車用異步電機電驅動系統高性能控制平臺設計及實現

林立，姬長義，林敏之，李亞楠

（1.422000 湖南省 邵陽市 多電源地區電網運行與控制湖南省重點實驗室;2.422000 湖南省 邵陽市 邵陽資水科技有限公司）

0 引言

近年來，環境污染、能源緊張、全球變暖等一系列問題以及國家政策的大力扶持，使得電機驅動代替傳統內燃機驅動成為一種趨勢[1-2]。異步電機因其成本低、結構簡單、結實耐用、相較于永磁同步電機無永磁體退磁風險等優點，在新能源汽車、農業機械、家電等領域得到廣泛應用[3-4]。隨著技術的發展，研究高性能的電驅動控制系統對純電動汽車的發展至關重要。目前，國內多以永磁同步電機作為電動汽車驅動，異步電機在此領域的應用與研究較少。為進一步研究車用異步電機高性能控制策略，搭建易于開發車用異步電機高性能控制策略實驗平臺就顯得尤為重要[5-8]。本文在分析了異步電機矢量控制系統原理的基礎上，在MATLAB/Simulink 中完成了對基于空間矢量脈寬調制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）控制的車用異步電機矢量控制系統模型的搭建，并在MATLAB/Simulink 與CCS6.2 環境中編寫了基于TMS320F28335 控制的異步電機矢量控制系統代碼生成軟件，其中包含中斷模塊、脈寬調制（Pulse width Modulation，PWM）模塊、正交編碼（Quadrature Encoder Pulse，QEP）模塊、串口通信（Serial Communication Interface，SCI）模塊等，使用LabVIEW 建立了上位機監控界面，搭建了以IPM-FSBB30CH060 為逆變電路主要元件的車用異步電機高性能控制平臺，對車用異步電機高性能控制策略進行了較為全面的研究。

1 異步電機數學模型及坐標變換

在分析異步電機數學模型時，通常認為三相繞組對稱，且忽略空間諧波，產生的磁動勢沿氣隙按正弦規律分布。不考慮鐵心損耗、磁鏈飽和以及溫度、頻率變化對繞組電阻的影響。

為提高異步電機控制性能，需要針對其非線性、多變量、強耦合的特點[9-10]，分析轉矩、磁鏈規律，建立動態數學模型。

1.1 αβ 坐標系下的狀態方程

異步電機αβ坐標系下的狀態方程為：

式中：Ls——電機定子自感；Lr——電機轉子自感；Lm——電機定、轉子間互感；σ——漏磁系數，；Tr——轉子電磁時間常數，；ψrα，ψrβ——轉子磁鏈；Rs、Rr——定、轉子電阻；ω——電磁角速度；TL——負載轉矩；J——轉動慣量。

電磁轉矩方程：

式中：np——異步電機極對數。

1.2 坐標變換

1.2.1 三相-兩相變換(Clark 變換)

αβ坐標系下的電流iα、iβ可用三相繞組電流ia、ib、ic表示為：

1.2.2 Park 變換

αβ坐標系下的電流iα、iβ可用isd、isq表示為：

2 SVPWM 原理與實現

2.1 SVPWM 原理

8 個基本電壓矢量由逆變器6 個功率開關器件通斷產生，其中6 個有效矢量、2 個零矢量。SVPWM 將αβ坐標系劃分為6 個扇區，如圖1 所示。

圖1 電壓空間矢量圖Fig.1 Voltage space vector diagram

以扇區I 為例，期望輸出電壓矢量為Uout可由有效電壓矢量U4、U6及零矢量U0、U7合成，矢量U4、U6作用時間計算如式（5）所示。

式中：Ud——直流端電壓；Ts——PWM 作用周期；θ——期望電壓與基本電壓U4的夾角；t1，t2——基本電壓U4、U6作用時間。零矢量作用時間為t0=Ts-t1-t2。這就要保證Ts＞t1+t2，當Ts＜ t1+t2時就要對作用時間進行調制。

2.2 SVPWM 實現

首先對期望電壓進行扇區判斷，扇區的判斷需要引入中間量Uref1，Uref2，Uref3，A，B，C。令：

當Uref1＞0，則A=1，否則A=0；

當Uref2＞0，則B=1，否則B=0；

當Uref3＞0，則C=1，否則C=0；

扇區值N=A+2B+4C，根據表1 得到期望電壓所在扇區。

表1 扇區值與扇區關系Tab.1 Relationship between sector value and sector

扇區判斷完成后需要計算相鄰電壓矢量作用時間，令：

不同扇區對應的矢量作用時間如表2 所示。

表2 各扇區對應矢量作用時間Tab.2 Vector action time corresponding to each sector

利用零矢量分散的實現方式確定切換時間，計算方式為：

根據表3 確定各扇區的矢量切換時間點。

表3 各扇區矢量切換點Tab.3 Vector switching point of each sector

Tcm1、Tcm2、Tcm3是與三角載波進行比較產生PWM 脈沖的3 個比較值。

3 矢量控制系統仿真分析

依據式（1）-式（8）分析，分別搭建異步電機、SVPWM、逆變器、Clark/Park 變換與其逆變換的仿真模型，組成系統仿真模型，如圖2 所示。

圖2 系統仿真模型Fig.2 System simulation model

仿真時，異步電機參數為：Ls=Lr=0.071 H，Lm=0.069 H，Rs=0.435 Ω，Rr=0.816 Ω，J=0.19 kg·m2，np=2。轉速調節器ASR 中，kp=50，ki=0.8，積分內限幅為±80，外限幅為±50。轉矩調節器ATR中，kp=50、ki=0.8，積分內限幅為±60，外限幅為±80。磁鏈調節器Aphir 中，kp=1.8，ki=100，積分內限幅為±15，外限幅為±10。轉速給定初始值600 r/min，勵磁電流給定初始值idref=5 A。0～0.5 s時，TL=10 N·m，0.5～1.0 s 時，TL=30 N·m，仿真結果如圖3 所示。

