黃蘇融， 王維辰， 王 爽， 史 岱

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

0 引言

電動(dòng)汽車電池的充放電過程會(huì)造成電機(jī)系統(tǒng)母線電壓幅值的動(dòng)態(tài)變化。母線電壓對(duì)應(yīng)的電機(jī)基速和轉(zhuǎn)折速度將電機(jī)運(yùn)行區(qū)域分為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)，并分別使用最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制［1］和弱磁控制［2］。由于母線電壓變化引起電機(jī)的基速和轉(zhuǎn)折速度變化，可能導(dǎo)致電機(jī)系統(tǒng)失控或者無法獲得最優(yōu)的能源利用率［3］。為提高母線電壓利用率和電機(jī)運(yùn)行效率，并防止電機(jī)系統(tǒng)失控，開展基于母線電壓變化的控制策略研究具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。

文獻(xiàn)［4，7］提出了一種反電勢(shì)電壓限幅法，在母線電壓下降時(shí)，可防止電流調(diào)節(jié)器飽和，但只適用于恒功率運(yùn)行區(qū)的弱磁控制，動(dòng)態(tài)性能欠佳。文獻(xiàn)［5-6］以轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和電壓為依據(jù)，建立3維指令表，在防止電流調(diào)節(jié)器飽和的同時(shí)有效地提高電機(jī)運(yùn)行效率。但該方法數(shù)據(jù)龐大，建表耗時(shí)，插值誤差大。針對(duì)這些不足，文獻(xiàn)［3］采用了電壓反饋調(diào)整指令法，建立2維指令表，將轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和母線電壓按一定的內(nèi)在比例作為控制指令調(diào)整的依據(jù)，修正電流指令，消除母線電壓動(dòng)態(tài)變化造成的影響，并應(yīng)用于韓國“現(xiàn)代”YF Sonata混合動(dòng)力汽車中。但是指令表各個(gè)比例系數(shù)依據(jù)不同的電機(jī)參數(shù)變化，不具備通用性。

本文在分析比較各種基于母線電壓變化控制策略的基礎(chǔ)上，提出“將實(shí)際母線電壓向額定母線電壓等效折合，同比調(diào)整作為查表依據(jù)的電角速度指令值”的方法，直接對(duì)控制指令進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，有效防止調(diào)節(jié)器失控并提高電機(jī)運(yùn)行效率。仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。

圖1 電機(jī)的基速、轉(zhuǎn)折速度和運(yùn)行區(qū)域

1 IPM同步牽引電機(jī)定子電流最優(yōu)控制

正弦穩(wěn)態(tài)下電機(jī)定子電壓矢量us的幅值與電角速度ωe有關(guān)，即電角速度受到電壓極限值的制約。電機(jī)基速(第一轉(zhuǎn)折速度)ω1與第二轉(zhuǎn)折速度ω2表達(dá)式如式(1)、式(2)所示:

ud、uq——dq軸電壓;

id、iq——dq軸電流;

Ld、Lq——dq軸電感;

ψmag——永磁體磁鏈;

pn——電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

如圖1所示，電流極限圓和最大轉(zhuǎn)矩/電流比軌跡交于A點(diǎn)，通過A點(diǎn)的電壓極限橢圓對(duì)應(yīng)的電角速度為基速，而通過坐標(biāo)原點(diǎn)的電壓極限橢圓對(duì)應(yīng)的電角速度為第二轉(zhuǎn)折速度。

定子電流最優(yōu)控制是根據(jù)不同的電機(jī)運(yùn)行區(qū)域，選擇使用最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制和弱磁控制的一種混合控制策略。電機(jī)基速將運(yùn)行區(qū)域分為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)，第二轉(zhuǎn)折速度將恒功率區(qū)分為弱磁A區(qū)及弱磁B區(qū)。如圖1所示，在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)定子電流矢量軌跡始終不離開OA段，滿足最大轉(zhuǎn)矩/電流比的控制規(guī)律，使電氣損耗降到最小，電機(jī)系統(tǒng)效率最高，同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)逆變器額定電流容量要求最低，指令表達(dá)式如式(3)和式(5)所示。在弱磁B區(qū)，為避免電流調(diào)節(jié)器飽和，使用弱磁控制，定子電流軌跡在OBC區(qū)域內(nèi)，指令計(jì)算如式(4)和式(5)所示。弱磁A區(qū)，即OAB區(qū)域，根據(jù)負(fù)載要求使用最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制或者弱磁控制。

