孫會(huì)來(lái)，金 純，張文明，田海勇，鄭舒陽(yáng)

(1.北京科技大學(xué)，北京100083;2.中國(guó)北車(chē)股份有限公司，北京100083)

0 引 言

電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是電傳動(dòng)車(chē)輛的運(yùn)行核心，當(dāng)在牽引工況運(yùn)行時(shí)，能量從柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)傳遞到輪邊牽引電機(jī)，行駛路況復(fù)雜多變對(duì)牽引電機(jī)的控制提出了更高的要求，這種電傳動(dòng)的方式廣泛應(yīng)用于裝甲車(chē)、工程車(chē)輛、機(jī)車(chē)等領(lǐng)域［1～3］。牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與整車(chē)綜合性能匹配及合理控制策略的實(shí)施成為電傳動(dòng)系統(tǒng)需解決的重要問(wèn)題。

近年來(lái)，在廣泛應(yīng)用的異步電動(dòng)機(jī)控制中，各種智能方法得到了廣泛的應(yīng)用。磁場(chǎng)定向控制始終是調(diào)速的基礎(chǔ)。基于自適應(yīng)全階觀(guān)測(cè)器的轉(zhuǎn)子磁鏈觀(guān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為了一個(gè)熱門(mén)的研究課題。基于電機(jī)模型的開(kāi)環(huán)磁鏈觀(guān)測(cè)，以及觀(guān)測(cè)器的閉環(huán)磁鏈觀(guān)測(cè)也被廣泛的采用和研究［4］。車(chē)輛行駛作為一個(gè)多工況的復(fù)雜驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)設(shè)計(jì)及控制研究往往沒(méi)有很好結(jié)合在一起。

本文基于車(chē)輛牽引控制，從建立異步電機(jī)物理模型入手，建立了基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制方法的數(shù)學(xué)模型及實(shí)現(xiàn)方法。論述了基于Simulink 軟件的交流異步電機(jī)矢量控制算法與基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制。針對(duì)行駛路況復(fù)雜多變的特點(diǎn)，提出了以功率為外環(huán)并通過(guò)斜坡給定的矢量控制策略，來(lái)控制車(chē)用異步牽引電機(jī)，硬件系統(tǒng)以數(shù)字處理器DSP 與CPLD 為核心，搭建了牽引異步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電機(jī)靜止加速起動(dòng)工況，及車(chē)輛先加速行駛后減速行駛工況。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明采用該控制算法的逆變器能夠適應(yīng)負(fù)載的各種變化，滿(mǎn)足對(duì)路況復(fù)雜多變的要求。

1 基于轉(zhuǎn)子磁鏈的異步電機(jī)矢量控制方法

1.1 基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

通常，交流異步電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d、q 下的數(shù)學(xué)模型時(shí)，只規(guī)定d、q 軸的相互垂直關(guān)系，并未確定交流異步電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相對(duì)位置。取d 軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶喀譺重合，而q 軸相對(duì)于d 軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)了90°，成垂直關(guān)系，則轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶喀譺與q 軸互相垂直，q 軸上的分量為零［5］。即:

將d 軸稱(chēng)之為M 軸，垂直于d 軸的q 軸稱(chēng)之為T(mén) 軸。這樣就用旋轉(zhuǎn)的M、T 坐標(biāo)來(lái)代替d、q 坐標(biāo)，稱(chēng)之為按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系?？梢酝瞥鲈贛、T 坐標(biāo)系下的異步電機(jī)電壓方程表達(dá)式:

1.2 M、T 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的矢量控制方程

由簡(jiǎn)化的鼠籠型交流異步電機(jī)的電壓方程式可以推出轉(zhuǎn)子磁鏈的M 軸分量［6］:

由式(3)可以看出，轉(zhuǎn)子磁鏈只與電機(jī)定子電流的M 軸上投影分量iMs有關(guān)，稱(chēng)其為定子電流的勵(lì)磁電流。同時(shí)，由式(3)可以看出，勵(lì)磁電流iMs和轉(zhuǎn)子磁鏈ψMr兩者之間存在一階慣性環(huán)節(jié)，與直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組慣性相同，即當(dāng)勵(lì)磁電流iMs變化時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鏈ψMr的變化受勵(lì)磁慣性的影響。由式(2)第四行可以推出穩(wěn)態(tài)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)差:

轉(zhuǎn)矩方程:

在具體的控制電路中，可在轉(zhuǎn)速閉環(huán)后增加轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，可抑制磁鏈的擾動(dòng)，提高轉(zhuǎn)速的響應(yīng)速度。給定轉(zhuǎn)速nref與檢測(cè)轉(zhuǎn)速反饋量nfk的偏差經(jīng)轉(zhuǎn)速PI［7］調(diào)節(jié)器輸出用于控制轉(zhuǎn)矩電流T 軸的給定分量iTref。電路中的磁鏈調(diào)節(jié)器用于對(duì)電機(jī)定子磁鏈的控制，并設(shè)置了電流變換和磁鏈觀(guān)測(cè)環(huán)節(jié)。電流反饋量的偏差經(jīng)過(guò)電流PI 調(diào)節(jié)器，分別輸出M、T旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓分量再經(jīng)過(guò)Park 逆變換［8］得到α、β 坐標(biāo)系下的定子電壓矢量分量，經(jīng)過(guò)SVPWM 技術(shù)，產(chǎn)生PWM 控制信號(hào)，最終控制電機(jī)定子的三相輸入電流。

2 基于功率外環(huán)的電傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用以速度為外環(huán)的控制策略，電機(jī)可以被控制在設(shè)定的轉(zhuǎn)速下平穩(wěn)運(yùn)行，但在程序仿真運(yùn)行初始階段，由于速度的反饋量比較小，則會(huì)引起其與給定值偏差較大，從而導(dǎo)致電機(jī)在起動(dòng)的瞬時(shí)電流波動(dòng)較大，這樣會(huì)對(duì)車(chē)輛在起動(dòng)的時(shí)候造成較大沖擊，可能引起逆變器的過(guò)流保護(hù)，使車(chē)輛無(wú)法起動(dòng)。

基于以上分析，采用以功率為外環(huán)并通過(guò)斜坡給定的控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1 所示。由于在實(shí)際的車(chē)上速度傳感器一般采用光電式或磁電式，在低速時(shí)或是速度波動(dòng)比較大時(shí)，速度信號(hào)的采集會(huì)受到很大影響。因此，本文采用功率為外環(huán)的矢量控制方法，功率的給定由油門(mén)踏板來(lái)控制，功率的反饋通過(guò)采集直流母線(xiàn)的電壓和電流信號(hào)得出。顯然電壓和電流信號(hào)的反饋要比速度信號(hào)精確、可靠，可以實(shí)時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)的實(shí)際功率。功率斜坡給定用于給定回路，限制給定信號(hào)的變化率，減小其與反饋值的偏差，從而限制電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化率，減小電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流，保護(hù)機(jī)械結(jié)構(gòu)。

圖1 基于功率外環(huán)的控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3 交流異步電機(jī)矢量控制仿真

根據(jù)以上電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制思路，建立MATLAB/Simulink 仿真框圖，其中選用軟件自帶的電機(jī)以及逆變器模塊，并根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)設(shè)備加以參數(shù)更改和匹配，最終組成交流異步電動(dòng)機(jī)矢量控制仿真系統(tǒng)，如圖2 所示。

根據(jù)Simulink 模擬車(chē)輛由靜止到勻速行駛工況，系統(tǒng)的仿真模型結(jié)果如圖3 ～圖4 所示。圖3為電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間曲線(xiàn)，由圖中所示的波形可以看出，在轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶靠刂萍夹g(shù)下，電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，有部分時(shí)間出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，但很快恢復(fù)最終穩(wěn)定到目標(biāo)轉(zhuǎn)速380 r/min。圖4 為電機(jī)扭矩隨時(shí)間變化輸出仿真曲線(xiàn)，由于電機(jī)本身的慣性，在起動(dòng)的最初1 s 內(nèi)電機(jī)出現(xiàn)超調(diào)，逆變器輸出三相電流在起動(dòng)的時(shí)候偏大，但很快降到平穩(wěn)狀態(tài)。通過(guò)上述仿真分析可知，采用矢量控制技術(shù)可以使電機(jī)快速平穩(wěn)地達(dá)到一個(gè)平穩(wěn)狀態(tài)，有利于車(chē)輛安全行駛。

圖2 交流異步電動(dòng)機(jī)矢量控制仿真框圖

圖3 靜止起動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速模擬曲線(xiàn)圖

圖4 靜止起動(dòng)電機(jī)輸出扭矩模擬波形圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理框圖搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建如圖5 所示。在實(shí)驗(yàn)中采用交流380 V 電網(wǎng)供電，通過(guò)可調(diào)變壓器將電壓調(diào)到所需要的數(shù)值上，然后通過(guò)整流器將交流整成直流電，采用功率為外環(huán)的矢量控制算法來(lái)控制牽引異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。