圖3 轉速、轉矩及電流仿真波形圖Fig.3 Simulation waveform of speed,torque and current

由圖3 可知，系統在0.25 s 快速達到給定轉速值，電流能夠穩定在±15 A 內；0.5 s 突加負載至30 N·m 時，輸出轉矩能夠快速響應，經過0.015 s達到穩態且轉速波動很小。仿真結果表明，所建立的異步電機矢量控制系統具有良好的動態響應和較好的抗負載擾動能力。

4 實驗平臺設計

4.1 硬件實驗平臺設計

本文以DSP 控制器TMS320F28335 為核心搭建了硬件平臺，系統硬件原理框圖如圖4 所示。

圖4 系統硬件原理框圖Fig.4 Schematic block diagram of system hardware

硬件實驗平臺如圖5 所示，圖5 中：A——上位機；B——TMS320F28335 控制器；C——驅動板；D——24 V 開關電源；E——220 V AC-DC 開關電源；F——異步電機；G——正交光電編碼器。

圖5 硬件實驗平臺Fig.5 Hardware experiment platform

上位機負責程序編寫、代碼生成，并利用通信串口與控制器通訊，通過監控界面實現對電機運行狀態的在線觀測與實時控制。驅動板由主電路、IPM-FSBB30CH060、電流傳感器、電壓傳感器等組成。IPM-FSBB30CH060 內部集成有控制電路、邏輯電路、檢測電路和保護電路，控制電路采用大功率晶體管，具有耐高壓、高電流密度等優點。24 V 開關電源為驅動板供電，220 V AC-DC 開關電源為主電路供電。2 個電流傳感器測量V 相、W相電流，電壓傳感器檢測主電路電壓。

4.2 軟件實驗平臺設計

軟件平臺由異步電機矢量控制代碼生成程序和系統監控界面組成，異步電機矢量控制代碼生成程序如圖6 所示。

圖6 矢量控制程序Fig.6 Vector control program

異步電機矢量控制程序由中斷向量表、PWM模塊、QEP 模塊、SCI 模塊組成。state 為軟件啟停參數，speed_base 為轉速計算參數，tmpg 為單位時間脈沖個數，rpm_kp、rpm_ki、isd_kp、isd_ki、isq_kp、isq_ki 分別為轉速調節PI 參數、定子勵磁電流調節PI 參數、定子轉矩電流調節PI 參數，tr 為轉子時間常數，lm 為互感、ws 為轉差頻率、usdlimit、usqlimit 為勵磁電壓和轉矩電壓的限幅、rpm 為轉速調節器的反饋，ia、ib、ic 為三相電流，aaa、bbb 為 A、B 相電流數字量，ia_k、ib_k 為 A、B 電流數字量補償。

PWM模塊包含ADC采樣、坐標變換、SVPWM、磁鏈角度計算和3 個PI 調節器（轉速外環1 個，電流內環2 個）。QEP 模塊用于電機轉速檢測。SCI 模塊用于上位機串口與驅動系統半實物仿真平臺通訊，并通過監控界面實現對電機運行狀態的在線觀測與實時控制。監控界面能夠檢測并圖像顯示轉速、三相電流、定子轉矩電流、定子勵磁電流以及勵磁電壓、轉矩電壓。

5 實驗驗證

為了驗證設計的異步電機高性能控制平臺的性能，以額定功率PN=60 W、頻率f=50 Hz、額定電流IN=0.35 A、額定電壓UN=380 V、額定轉速nN=1 430 r/min 的三相異步電機作為被控對象進行實驗驗證，實驗時給定初始轉速為600 r/min，監控界面數據如圖7 所示。

圖7 上位機檢測數據Fig.7 Upper computer speed detection

系統能夠快速達到給定轉速且穩定運行，電流能夠穩定在±0.2 A 內。實驗結果表明，所搭建的異步電機控制平臺具有良好的動態響應，所構建的上位機監控界面實現了對轉速、相電流、勵磁電流、轉矩電流等信息的實時數據采集與圖像化顯示。

6 結語

文章研究了異步電機矢量控制系統原理，分析了異步電機數學模型以及SVPWM 調制方法，利用MATLAB/Simulink 搭建了異步電機、坐標變換、主電路和SVPWM 控制算法仿真模型，對異步電機矢量控制進行了系統建模及仿真驗證，并在MATLAB/Simulink 和CCS6.2 環境中搭建了以TMS320F28335 控制的異步電機矢量控制系統代碼生成軟件，利用LabVIEW 構建了上位機監控界面，搭建了硬件實驗平臺。文章所設計搭建的異步電機高性能控制平臺滿足了車用異步電機高性能控制策略開發需求，可以進一步進行異步電機高性能控制策略研究，在工程實踐應用上具有重要參考價值。