2 傳統(tǒng)電流指令查表法

傳統(tǒng)的定子電流最優(yōu)控制方法利用式(1)～式(5)建立控制指令表，將母線電壓視為常值，由電機(jī)的電角速度決定控制區(qū)域。實(shí)時(shí)控制中使用電角速度ωe，轉(zhuǎn)矩指令Tem進(jìn)行2維查表，得到電流控制指令。查表方式如圖2所示。

傳統(tǒng)的控制方法如圖3所示，當(dāng)母線電壓升高(Udc1→Udc2)，A1點(diǎn)和B1點(diǎn)不能提高母線電壓的利用率，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行效率下降。反之，當(dāng)母線電壓下降(Udc2→Udc1)，電機(jī)無法運(yùn)行在A2點(diǎn)和B2點(diǎn)，電流調(diào)節(jié)器飽和并失去對(duì)定子電流的控制能力。這是傳統(tǒng)控制方法沒有考慮母線電壓變化造成的弊端。

3 考慮母線電壓變化的定子電流最優(yōu)控制策略

針對(duì)傳統(tǒng)控制方法的不足，本文基于母線電壓變化的控制策略，提出“將實(shí)際母線電壓向額定母線電壓等效折合，同比調(diào)整作為查表依據(jù)的電角速度指令值”的改進(jìn)方法，在查表法中植入母線電壓值，根據(jù)母線電壓的變化及時(shí)調(diào)整電角速度基值和控制指令值。改進(jìn)后的查表方式如圖4所示。

圖4 改進(jìn)控制方法的電流查表方式

當(dāng)電角速度小于ω1，運(yùn)行于基速區(qū)，采用轉(zhuǎn)矩指令進(jìn)行一維查表;電角速度大于ω1，則運(yùn)行于恒功率區(qū)。

電機(jī)在恒功率區(qū)運(yùn)行受電角速度和母線電壓共同制約。根據(jù)電壓橢圓公式(7)，在任一狀態(tài)下，ulim/ωe比值確定唯一的電壓橢圓。

以額定的母線電壓udc－r及其額定的基速ω1－r建立控制指令表。當(dāng)母線電壓udc變化，所對(duì)應(yīng)的實(shí)際基速ω1如式(6)所示:

保持電壓橢圓不變，依據(jù)折合理論［7］，將實(shí)際的母線電壓向額定的母線電壓折合，計(jì)算折合后的電角速度，如式(8)所示:

式中:udc——實(shí)際母線電壓;

ωe——實(shí)際電角速度;

udc－r——額定母線電壓;

ω'e——等效折合后的電角速度。

ω'e作為在額定母線電壓計(jì)算體系恒功率區(qū)的查表依據(jù)，與轉(zhuǎn)矩指令Tem共同進(jìn)行二維查表得到恒功率區(qū)對(duì)應(yīng)的電流指令值。

改進(jìn)后的基于母線電壓變化的控制方法如圖5所示。當(dāng)母線電壓上升，控制指令從A1點(diǎn)和B1點(diǎn)向A2點(diǎn)和B2點(diǎn)轉(zhuǎn)移，減小弱磁程度，提高母線電壓利用率和電機(jī)效率。反之，電壓下降，控制指令由A2點(diǎn)和B2點(diǎn)轉(zhuǎn)向A1點(diǎn)和B1點(diǎn)，防止電流調(diào)節(jié)器的飽和與失控。

