基于新型TSF的車用SRM直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制

甘伸權(quán),王 軍,宋瀟瀟,陶天偉,唐 靜

(西華大學(xué),成都610039)

0 引 言

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱SRM)作為一種新型調(diào)速電機(jī),具有調(diào)速范圍廣、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、效率高、可頻繁起停等優(yōu)點(diǎn)。加之其易于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)的切換,SRM已成為了一種極具潛力的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)。但SRM的非線性和開關(guān)形式的供電電源會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲,從而降低電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能和乘坐舒適性,影響了它在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。目前,常用的SRM控制方法有:電流斬波控制(以下簡(jiǎn)稱CCC)、角度位置控制(以下簡(jiǎn)稱APC)和電壓斬波控制(以下簡(jiǎn)稱CVC)等。從效果上看,這些方法難以對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩做到精確控制。

直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制(以下簡(jiǎn)稱DITC)是將檢測(cè)到的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行反饋,直接參與到對(duì)電機(jī)的控制中,以提高轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的抑制能力。目前,基于DITC的SRM控制系統(tǒng)已在傳動(dòng)機(jī)械、礦山機(jī)械、紡織工業(yè)、家用電器等多個(gè)領(lǐng)域得到了運(yùn)用。轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)(以下簡(jiǎn)稱TSF)是DITC控制方法的核心,選取恰當(dāng)?shù)腡SF是提高控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。文獻(xiàn)[3-4]采用了傳統(tǒng)的余弦型TSF,但為了保證輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn),要求轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)之和為1,限定了開通角只能是相鄰兩相的相位差;文獻(xiàn)[5-6]則通過(guò)在線調(diào)節(jié)開通角提高系統(tǒng)的性能,但由于調(diào)節(jié)過(guò)程中開通角不等于相鄰兩相的相位差,違背了轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)之和為1的原則。除此之外,文獻(xiàn)[7]提出了電流補(bǔ)償策略優(yōu)化分配函數(shù);文獻(xiàn)[8]采用交叉反饋控制法改進(jìn)分配函數(shù);文獻(xiàn)[9]則提出了一種滯環(huán)補(bǔ)償性TSF。這些文獻(xiàn)雖然對(duì)傳統(tǒng)的TSF都提出了改進(jìn),但并沒(méi)有解決開通角不可調(diào)的問(wèn)題,無(wú)法有效改善DITC控制方式的效果,限制了SRM的應(yīng)用范圍。

本文以電動(dòng)汽車為對(duì)象,提出了一種基于新型TSF的改進(jìn)型直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制(以下簡(jiǎn)稱IDITC)方法,并以此構(gòu)建了車用SRM的調(diào)速控制系統(tǒng)。從理論上分析了新型TSF與傳統(tǒng)分配函數(shù)的區(qū)別,研究了它相比傳統(tǒng)分配函數(shù)的優(yōu)勢(shì),并以一臺(tái)11 kW的3相12/8極SRM為控制對(duì)象,通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了IDITC控制策略的有效性。

1 車用SRM的DITC系統(tǒng)

1.1 DITC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于SRM需要滿足電動(dòng)汽車不同的負(fù)載和路況,因此本文將電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩作為其控制目標(biāo)?；贒ITC的SRM控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。它能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)瞬時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制,系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)矩分配單元、轉(zhuǎn)矩估計(jì)單元、位置傳感器、電流檢測(cè)單元、速度檢測(cè)單元以及SRM等。

圖1 DITC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)矩估計(jì)器是控制系統(tǒng)中的重要組成部分,其反饋轉(zhuǎn)矩的精確性會(huì)直接影響系統(tǒng)的控制效果。常用的方法有經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算、非線性建模和轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)量,但均存在較大的誤差或費(fèi)用昂貴的問(wèn)題。為了保證轉(zhuǎn)矩控制的精度,本文采用查表法得到瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩值。通過(guò)有限元仿真得到的轉(zhuǎn)矩、電流和轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系表如圖2所示。在電機(jī)控制過(guò)程中,IDITC根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的電流和轉(zhuǎn)子位置,在該表中查找電機(jī)每相的瞬時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩。

圖2 轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)子位置角關(guān)系圖

1.2 轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)設(shè)計(jì)

1.2.1 傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)設(shè)計(jì)

為了便于分析,本文以傳統(tǒng)的余弦型TSF為例,其轉(zhuǎn)矩分配規(guī)律如式(1)所示,對(duì)應(yīng)的波形如圖3所示。

式中:θon為開通角;θoff為關(guān)斷角;θov為相鄰兩相轉(zhuǎn)矩重疊的角度;τr為SRM的機(jī)械角周期。

由式(1)可知,傳統(tǒng)TSF的分配性能與開通角θon和關(guān)斷角 θoff有關(guān)。 當(dāng) θon,θoff發(fā)生變化時(shí),TSF 性能也將發(fā)生改變。

