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軍用車輛電驅動永磁電動機控制技術研究

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:4627

   摘要:在永磁電動機加速和減速過程中采用不同的弱磁控制策略,并利用最大轉矩/電流控制和弱磁控制相結合的控制方法,不僅滿足了車輛對電機驅動系統大轉矩、寬調速范圍的要求,而且提高了驅動系統的可靠性?;贛ATLAB軟件環境對驅動系統進行了建模和仿真分析,驗證了研究成果的有效性。

0引  言

   在軍用車輛電傳動關鍵技術中,電動機及電動機控制技術是關鍵中的關鍵。目前,應用車輛電傳動中的電動機驅動系統主要有四類,即直流電動機驅動系統、高速感應電動機驅動系統、永磁同步電動機驅動系統和開關磁阻電動機驅動系統。而高速感應電動機驅動系統和永磁同步電動機驅動系統是當前車輛電驅動系統的兩大主流。高速感應電動機和永磁電動機作為電動車用電動機的主流電機具有不同的特點,相比較而言,感應電動機的控制技術比較

成熟,但在電機效率、重量和體積方面和永磁電動機還具有一定的差距,而這些正是空間有限的移動平臺對電機的首要要求,因此,最近國外研制的電傳動樣車多以永磁電動機作為牽引電機,這也代表了今后車用電機的發展方向。永磁電動機作為電動車輛牽引電機,恒定的磁場給電機控制帶來了很大的困難,軍用車輛電傳動不僅需要電機具有很大的轉矩范圍,還需要電機具有很寬的調速范圍。永磁電動機磁場恒定,轉矩系數和反電勢系數成固定關系,這就意味著電機如果要實現低速大轉矩,在高速時會產生較大的反電勢和較高的控制電壓,而過高的電壓會對車上的絕緣和人身安全不利,因此必須通過控制來實現電傳動車輛對永磁電動機的大轉矩、寬調速范圍要求。本文以我國某型履帶裝甲車輛為參考對象,研究電驅動用永磁電動機的控制問題,使其驅動的裝甲車輛不僅具有規定的最大爬坡能力(最大轉矩輸出要求),而且具有較高的最大行駛速度(最高轉速要求),保證車輛良好的機動能力。

1驅動系統控制結構

由于永磁電動機的各種控制策略均是基于對電機定子電流的幅值和相位的控制,即對電流矢量進行控制。本文設計的永磁電動機控制系統結構簡圖如圖1所示。為保證車輛行駛過程中的平穩性,在永磁電動機的控制結構上引入了功率觀測器,采用由功率反饋、轉速反饋和電流反饋組成的三環控制結構??刂品椒ㄔ谑噶靠刂频幕A上采用最大轉矩/電流控制和弱磁控制,以實現驅動系統的效率最佳化和寬范圍調速,使電機驅動系統滿足電傳動車輛對牽引電機大扭矩、寬調速范圍的要求。

 圖1永磁電動機控制系統框圖

控制系統結構框圖中坐標變換主要包括Park變換、Clark變換和Park反變換,其中Clark變換是將電機的電流從三相靜止坐標系(abc)轉換到兩相靜止坐標系(αβ)中,而Park變換是將電機電流從兩相靜止的坐標系(αβ)轉換到兩相旋轉的坐標系(dq)中,從而在三相交流電動機上模擬出直流電動機轉矩控制規律,將電流矢量分解成產生磁通的勵磁電流分量和產生轉矩的轉矩電流分量,并使得兩分量互相垂直,彼此獨立,然后分別進行調節,獲得從原理上和特性上與直流電動機一樣的控制效果,實現交流電動機轉矩的高性能控制(也就是矢量控制)。功率觀測器通過電動機的電流和轉速計算獲得,其關鍵是轉矩電流id和弱磁電流id的計算方法。電傳動車輛在加速和制動過程中,如果調速系統進入了弱磁控制區,則需要使用不同的弱磁控制策略。加速過程中的控制首先要保證電動機輸出足夠的電磁轉矩以克服地面的阻轉矩,然后才能使電機加速,而在制動過程中,控制系統首先要保證電動機反電勢不高于直流側電壓(和逆變器反向并聯的二極管將變成整流器,電流不可控),避免產生失控的狀況。具體情況分析分別從下面電動機的電動運行和制動運行狀態來詳細討論。

2永磁電動機弱磁控制策略

2.1永磁電動機加速運行時的電流計算

   電機加速運行時電流的計算可分為三個階段(0~ωb,ωb~∞c,ωc~ωmax)來實現最大轉矩/電流控制和弱磁控制效果。當永磁電動機處于低速0~ωb之間運行時(山。為電機輸出最大恒轉矩能夠達到的最大速度),為了充分利用電機的磁阻轉矩,采用最大轉矩/電流控制。對于凸極永磁同步電動機,要實現單位電流發出最大轉矩,直軸電流(弱磁電流)的算法如下: (1)式中:Ψf為永磁電動機的最大永磁磁鏈;Ld、Lq為永磁電動機直、交軸電感。隨著轉速的不斷升高,進入ωb~ωc之間運行時(ωc為電機無弱磁控制下的最大空載速度),電動機端電壓計算: (2)如果此時逆變器沒有進入飽和狀態,可仍然采用最大轉矩/電流控制的算法計算直軸電流;如果逆變器已經進入飽和,則按式(3)計算直軸弱磁電流,此時必須有足夠的弱磁電流來削弱永磁體產生的磁場,使得電機反電勢不超過電動機端電壓,達到升速的目的,式(3)的推導過程可見參考文獻[1]。 (3)式中:Ulim為永磁電動機極限電壓。當轉速進一步升高到高于ωc時,逆變器已經飽和,直軸電流算法直接采用式(3)表示的算法。根據這三個階段,電機電動運行時整個直軸電流的算法結構圖如圖2所示。

