欒 茹, 鄧冉冉, 張 然
(1.北京建筑大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,北京100044;2.建筑大數(shù)據(jù)智能處理方法研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100044)
在教育部提出2035年實(shí)現(xiàn)教育強(qiáng)國的大背景下,電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的本科教學(xué),除了基本的必修教學(xué)環(huán)節(jié)外,還應(yīng)該設(shè)置選修的創(chuàng)新型課程。根據(jù)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)面向的研究與就業(yè)的領(lǐng)域,電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)典型的能體現(xiàn)出創(chuàng)新性特征的教學(xué)內(nèi)容之一,且這部分教學(xué)內(nèi)容適合于在具備一定動(dòng)手實(shí)踐條件的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)施教學(xué)過程,需要配置電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制的整套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),這就對(duì)開設(shè)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)院校的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提出了更高的要求。目前驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車最理想的電機(jī)有兩種,一個(gè)是永磁電機(jī),一個(gè)是開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor,SRM),而對(duì)于未來的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī),為了擺脫對(duì)永磁材料的依賴,人們將關(guān)注的焦點(diǎn)不斷地投向開關(guān)磁阻電機(jī)[1]。車載開關(guān)磁阻電機(jī)的控制,是保證電動(dòng)汽車合理可靠運(yùn)行的充要條件,而控制離不開合理的建模,特別是對(duì)于像開關(guān)磁阻電機(jī)這樣具有強(qiáng)非線性因素的控制對(duì)象[2],其建模與控制問題解決起來難度大,始終是電力拖動(dòng)與控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3]。
研究SRM及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方法有兩種,一種是實(shí)驗(yàn)法[4];另一種是仿真方法。實(shí)驗(yàn)法耗時(shí)費(fèi)力[5],投入經(jīng)費(fèi)很大,在不確定電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下,有很多實(shí)驗(yàn)?zāi)P腿狈χ谱鞯囊罁?jù)[6],且類似于磁場分布、脈動(dòng)磁阻轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù),直接測量的可操作性很差[7],不具備普遍推廣性。仿真方法[8]不需要耗費(fèi)大量的制作經(jīng)費(fèi),若仿真理論成熟可靠,可以很方便地輸入不同的電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)來使用,得到若干種設(shè)計(jì)與控制方案[9],從中進(jìn)行比較,具備適用性與推廣性,是研究開關(guān)磁阻電機(jī)的首選方法。針對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型的強(qiáng)非線性,目前最有效的仿真方法是有限元法[10]。但傳統(tǒng)的有限元數(shù)值計(jì)算的專業(yè)性很強(qiáng),本科生在短時(shí)間內(nèi)很難上手,且在固定激勵(lì)源的情況下,只能獲得靜態(tài)的磁鏈、轉(zhuǎn)矩、電流等輸出量的數(shù)值解,還無法滿足仿真法需要具備的通用性與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真的性能。
Infolytica是解決電磁設(shè)備及其系統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)問題的通用軟件,具備通俗易懂的參數(shù)輸入界面,學(xué)生即使不熟悉有限元數(shù)值計(jì)算也能夠上手操作,其后臺(tái)運(yùn)算主要是建立在電磁場數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上,可以實(shí)現(xiàn)包括耦合運(yùn)動(dòng)過程的瞬態(tài)場在內(nèi)的各種電磁過程的實(shí)時(shí)仿真,克服了傳統(tǒng)有限元法的局限性,具備通用與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)特性。但這種對(duì)非線性數(shù)理方程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真需要借助外圍電路提供動(dòng)態(tài)激勵(lì)源,Infolatica軟件本身不具備搭建各種復(fù)雜控制電路的功能。鑒于此,本文將Infolytica軟件包中的MagNet軟件與Matlab中的Simulink仿真平臺(tái)結(jié)合起來,利用Simulink搭建轉(zhuǎn)速、電流閉環(huán)控制電路[11],將輸出結(jié)果作為動(dòng)態(tài)激勵(lì)施加到MagNet建模里,實(shí)現(xiàn)對(duì)車載開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的合理仿真[12]。將該仿真方法形成實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書,與兩種仿真軟件一起安裝到實(shí)驗(yàn)室電腦內(nèi)。
SRM定子第k相線圈的電路方程[13]如下:

式中:uk為施加到第k相定子線圈的相電壓;Rk為第k相定子線圈的電阻;ik為第k相定子線圈的瞬時(shí)電流;ψk為第k相定子線圈的磁鏈。設(shè)SRM驅(qū)動(dòng)部分的主電路直流側(cè)激勵(lì)電源為E,采用常規(guī)傳統(tǒng)的換相方法,則單相定子電路對(duì)應(yīng)的開通、關(guān)斷的激勵(lì)方程為:

式中:θ為轉(zhuǎn)子位置角;θon與θoff分別為開通角和關(guān)斷角。隨著電動(dòng)汽車的起動(dòng)、加速、穩(wěn)速、減速、停止,要求車載SRM的轉(zhuǎn)速隨之發(fā)生相應(yīng)的變化,因?yàn)橹绷鱾?cè)激勵(lì)電源為E常數(shù),則SRM調(diào)速的效果只能靠開通角θon和關(guān)斷角θoff來實(shí)現(xiàn)[14-15]。由式(2)可見,不同的θon與θoff組合對(duì)應(yīng)著不同的激勵(lì)源相電壓uk的變化周期,則每一相電路方程式(1)在不同變化周期激勵(lì)源作用下,也要產(chǎn)生不同的電磁場分布,可見,在電動(dòng)汽車的整個(gè)行駛過程中,車載SRM內(nèi)電磁場分布是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的過程,不能簡單采用固定激勵(lì)源的有限元法進(jìn)行仿真[16]。
本文以一臺(tái)三相12/8極SRM為例來說明動(dòng)態(tài)有限元仿真過程,其具體參數(shù)見表1,該電機(jī)是后續(xù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的實(shí)際電機(jī),將這些參數(shù)輸入到Magnet里就可以快速建模。為了能夠?qū)?dòng)態(tài)激勵(lì)源實(shí)時(shí)施加到SRM有限元計(jì)算模型上,本文選擇全域建模法,即不考慮模型的對(duì)稱性,將SRM的整個(gè)定子、轉(zhuǎn)子作為求解域進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算,在MagNet軟件中的具體實(shí)現(xiàn)見圖1。

表1 三相12/8極開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 在Magnet軟件中建立的SRM模型
對(duì)圖1中定子各相繞組施加周期性的電壓斬波源,需要借助Simulink搭建外圍電路,即讓有限元計(jì)算過程中的各種數(shù)據(jù)在這兩種軟件之間傳遞,Infolytica軟件包為此提供了專門的內(nèi)置插件,Magnet Plug-in,將該插件與Infolytica、Matlab一起安裝在同一個(gè)訪問路徑上,則MagNet軟件生成的有限元模型,作為一個(gè)仿真模塊,出現(xiàn)在Simulink的庫里,如圖2所示。有了這樣的結(jié)合,將MagNet有限元模型視作Simulink中的一個(gè)工具箱,完全可以按照Simulik思維模式搭建仿真電路,下面以最簡單的SRM電流斬波控制為例,介紹仿真過程。利用Simulink庫里各種電路模塊,搭建出一個(gè)典型的SRM電流斬波電路,該電路的輸出施加到Magnet有限元模型上,如圖3所示。從邏輯關(guān)系來看,代表SRM功率開關(guān)電源的模塊“converter”經(jīng)過電流斬波后,通過6個(gè)電壓端子輸出電壓激勵(lì)信號(hào),這些信號(hào)是根據(jù)SRM運(yùn)行過程中的θon、θoff,以及電流斬波控制等要求,綜合判斷合成的動(dòng)態(tài)電壓信號(hào),施加到MagNet有限元模型的輸入端“V1”“V2”“V3”上,相當(dāng)于SRM的三相電源電壓施加到圖1所示的有限元求解域中的三相定子繞組上,只要這三相電源電壓是動(dòng)態(tài)激勵(lì)信號(hào),相應(yīng)的圖1中所示的有限元求解域的計(jì)算結(jié)果也是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)輸出的瞬態(tài)電磁場結(jié)果,因此,運(yùn)用圖1中的有限元求解域及圖3中搭建的控制電路,可以準(zhǔn)確模擬出SRM的起動(dòng)過程,如圖4所示。