圖3 傳統(tǒng)余弦型TSF

由DITC的控制規(guī)律可知,SRM各相繞組轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)之和在運(yùn)行過(guò)程中的任意時(shí)刻都為1[2],從而保證電機(jī)合成轉(zhuǎn)矩為恒定值。

式中:m為SRM的相數(shù);fj(θ)為第j相的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù);Tj(θ)為第j相分配轉(zhuǎn)矩值;Tref為合成參考轉(zhuǎn)矩值。

1.2.2 改進(jìn)的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)

SRM在運(yùn)行過(guò)程中,換相區(qū)間是其產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的主要部分。當(dāng)SRM的開通角θon在0°附近時(shí),由于電感變化率很小,根據(jù)轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式:

SRM產(chǎn)生的實(shí)際轉(zhuǎn)矩幾乎為0。而根據(jù)傳統(tǒng)TSF的原理,即使θon在0°附近導(dǎo)通電機(jī),TSF也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分配。此時(shí)雖然導(dǎo)通相會(huì)被分配一定的正向轉(zhuǎn)矩,但是電機(jī)不能產(chǎn)生足夠的正向轉(zhuǎn)矩,甚至產(chǎn)生負(fù)向轉(zhuǎn)矩,從而引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

除此之外,由于傳統(tǒng)TSF中需要滿足θoff-θon=15°,因此當(dāng)TSF進(jìn)入下降區(qū)時(shí),電機(jī)當(dāng)前導(dǎo)通相也在同時(shí)刻被關(guān)斷,之后電流不受控制,導(dǎo)致在整個(gè)TSF下降區(qū)產(chǎn)生的實(shí)際轉(zhuǎn)矩將不會(huì)按照TSF分配的轉(zhuǎn)矩變化,使得關(guān)斷相的轉(zhuǎn)矩減量和開通相的轉(zhuǎn)矩增量難以完全抵消,從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

針對(duì)上述問(wèn)題引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),本文考慮將TSF的角度與SRM的開通、關(guān)斷角進(jìn)行區(qū)分,從而提出了一種新型TSF,其分配函數(shù)如下:

對(duì)應(yīng)的分配函數(shù)圖形如圖4所示。SRM的開通、關(guān)斷角不再?zèng)Q定函數(shù)的分配結(jié)果,而由新型TSF的導(dǎo)通角完成電機(jī)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩分配。

圖4 改進(jìn)的余弦型TSF

當(dāng)電機(jī)開通角θon較小時(shí),新型TSF可以通過(guò)優(yōu)化角度選擇＞θon,使其在電感變化率較大時(shí)開始分配轉(zhuǎn)矩,從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩能更好地跟隨參考轉(zhuǎn)矩,起到抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的作用。對(duì)于關(guān)斷角θoff,在轉(zhuǎn)子還沒(méi)到達(dá)θoff時(shí),SRM仍保持通電狀態(tài),而新型TSF在θoff之前已經(jīng)進(jìn)入下降區(qū),這樣使得下降區(qū)部分不可控的實(shí)際轉(zhuǎn)矩變得可控,并且有效逼近參考轉(zhuǎn)矩。因此,新型TSF可以優(yōu)化選擇合適的來(lái)控制換相期間的轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

2 仿真分析

為了驗(yàn)證新型TSF的DITC方法的可行性。首先利用有限元仿真得到12/8極SRM的轉(zhuǎn)矩-電感-角度數(shù)據(jù),并基于MATLAB/Simulink搭建該系統(tǒng)的仿真模型。SRM的主要參數(shù)如表1所示。

表1 SRM參數(shù)

圖5分別給出了在負(fù)載轉(zhuǎn)矩為50 N·m指令下,額定轉(zhuǎn)速時(shí)傳統(tǒng)余弦TSF的DITC方法和改進(jìn)TSF的IDITC方法的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可知,電機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的區(qū)域主要在換相期間。同時(shí)比較圖5(a)和圖5(b)可以看出,與傳統(tǒng)DITC方法相比,IDITC方法的輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)更小,實(shí)際轉(zhuǎn)矩能更好地跟隨參考轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。

圖5 額定轉(zhuǎn)速下的直接瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制仿真結(jié)果

圖6、圖7為在額定轉(zhuǎn)速下,給定不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)兩種控制方法的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和系統(tǒng)效率仿真結(jié)果。由圖6可知,在不同負(fù)載時(shí),IDITC方法的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)要小于傳統(tǒng)DITC方法,而且在突變負(fù)載時(shí)IDITC方法的沖擊轉(zhuǎn)矩更小,穩(wěn)定更快。由圖7可知,在不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí),IDITC方法的效率高于傳統(tǒng)DITC方法。仿真結(jié)果表明,IDITC的控制效果更好,效率更高,滿足電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力性能和乘坐舒適性的要求。