圖5 改進(jìn)的控制方法

4 仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

本節(jié)首先采用仿真分析方法比較未考慮母線電壓變化的傳統(tǒng)控制方法和基于母線電壓變化的改進(jìn)控制方法在電壓下降時(shí)的電流特性和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性。通過仿真試驗(yàn)方法，比較兩種控制方法在電壓上升時(shí)的機(jī)械特性與效率特性。

電機(jī)的參數(shù)值如表1所示。

表1 電機(jī)參數(shù)值

4.1 仿真分析

圖6和圖7為電機(jī)運(yùn)行于恒功率區(qū)，轉(zhuǎn)速6 500 r/min、負(fù)載轉(zhuǎn)矩 60 N·m，母線電壓從280 V突降至220 V的仿真結(jié)果。

圖6為采用未考慮母線電壓變化的傳統(tǒng)控制方法的仿真結(jié)果。當(dāng)電壓突降后，dq軸電流調(diào)節(jié)器飽和并產(chǎn)生振蕩，失去對(duì)定子電流的控制能力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩持續(xù)振蕩。

圖7為采用基于母線電壓變化的改進(jìn)控制方法的仿真結(jié)果。當(dāng)電壓突降后，控制指令及時(shí)調(diào)整，dq軸電流調(diào)節(jié)器快速跟蹤電流給定值，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩?zé)o持續(xù)振蕩，滿足運(yùn)行要求。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

使用數(shù)字化虛擬電機(jī)半實(shí)物仿真試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行基于母線電壓變化的控制方法的試驗(yàn)驗(yàn)證。該平臺(tái)以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)構(gòu)造電機(jī)和逆變器模型，并使用DSP作為控制器，是驗(yàn)證控制算法的有效工具［8］。

試驗(yàn)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速6 500 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩70 N·m，將母線電壓從額定的280 V提高至320 V，電壓提升14.28%。圖8和圖9分別顯示傳統(tǒng)控制方法和基于母線電壓變化的改進(jìn)控制方法的相電流波形，示波器橫軸為0.5 ms/div，縱軸為0.5 V/div，相電流信號(hào)的變比為311 A/V;其中傳統(tǒng)控制方法的相電流有效值為163.58 A，改進(jìn)后的控制方法的相電流有效值為153.41 A。由此可見，采用改進(jìn)的控制方法后，當(dāng)電壓提升14.28%時(shí)，相電流降低6.22%，電機(jī)銅耗下降12.05%。進(jìn)的控制方法拓寬了恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域的范圍。在恒功率運(yùn)行區(qū)，有效地降低電流幅值，從而降低銅耗，整個(gè)弱磁區(qū)間效率提升1.5% ～4.3%不等。

圖10 傳統(tǒng)方法和改進(jìn)方法的機(jī)械特性及效率曲線比較

5 結(jié)語

圖10是母線電壓升高至320 V的情況下分別采用傳統(tǒng)控制方法和基于母線電壓變化的改進(jìn)控制方法得到的機(jī)械特性曲線和效率曲線。由圖10可見，當(dāng)母線電壓升高至320 V后，采用改

采用未考慮母線電壓變化的傳統(tǒng)控制方法在母線電壓上升時(shí)，不能提高母線電壓利用率和電機(jī)效率;在母線電壓下降時(shí)，電流調(diào)節(jié)器會(huì)產(chǎn)生飽和，系統(tǒng)失去對(duì)定子電流的控制能力。

本文在分析比較各種基于母線電壓變化控制策略的基礎(chǔ)上，提出“將實(shí)際母線電壓向額定母線電壓等效折合，同比調(diào)整作為查表依據(jù)的電角速度指令值”的改進(jìn)方法，直接對(duì)控制指令進(jìn)行修正。該方法概念清晰，實(shí)施方便，通用性強(qiáng)。

通過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)的方法在母線電壓上升時(shí)，有效提高母線電壓利用率及系統(tǒng)運(yùn)行效率;在母線電壓下降時(shí)，避免了電流調(diào)節(jié)器的飽和與失控現(xiàn)象。

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