電動汽車負載模擬加載電機控制系統的設計

孫柯楠 李若楠 寇恒慶 韓 帥 李彥林

（泰州學院，江蘇 泰州 225300）

在電動化、智能化、共享化、網聯化的趨勢下，以及對環保要求越來越嚴格，電動化是汽車未來的發展方向。近兩年，隨著技術進步和燃油車禁售等相關政策的推進，純電動汽車成為各大車企的研發重點[1]。由于其對環境的影響小于傳統汽車，其前景普遍看好。因此，用于電機驅動系統實驗測試的負載模擬器也成為研究熱點。通過電力負載仿真模擬實際負載的動靜態特性，替代以往整車物理測試的做法，可以節省成本和資源，達到測試目的，解決實際問題。所以如何更好設計負載模擬系統，更方便的解決電動汽車試驗時所遇到的問題也成了國內研究的一大熱點[2-4]。

1 負載模擬系統原理

負載模擬系統又稱轉矩伺服加載系統，是利用電機作為電能與機械能之間的自建能量交換裝置，以轉矩的形式加載軸承設備，進而模擬實際的軸承對象。該系統主要分為五個部分：速度控制模塊、牽引電機模塊、機械軸連接裝置模塊、負載電機模塊和負載轉矩加載模塊。機械軸連接模塊連接兩個實驗電機，負責協調速度和扭矩之間的關系。

上位機與嵌入式工業計算機通過網線通信，電動汽車驅動電機與負載模擬電機通過聯接軸連接，實現兩者的轉速一致。聯接軸上附帶轉速、轉矩傳感器，實時采集轉速和扭矩信息傳遞給上位機，上位機通過反饋的電壓和電流信號，控制負載模擬電機驅動器，對加載電機進行控制，模擬汽車在運行時的情形。其結構如圖1 所示。

圖1 負載模擬系統與車用電機驅動軸連接示意圖

汽車在行駛時會受到各種各樣的阻力，路況的不同，風阻的差異，輪胎的摩檫力等都會是汽車的運動狀態改變。所以分析汽車行駛時的運動模型就顯得很有必要，圖2 為汽車行駛時的受力示意圖。

圖2 車輛受力示意圖

其中，阻尼載荷在實際仿真中容易實現，加速度阻力體現為慣性載荷，其計算與速度微分項有關。在實際電氣仿真中，速度的測量會導致慣性負載項的擾動較大，因此可以采用負載模擬加載系統來解決上述問題。

2 系統設計

電動汽車負載模擬系統的實質在于對加載電機的控制，本質上就是通過電流和轉速環的聯合控制，電流環是一個矢量控制，我們采用pi 調節器控制，達到控制電機的目的。該系統主要包括以下模塊：永磁同步電動機部分、速度控制部分、電流控制部分、坐標變換部分、SVPWM部分和逆變器部分。整個控制過程如下：首先將給定轉速信號與轉速位置檢測到的轉速信號進行比較，在轉速環的調節作用下，將輸出的交軸電流分量作為電流調節器的給定信號，然后使用其與反饋信號之差作為電流控制回路的輸入。α、β 坐標系中的電壓通過park變換得到，逆變器的作用是產生把直流變換成三相頻率相同幅值大小可變的交流電。逆變器由SVPWM信號驅動，控制逆變器IGBT 管的通斷，從而實現對電機的控制。隨著高性能處理器的普及，上述這些步驟都可以在DSP 開發板內部實現，為實驗提供了便利。這里主要介紹電流環和轉速環的設計。

2.1 電流環的設計

在伺服系統中，主觀目的是達到對轉矩的精確控制，使控制系統有一定的快速響應性能，因此反饋環節就顯得極為重要。電流調節器一般采用比列積分（PI）控制。其電流控制部分如圖3 所示。

圖3 電流控制部分框架圖

PWM 逆變器和電機的電樞回路是電流控制部分的控制對象。KPWM表示逆變器的放大倍數，在控制系統中，PWM 環節也可以被認為是慣性環節，只不過慣性較小。設其為10KHZ 時，我們可以將延時環節和PWM環節組合成一個慣性環節，其結構將得到極大簡化。記延時時間常數為td=TS，而逆變器的放大倍數KPWM取值也很重要，為簡化分析這里將其設為1 來處理。于是電流環簡化得到：

圖4 簡化后的電流環框架

2.2 轉速環的設計

速度環的主要作用是為了抑制負載擾動，轉速環作為矢量控制的外環一樣決定系統的穩定性。轉速外環傳遞函數框架圖如圖5 所示。

圖5 轉速環框架圖

電流環都可以用等效成一階慣性環節來代替，由于外部速度環有延時環節，可以結合延時小慣性環節。由于外部速度環的采樣時間Ts2遠大于電流環的采樣時間Ts，簡化整定后的電流環與延時環節進行合并處理得：

ASR 動態結構圖進一步簡化整定見圖6。

圖6 簡化后的轉速環框架圖

將轉速環按二階典型環節整定，當Ki 的值比較小，可得其傳遞函數：

對比標準的二階系統閉環傳遞函數：

3 實驗結果分析

針對上一章設計的加載電機控制系統于MATLAB 中搭建相關模塊，在此基礎上，通過實物與上位機的有機結合搭建半實物實驗平臺。從MATLAB/Simulink 生成針對特定處理器芯片產品級嵌入式代碼，完成目標代碼的生成，再快速地植入目標軟件系統。對加載電機進行實時控制，來達到模擬電動汽車行駛時情形的目的。

通過實驗得到輸出的SVPWM波形如圖7 所示。

由圖7 可以看出得到電壓波形呈正弦波狀。簡單來說，占空比越大，電壓越高；占空比越小，電壓越低。讓占空比呈正弦變化，電壓值自然也是呈正弦變化了。

圖7 輸出SVPWM 波形

U-V 兩相之間的線電壓如圖8 所示。

圖8 U-V 兩相之間的線電壓

U-W 兩相之間的線電壓如圖9 所示。

圖9 U-W 兩相之間的線電壓

從實驗結果可以看出，電機空載運行時，通過調節給定電壓的大小，控制給定轉速的高低，實際轉速接近給定的轉速信號，轉速調節平滑。輸出SVPWM波形呈正弦狀，U V W 三相中兩相之間的線電壓穩定，產生三相正弦變頻電壓能夠穩定驅動逆變器工作，控制電機運轉，電機平穩運行。證明該模擬系統設計可靠，跟隨性能良好。

4 結論

本文從研究電動汽車負載模擬的角度出發，提出一種有實物參與的半實物實驗平臺。通過控制加載電機來模擬汽車行駛的實時負載。由上述實驗結果可以看出，模擬負載系統可實現對轉速的平滑調節，負載電機實時輸出轉矩響應迅速，具有良好的動態響應性能；且給電機施加變化負載時，系統能夠很快的糾正偏差使轉速在很短時間內恢復正常，電機穩定運轉。說明該負載模擬系統具備很好的抗負載擾動性能。通過不同的負載模擬了汽車在行駛過程中遇到的不同情況。具有較強的可移植性，為以后電動汽車電機的選型和設計提供了一種更簡潔有效的方法。