盛洋波， 盧子廣， 胡立坤， 廖一旭

(廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

0 引 言

考慮能源利用率以及目前技術(shù)可實(shí)行條件，發(fā)展混合電動(dòng)汽車(Hybrid Electric Vehicle, HEV)是發(fā)展新能源汽車的必經(jīng)之路[1]。HEV可有效提高燃油的利用率，減少對(duì)環(huán)境的污染，符合我國(guó)目前所倡導(dǎo)的生態(tài)文明建設(shè)的國(guó)策。HEV的發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采用籠型異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)。隨著汽車產(chǎn)業(yè)鏈的大規(guī)模發(fā)展，其電機(jī)容量達(dá)到數(shù)十千瓦，甚至高達(dá)上百千瓦，采用永磁同步電機(jī)嚴(yán)重受限于稀土資源的缺乏[2]，且稀土的伴生礦含有放射性元素，存在生態(tài)安全隱患。此外，永磁同步電機(jī)弱磁升速困難，在高溫、震動(dòng)或過負(fù)荷條件下易出現(xiàn)退磁現(xiàn)象，且高速運(yùn)行故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生過高繞組電壓損壞變流器。因此，一些知名的HEV廠商，如雷諾、通用、奔馳、寶馬等更傾向于采用籠型異步電機(jī)[3]。異步電機(jī)價(jià)格便宜、堅(jiān)固耐用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可顯著提高HEV系統(tǒng)對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力，是目前全球HEV電機(jī)的主流產(chǎn)品。

在HEV零部件技術(shù)中，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)最為關(guān)鍵。異步發(fā)電機(jī)通常需要在機(jī)端并接電容組成獨(dú)立自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)[4](Self-Excited Induction Generator, SEIG)才能在HEV上獨(dú)立供電，但SEIG不能有效維持其端電壓，帶載能力差。為保證供電質(zhì)量，在SEIG機(jī)端并聯(lián)PWM變流器，同時(shí)采用不依賴電機(jī)數(shù)學(xué)模型的SEIG端電壓定向控制方法，可顯著提高SEIG端電壓的動(dòng)靜態(tài)性能，有效解決各種電能質(zhì)量問題[5,6]。異步電動(dòng)機(jī)(Induction Motor, IM)調(diào)速控制通常采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。直接轉(zhuǎn)矩控制在HEV低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，不能滿足低速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定高轉(zhuǎn)矩要求，且直接轉(zhuǎn)矩控制無電流內(nèi)環(huán)，存在過流危險(xiǎn)[7]；矢量控制采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，將磁通和轉(zhuǎn)矩解耦，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速控制，滿足HEV的高性能調(diào)速要求[8]。

本文針對(duì)采用異步電機(jī)的串聯(lián)型HEV，給出HEV發(fā)電機(jī)工作模式下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分別對(duì)SEIG側(cè)變流器的矢量控制方法和IM側(cè)變流器的矢量控制方法進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行調(diào)速試驗(yàn)，給出了實(shí)時(shí)控制效果。

1 異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

異步電機(jī)有電動(dòng)和發(fā)電兩種可逆運(yùn)行狀態(tài)，本文選取電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)搭建數(shù)學(xué)模型，則在旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的磁鏈方程為

(1)

式中:ψsd、ψsq——定子磁鏈的d、q軸分量；

ψrd、ψrq——轉(zhuǎn)子磁鏈的d、q軸分量；

isd、isq——定子電流的d、q軸分量；

ird、irq——轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量；

Lm——互感；

Ls——定子自感；

Lr——轉(zhuǎn)子自感。

dq坐標(biāo)系下的電壓方程為

(2)

式中:usd、usq——定子電壓的d、q軸分量;

urd、urq——轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量;

Rs、Rr——定子、轉(zhuǎn)子的電阻；

ωdqs、ωdqr——定子、轉(zhuǎn)子在dq坐標(biāo)系的角速度；

p——微分算子。

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

(3)

式中：np——極對(duì)數(shù)。

2 HEV系統(tǒng)及控制結(jié)構(gòu)

2.1 HEV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

串聯(lián)型HEV發(fā)電機(jī)工作模式下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由供電系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。供電系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、SEIG和SEIG側(cè)變流器組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由IM和IM側(cè)變流器組成，兩臺(tái)變流器背靠背連接。