    圖2  電機電動運行時直軸電流計算方法

2.2電動機制動運行時的直軸電流計算

   電動機制動運行是車輛運行中經常遇到的情況。當車輛以較高速度運行時,永磁電動機處于弱磁控制狀態,如果制動時沒有相應大小的弱磁電流,電機的反電勢將高于直流側電壓,整個逆變器一電機調速系統成了發電機一整流系統,電機的電流無法通過調制逆變器進行控制。而且,大量的回饋能量流到直流側,給直流側能量吸收電路帶來破壞。因此,必須根據制動信號的大小和永磁電動機的轉速進行電機弱磁制動。由于電機在電動狀態時弱磁電流根據轉矩電流的大小和電動機的轉速計算獲得,如果轉矩電流過大,而電機的電流矢量不能超過電流極限圓,弱磁電流很可能達不到要求。這時影響的只是電動機弱磁力度不夠,轉速達不到期望值。而制動時的弱磁電流是根據電動機轉速和制動電流計算獲得,如果弱磁電流不能滿足要求,就會出現前面所說的失控現象。因此,為了盡可能提高電動機運行于弱磁狀態下的效率,電動機在電動狀態和制動狀態時的弱磁電流算法是不一樣的。下面介紹本文提出的電動機制動狀態時弱磁電流的計算方法。

車輛制動時,控制系統檢測到永磁電動機的轉速,根據式(4)和式(5)計算出電動機在電流極限圓和電壓極限橢圓內能夠輸出的最大轉矩電流iqmax。也就是說,電機輸出該轉矩電流時,在電流矢量幅值不超過電機允許的最大電流基礎上,有足夠的弱磁電流分量使得該轉速、轉矩電流下的電機反電勢不高于直流側電壓。

    (4)                 (5)

   使用MATLAB對式(4)和(5)求解,可知iqmax的解析表達式非常復雜,在實際的控制系統計算中通常采用查表的方法來得到相應的iqmax值,或者通過曲線擬合的方法用多項式近似地模擬iqmax表達式。結合制動信號的大小(即制動強度)在0和iqmax之間通過一定的算法計算實際輸出的轉矩電流iq,然后根據iq的大小再反過來利用式(5)計算實際輸出的弱磁電流id。隨著電機轉速不斷降低,當電機轉速低于ωc時,弱磁電流和轉矩電流的計算方法采用最大轉矩/電流控制算法。整個制動過程中電流計算框圖如圖3所示。為提高控制系統的實時性,在實際的控制過程中id、iq一般通過查表獲得。此種控制算法的具體控制效果可參看后面的制動性能仿真。

    圖3  電傳動系統制動過程中的弱磁電流計算方法

   需要指出的是,電機處于加速運行時,弱磁電流的大小是根據轉矩電流和電機的轉速來計算的,即在滿足系統需要的轉矩電流前提下再產生弱磁電流,這樣有可能因為弱磁電流達不到要求使得電機達不到要求的轉速。而電機處于制動運行狀態時,先保證足夠的弱磁電流使得電機的反電勢不超過直流側電壓,然后再計算能夠產生的最大轉矩電流,這種情況下有可能因為沒有足夠的轉矩電流來產生制動轉矩。

3系統仿真分析

   為驗證提出控制策略的有效性,本文在MAT-LAB環境中對控制系統進行了建模和仿真,模型中永磁電動機的設計參數如表1所示。

表l  建模仿真用永磁電動機設計參數

仿真分析前對模型的準確性進行了驗證,圖4和圖5分別為控制系統中永磁電動機的相電流、線電壓波形與實際實驗中的電機相電流、線電壓的比較結果。從比較的結果來看,模型的精確程度能夠滿足我們研究目的的要求,在此基礎上,對永磁電動機驅動系統的加速和制動過程進行了仿真,仿真結果如圖6、圖7和圖8所示。

              

(a)實驗波形                    (b)仿真波形

圖4  電機相電流實驗與仿真波形比較

                

(a)實驗波形                      (b)仿真波形

圖5  電機線電壓實驗與仿真波形比較

 圖6永磁電動機加速時轉矩電流和弱磁電流曲線

 圖7永磁電動機制動時轉矩電流和弱磁電流曲線

   圖8  電機加速過程中扭矩和轉速之間的關系曲線

從永磁電動機驅動系統仿真分析結果中可以看到,利用本文提出的永磁同步電動機控制策略,可以較好地滿足車輛對電機驅動系統的大轉矩和寬調速范圍要求,同時可以充分發揮電氣制動的作用提高車輛的制動能力和能量利用效率。

4結  語

本文結合最大轉矩/電流控制和弱磁控制的方法,分別在電機電動和制動過程中采用不同的弱磁控制策略,并利用MATLAB軟件環境對驅動系統進行了建模和仿真分析,驗證了本文研究成果的有效性。通過對永磁電動機的仿真和分析可知,用于軍用車輛電驅動用永磁電動機具備3倍左右的弱磁擴速能力和3倍左右的轉矩過載能力情況下,不僅滿足車輛對電機驅動系統大轉矩、寬調速范圍的要求,在電機的制造和控制等方面的技術風險也較小。在電機電動和制動的不同工況中采用不同的弱磁控制策略,有利于提高整個驅動系統的可靠性。

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