapidly during period of startup. Compared with traditional conventional methods, more cost can be saved more and efficiency can be improved by the new method which improves both the boot device and the hardware structure .

electromechanical engineering; AC induction motors; startup mode; vector control; software simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.20

2015-12-29；

2016-03-15

山東省自然科學基金(面上項目)(ZR2015EM054)；山東省重點研發計劃項目(2015GGX105009)

李軍偉(1964—)，男，河南平頂山人，教授，博士，主要研究方向：汽車電子與電動汽車驅動技術。E-mail：ljwhitt@163.com。

蔡良生(1991—)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要研究方向：汽車電氣與電動車技術。E-mail：15152350579@163.com。

TM343

A

1674-0696(2017)02- 115- 08