圖2 Simulink中的Magnet模塊

圖3 兩種軟件結(jié)合下的SRM動(dòng)態(tài)有限元計(jì)算模型

圖4 SRM動(dòng)態(tài)有限元計(jì)算結(jié)果中的起動(dòng)位移
圖1中用MagNet建立的SRM有限元模型的計(jì)算數(shù)據(jù)不僅可以直接輸出,而且還可以用于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練,將有限元數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性映射,以構(gòu)造出復(fù)雜的控制算法。下面仍以表1所列的三相12/8極SRM為車載電機(jī)與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)、開關(guān)角的模糊控制等復(fù)雜控制算法相結(jié)合,運(yùn)用MagNet與Simulink兩種軟件進(jìn)行仿真,構(gòu)造出具備轉(zhuǎn)速、電流閉環(huán)控制的車載SRM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。
與其他驅(qū)動(dòng)電機(jī)一樣,對(duì)車載SRM轉(zhuǎn)矩的控制,仍需要通過定子電流來實(shí)現(xiàn)。由圖1中建立的SRM有限元模型,經(jīng)過數(shù)值計(jì)算可以得到該SRM的磁鏈數(shù)據(jù),ψ(ik,θ),為了實(shí)現(xiàn)對(duì)定子電流ik的控制,需要將磁鏈數(shù)據(jù)映射成定子電流數(shù)據(jù)。根據(jù)SRM電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理,顯然這種映射是強(qiáng)非線性的,目前解決這種強(qiáng)非線性問題的最有效方法之一是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法,本文采用其中最簡單的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造由磁鏈數(shù)據(jù)到電流數(shù)據(jù)的非線性映射,即:

這一過程是在Simulink仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn),然后再將這個(gè)過程進(jìn)行封裝,如圖5所示。

圖5 對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的封裝
圖5中輸入端的“1”~“6”,對(duì)應(yīng)的是圖3中功率開關(guān)電源模塊“converter”的6個(gè)輸出端,并與其相連,圖5中的輸出端“m”是經(jīng)過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的瞬態(tài)電流數(shù)據(jù)、磁鏈數(shù)據(jù)、各相瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)等,有了這樣的模型才可以用Simulink平臺(tái)搭建模糊開關(guān)角與轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)控制的電路。
結(jié)合了模糊開關(guān)角與轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)法,本文在Simulink中搭建了車載SRM的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的控制電路,如圖6所示。給定轉(zhuǎn)速與SRM實(shí)際轉(zhuǎn)速構(gòu)造出轉(zhuǎn)速外環(huán),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出,作為期望轉(zhuǎn)矩,與經(jīng)過模糊開關(guān)角模塊優(yōu)化后的SRM θon、θoff,以及轉(zhuǎn)子位置角一起輸入到轉(zhuǎn)矩分配模塊TSF中,該模塊的輸出端T為SRM三相繞組的期望轉(zhuǎn)矩,三相繞組期望轉(zhuǎn)矩通過i(T,θ)查表模塊后輸出期望電流,期望電流與利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的SRM模塊輸出的反饋電流做差,送入滯環(huán)控制模塊,實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。該雙環(huán)控制電路的輸出,作為功率開關(guān)電源模塊“converter”的控制信號(hào),決定了該開關(guān)電源哪一相導(dǎo)通、哪一相截止,進(jìn)而決定了施加到包含BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的SRM模塊上的三相電壓激勵(lì)源,保證了圖6所示的結(jié)合了Simulink控制電路的SRM有限元計(jì)算的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性。

圖6 SRM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真模型
針對(duì)圖6搭建的SRM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型,將其中的電流滯環(huán)寬度2Δh設(shè)為0.6 A,給定轉(zhuǎn)速nref=650 r/min,起始負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=6 N·m,在0.2 s突加負(fù)載至TL=10 N·m,對(duì)上述工況進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果首先用Simulink平臺(tái)采集,如圖7所示。