圖6 變負(fù)載下轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)比圖

圖7 變負(fù)載時(shí)系統(tǒng)效率對(duì)比圖

針對(duì)車用SRM的DITC系統(tǒng),不僅需要穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng),更需要可靠的制動(dòng)。仿真中通過(guò)改變SRM的開通、關(guān)斷角,使其在電感下降區(qū)通電,實(shí)現(xiàn)SRM的制動(dòng)控制。圖8為額定轉(zhuǎn)速時(shí)SRM制動(dòng)的轉(zhuǎn)速曲線。從仿真結(jié)果可以看出,在0.2 s之前,IDITC方法的轉(zhuǎn)速波動(dòng)相比傳統(tǒng)DITC方法更小,穩(wěn)定性更好。在0.2 s時(shí)給電機(jī)制動(dòng)信號(hào),均能實(shí)現(xiàn)可靠的制動(dòng)。

圖8 制動(dòng)轉(zhuǎn)速曲線

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖9所示,采用以TMS320F2812核心處理器為主的開發(fā)板,主要完成速度計(jì)算、角度計(jì)算、跟蹤實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩、分配參考轉(zhuǎn)矩、PI調(diào)節(jié)和輸出PWM信號(hào)等任務(wù)。而FPGA則負(fù)責(zé)電流采樣,保證采集信號(hào)的可靠性。

圖9 SRM DITC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.2 程序設(shè)計(jì)

整個(gè)程序的系統(tǒng)時(shí)鐘為120 MHz,PWM控制信號(hào)頻率為8 kHz,整個(gè)系統(tǒng)的控制程序主要在定時(shí)器1周期中斷中完成。其中包括計(jì)算轉(zhuǎn)速、讀取電流值、檢測(cè)位置、轉(zhuǎn)速PI控制和轉(zhuǎn)矩PI控制等任務(wù)。同時(shí)編寫了保護(hù)程序,當(dāng)任意一相電流超過(guò)設(shè)定值時(shí),立即執(zhí)行保護(hù)程序并復(fù)位整個(gè)系統(tǒng),其程序流程如圖10所示。

圖10 定時(shí)器1周期中斷流程圖

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖11給出了DITC控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)。以可調(diào)轉(zhuǎn)矩的電力測(cè)功機(jī)為負(fù)載,實(shí)驗(yàn)使用的SRM參數(shù)與仿真數(shù)據(jù)一致,制動(dòng)時(shí)在直流母線上并聯(lián)制動(dòng)電阻和緩沖電容吸收再生制動(dòng)能量。實(shí)驗(yàn)中開通角 θon=-5°,關(guān)斷角 θoff=13°,重疊角 θov=7.5°,直流母線電壓Udc=520 V,控制目標(biāo)為額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min。

圖11 實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)

圖12給出了在額定轉(zhuǎn)速下,帶不同負(fù)載時(shí)兩種控制方法的系統(tǒng)效率對(duì)比圖。實(shí)驗(yàn)效率值由電力測(cè)功機(jī)記錄的數(shù)據(jù)表得到。由圖12可知,IDITC系統(tǒng)的效率優(yōu)于傳統(tǒng)DITC系統(tǒng),其有助于延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的行駛里程。

圖12 兩種控制方法的實(shí)驗(yàn)效率對(duì)比圖

車用DITC系統(tǒng)不僅需要滿足起動(dòng)階段轉(zhuǎn)速的快速響應(yīng)和穩(wěn)定運(yùn)行,而且需要在給定轉(zhuǎn)速下帶不同負(fù)載運(yùn)行,最后實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。圖13給出了IDITC方法帶不同負(fù)載時(shí),從起動(dòng)運(yùn)行到制動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖13可知,起動(dòng)階段SRM轉(zhuǎn)速響應(yīng)快,且在不同負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速都能穩(wěn)定在1 000 r/min,最終在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)制動(dòng),符合電動(dòng)汽車帶不同負(fù)載時(shí)的運(yùn)行要求。圖14為IDITC方法在驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)電流波形。由圖14(a)可知,電機(jī)在帶載運(yùn)行時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流正常,與仿真電流一致。由圖14(b)的相電流和制動(dòng)電阻電流可知,制動(dòng)時(shí)SRM能回饋能量,可以增加電動(dòng)汽車的續(xù)航能力。

圖13 IDITC方法的轉(zhuǎn)速曲線

圖14 IDITC方法的電流波形

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了基于新型TSF的車用SRM DITC方法,通過(guò)對(duì)開通和關(guān)斷角的區(qū)分,實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)矩分配不可控區(qū)間的控制。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,IDITC的速度響應(yīng)快且穩(wěn)定性好,能實(shí)現(xiàn)帶不同負(fù)載的穩(wěn)定運(yùn)行和制動(dòng)控制,并能有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),提高系統(tǒng)的效率,滿足電動(dòng)汽車適應(yīng)不同負(fù)載的要求,使SRM在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中更具競(jìng)爭(zhēng)力。

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