圖5 異步電動(dòng)機(jī)牽引實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

異步電機(jī)與直流發(fā)電機(jī)中間軸接一轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，轉(zhuǎn)速信號(hào)作為反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理作為矢量控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)，轉(zhuǎn)矩信號(hào)可反映電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同負(fù)載工況的模擬，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的能量可以由電阻散熱消耗。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上可以完成模擬電機(jī)靜止加速起動(dòng)工況，模擬車(chē)輛先加速行駛后減速行駛工況。在牽引實(shí)驗(yàn)時(shí)功率給定由電位器調(diào)節(jié)，電壓、電流、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩由相應(yīng)的傳感器檢測(cè)采用CAN 總線(xiàn)與上位機(jī)和其它控制單元進(jìn)行通信。通過(guò)軟件可以獲得功率給定與反饋、id給定與反饋、iq給定與反饋、逆變器輸出電流、直流母線(xiàn)電壓和電流、轉(zhuǎn)速、PI 控制器輸出量等參數(shù)。

(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)M自卸車(chē)空載起動(dòng)過(guò)程

當(dāng)車(chē)輛由靜止起動(dòng)時(shí)，為保證車(chē)輛的平穩(wěn)起動(dòng)，則逆變器不能出現(xiàn)超調(diào)、振蕩以及過(guò)流保護(hù)現(xiàn)象?；究蛰d實(shí)驗(yàn)時(shí)首先通過(guò)電位器調(diào)節(jié)功率給定值，設(shè)定好勵(lì)磁調(diào)節(jié)初始值，然后起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，待電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。圖6 為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)，從圖中可以看到電機(jī)轉(zhuǎn)子由靜止很快上升到380 r/min 左右，由于內(nèi)部PI 控制器作用，開(kāi)始時(shí)轉(zhuǎn)速有稍許波動(dòng)，但經(jīng)過(guò)大約10 s 左右逐漸穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。從圖7 的電機(jī)輸出扭矩波形可以看出，沒(méi)有出現(xiàn)較大波動(dòng)，在接受范圍內(nèi)。電流在起動(dòng)的瞬時(shí)也沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)流、超調(diào)現(xiàn)象，隨著轉(zhuǎn)速升高，電流波形變化頻率逐漸變快，最后趨于穩(wěn)定。通過(guò)空載起動(dòng)實(shí)驗(yàn)可以看出，電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好，說(shuō)明采用功率外環(huán)矢量控制的異步電動(dòng)機(jī)可以平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)靜止加速起動(dòng)。

圖6 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)

圖7 電機(jī)輸出扭矩變化曲線(xiàn)

(2)實(shí)驗(yàn)?zāi)M自卸車(chē)加速減速過(guò)程

車(chē)輛在平直路面行駛時(shí)，假設(shè)路面摩擦系數(shù)不發(fā)生變化，當(dāng)駕駛員想加速行駛，通常加大油門(mén)，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率會(huì)提高，同時(shí)扭矩也會(huì)相應(yīng)提高，車(chē)輛將獲得一定的加速度。減速行駛過(guò)程正好相反。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)控制功率電位器給定，讓給定功率先逐漸提高后逐漸減小，則電機(jī)輸出功率也會(huì)隨著時(shí)間先增加再減小。

圖8 為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)先升高再降低變化趨勢(shì)。圖9 為電機(jī)輸出扭矩變化曲線(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中扭矩響應(yīng)迅速，沒(méi)有出現(xiàn)太大的波動(dòng)。從圖10 的逆變器輸出三相電流變化曲線(xiàn)也可以看出，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電流波形變化平穩(wěn)，沒(méi)有過(guò)流、逆變器保護(hù)等現(xiàn)象。通過(guò)車(chē)輛先加速行駛后減速行駛工況實(shí)驗(yàn)可知，該控制策略能較好地完成車(chē)輛加減速要求系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

圖8 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)

圖9 電機(jī)輸出扭矩變化曲線(xiàn)

圖10 電機(jī)輸出扭矩變化曲線(xiàn)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)車(chē)輛牽引控制，建立異步電動(dòng)機(jī)物理模型，并建立了基于轉(zhuǎn)子磁鏈的電機(jī)控制策略模型。提出了以功率為外環(huán)的系統(tǒng)矢量控制策略，基于Simulink 進(jìn)行了交流異步電動(dòng)機(jī)矢量控制算法建模與仿真。搭建了異步電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬了電機(jī)靜止加速起動(dòng)工況，車(chē)輛先加速行駛后減速行駛工況。結(jié)果表明，基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制可以解決礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)輪邊交流牽引電機(jī)在動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)輸出扭矩實(shí)時(shí)控制的問(wèn)題，能夠適應(yīng)負(fù)載的各種變化，該方法具有響應(yīng)速度快、魯棒性強(qiáng)、穩(wěn)態(tài)性良好等優(yōu)點(diǎn)。

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