圖7 車載SRM的Simulink仿真結(jié)果
由圖7可見,SRM起動(dòng)后能迅速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速650 r/m,且轉(zhuǎn)速波形較為平穩(wěn),說明系統(tǒng)響應(yīng)快且運(yùn)行穩(wěn)定,同時(shí)受到模糊開關(guān)角與轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)控制,使得轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)得到明顯約束,三相疊加轉(zhuǎn)矩的總和基本上保持恒定值,達(dá)到了減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)效果。在0.2 s突加負(fù)載擾動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)速略下降1.8 r/min,仍然保持穩(wěn)定,可見系統(tǒng)魯棒性較好。證明圖6中Simulink控制電路輸出的動(dòng)態(tài)電壓激勵(lì)信號(hào)是合理的,且該動(dòng)態(tài)電壓激勵(lì)源能夠及時(shí)施加到MagNet有限元求解域里,進(jìn)而獲得合理的車載SRM動(dòng)態(tài)有限元計(jì)算結(jié)果,可見由這兩種軟件聯(lián)合構(gòu)建的仿真模型是正確的。
對(duì)于車載驅(qū)動(dòng)電機(jī),最關(guān)鍵的性能是轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩間的輸出特性。以往,電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的輸出特性很難用Matlab軟件單獨(dú)來實(shí)現(xiàn)仿真,而Infolytica軟件提供了這樣的計(jì)算功能,只要在Infolytica軟件里實(shí)現(xiàn)的有限元計(jì)算是耦合了電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程的瞬態(tài)場計(jì)算,則該軟件能夠很方便地將各轉(zhuǎn)速階段的電磁轉(zhuǎn)矩結(jié)果記錄下來,并以圖表的形式展示。在圖6中,用Simulink搭建的雙閉環(huán)控制電路,體現(xiàn)了運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制與轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)法等復(fù)雜控制算法調(diào)節(jié)SRM從起動(dòng)到各個(gè)行駛轉(zhuǎn)速運(yùn)行的過程,該Simulink控制電路為Magnet軟件里的SRM有限元計(jì)算提供了瞬態(tài)場激勵(lì)源,只要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速給定,相應(yīng)的該車載SRM仿真系統(tǒng)可以輸出與給定轉(zhuǎn)速基本一致的實(shí)際轉(zhuǎn)速,該調(diào)節(jié)過程的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩輸出特性的整個(gè)計(jì)算結(jié)果由Infolytica軟件提供,如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩輸出特性的仿真結(jié)果
由圖8可見,SRM起動(dòng)階段,轉(zhuǎn)矩基本上保持在最大值并恒定,即SRM工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū),保證車載電機(jī)能夠以最大加速度快速起動(dòng)電動(dòng)汽車,當(dāng)轉(zhuǎn)速大于額定值1 500 r/min,SRM處于高速運(yùn)行階段,轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì),即工作在恒功率區(qū),保證車載電機(jī)在輸出額定牽引功率的同時(shí)定子電流不過載,工作在合理的功率密度下,顯然這樣的輸出特性十分符合電動(dòng)汽車所要求的驅(qū)動(dòng)性能。
為了驗(yàn)證上述仿真方法的正確性,本文利用圖9所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)表1中所列的SRM進(jìn)行了轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系的負(fù)載實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括被測的三相12/8極SRM、控制器、聯(lián)軸器、磁粉制動(dòng)器、WLK程控電源、信號(hào)采集等,利用磁粉制動(dòng)器產(chǎn)生負(fù)載扭矩,通過聯(lián)軸器施加到SRM上,利用WLK程控電源調(diào)節(jié)磁粉制動(dòng)器的激磁電流,調(diào)節(jié)其產(chǎn)生的負(fù)載扭矩,該WLK程控電源具有RS-232(或定制RS-485)串行接口,可與信號(hào)采集分析儀通信,將所施加的負(fù)載數(shù)據(jù)通過信號(hào)采集分析儀檢測出來,利用仿真器將圖6所示的SRM雙閉環(huán)控制仿真系統(tǒng)源程序代碼調(diào)試通過后下載到控制器(在圖9中,控制器與SRM連接在一起,圖中沒有單獨(dú)顯示控制器)里,利用數(shù)據(jù)采集分析儀還需要記錄SRM的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、轉(zhuǎn)速等。由于SRM輸出的是脈動(dòng)性很強(qiáng)的磁阻轉(zhuǎn)矩,對(duì)用扭矩傳感器測量轉(zhuǎn)矩的結(jié)果造成很大的干擾,誤差很大,為此,本文采用等效計(jì)算法加以解決。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的SRM電源電壓為額定電壓200 V,設(shè)定磁粉制動(dòng)器的激磁電流為0.1 A,將給定轉(zhuǎn)速逐漸增加,采集該SRM電機(jī)定子相電流、相電壓、轉(zhuǎn)速、負(fù)載扭矩等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),利用式(1)計(jì)算出該電機(jī)的磁鏈,再通過該SRM的磁化曲線查到與當(dāng)前時(shí)刻的磁鏈和定子電流相對(duì)應(yīng)的磁共能,根據(jù)

式中:Te為SRM輸出轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)值;W′為磁共能;θ為轉(zhuǎn)子位移角;i為定子相電流。
在線性假設(shè)下,可以推導(dǎo)出計(jì)算SRM輸出轉(zhuǎn)矩平均值

式中:Ns為定子極數(shù);Nr為轉(zhuǎn)子極數(shù)。再利用式(5)計(jì)算結(jié)果作為該SRM的輸出轉(zhuǎn)矩平均值的實(shí)測值。

圖9 SRM系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
本文選取了3個(gè)給定轉(zhuǎn)速的輸出轉(zhuǎn)矩平均值的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,列于表2中。由表2可見,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。

表2 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較
從Simulink與Magnet輸出的結(jié)果都說明,聯(lián)合這兩種軟件用于車載SRM的仿真可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該電動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間有限元瞬態(tài)場的實(shí)時(shí)計(jì)算,模擬出車載電動(dòng)機(jī)行駛過程中的輸出特性,這對(duì)于學(xué)習(xí)、理解、研究電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)十分重要。
SRM的合理仿真問題歷來是業(yè)界的研究熱點(diǎn),而車載SRM及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)問題則是業(yè)界的研究難點(diǎn)。本文從仿真實(shí)驗(yàn)方法的通用性與合理性出發(fā),結(jié)合了通用性強(qiáng)的兩種軟件,Infolytica與Matlab,利用Infolytica軟件包中MagNat提供的瞬態(tài)場有限元計(jì)算功能解決SRM建模的強(qiáng)非線性問題,利用Matlab軟件中Simulink平臺(tái)搭建的控制電路解決瞬態(tài)場計(jì)算需要的動(dòng)態(tài)激勵(lì)源,同時(shí)將控制車載SRM運(yùn)行的復(fù)雜控制算法用Simulink控制電路實(shí)現(xiàn),只要給電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的本科生簡要講解有限元數(shù)值計(jì)算知識(shí)及詳細(xì)講解SRM的結(jié)構(gòu)與工作原理,這些學(xué)生可以很方便利用該仿真實(shí)驗(yàn)方法中的Magnet來設(shè)計(jì)車載SRM結(jié)構(gòu)、利用該仿真實(shí)驗(yàn)方法中的Simulink來設(shè)計(jì)控制算法,保證了該仿真實(shí)驗(yàn)方法的通用性,不必再依賴硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備來搭建車載SRM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng),節(jié)省了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本與實(shí)驗(yàn)室空間資源。本文結(jié)合了一臺(tái)具體的車載SRM,闡述了該仿真方法的理論依據(jù)與實(shí)現(xiàn)過程,仿真結(jié)果證明該方法不僅合理、可靠,而且具備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性。因此,無論是從通用性還是從實(shí)時(shí)性來評(píng)價(jià),本文提供的仿真方法十分符合車載SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求,可以作為電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究的理論分析的工具。