圖1 串聯(lián)型HEV發(fā)電機(jī)工作模式下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1中，供電系統(tǒng)變量和參數(shù)：uga、ugb、ugc為三相SEIG端電壓，iga、igb、igc為SEIG側(cè)變流器三相電流，ugdc為直流側(cè)電壓，C為勵(lì)磁電容，L為濾波電感，CG為直流側(cè)電容；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)變量和參數(shù)：isa、isb、isc為異步電動(dòng)機(jī)三相定子電流，CM為直流側(cè)電感，usdc為直流側(cè)電壓，其中，usdc=ugdc=udc。

SEIG側(cè)變流器的主要功能： 在HEV不同運(yùn)行狀態(tài)下穩(wěn)定持續(xù)地為HEV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供電，同時(shí)維持SEIG端電壓恒定。IM側(cè)變流器的主要功能： 驅(qū)動(dòng)IM工作，實(shí)現(xiàn)HEV不同運(yùn)行狀態(tài)下的高性能調(diào)速控制。

2.2 SEIG變流器控制結(jié)構(gòu)

SEIG側(cè)變流器的控制框圖如圖2所示。采用基于SEIG端電壓定向的矢量控制方法，選取d軸方向?yàn)镾EIG端電壓矢量旋轉(zhuǎn)方向，則變流器電流的d軸分量igd為有功分量，q軸分量igq為無功分量。

圖2 SEIG側(cè)變流器控制框圖

在圖2中，端電壓峰值和定向角觀測(cè)器模型如式(4)所示。

(4)

式中：ugα、ugβ——三相SEIG端電壓經(jīng)過Clarke變換后的兩相靜止坐標(biāo)系α、β下的分量。

(5)

kgdp、kgdi、kgqp、kgqi——直流側(cè)電壓PI調(diào)節(jié)器和SEIG端電壓峰值PI調(diào)節(jié)器的比例、積分系數(shù)。

(6)

式中,kgap、kgai、kgap、kgai、kgap、kgai為SEIG側(cè)變流器三相電流PI調(diào)節(jié)器的比例、積分系數(shù)。

三相調(diào)制波經(jīng)過SPWM調(diào)制后輸出6路PWM脈沖，然后驅(qū)動(dòng)SEIG側(cè)變流器持續(xù)穩(wěn)定地為處于不同運(yùn)行狀態(tài)下的HEV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供電。

2.3 IM側(cè)變流器控制結(jié)構(gòu)

IM側(cè)變流器采用基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方法，取d軸方向?yàn)檗D(zhuǎn)子磁鏈ψr方向，則由等式可得轉(zhuǎn)子磁鏈方程為

(7)

由于d、q坐標(biāo)系定向于轉(zhuǎn)子磁鏈方向，則ωdqs等于轉(zhuǎn)子磁鏈角速度ω1，ωdqr等于轉(zhuǎn)差角速度ωs，而籠型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部是短路的，轉(zhuǎn)子電壓在d、q軸上的分量urd=urq=0，則等式可簡(jiǎn)化為

(8)

由等式(7)和式(8)可得轉(zhuǎn)子磁鏈ψr與定子電流勵(lì)磁分量isd的關(guān)系為

(9)

式中:Tr——轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)。

由式(9)可知，轉(zhuǎn)子磁鏈ψr僅由定子電流勵(lì)磁分量isd決定，與轉(zhuǎn)矩分量isq無關(guān)，說明isd和isq是解耦的。

將式(3)的轉(zhuǎn)矩方程化為

(10)

由式(10)可知，若控制勵(lì)磁分量isd保證轉(zhuǎn)子磁鏈ψr不變，即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩分量isq對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩Te的快速控制，從而將IM等效為直流電動(dòng)機(jī)。IM側(cè)變流器的控制框圖如圖3所示。

圖3中，轉(zhuǎn)子磁鏈和定向角觀測(cè)器采用的電流模型為

圖3 IM側(cè)變流器控制框圖

(11)

式中:ω——轉(zhuǎn)速反饋值；

ψrα、ψr β——轉(zhuǎn)子磁鏈的α、β分量；

isα、isβ——定子電流的α、β分量。

磁鏈ψr和定向角θr為

(12)

3 試驗(yàn)結(jié)果

采用PM300DSA120智能功率模塊搭建SEIG側(cè)PWM變流器和IM側(cè)PWM變流器，分別采用TMS320F2812 DSP和dSPACE 單板控制器DS1104進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。通過1024線增量式編碼器測(cè)量IM轉(zhuǎn)速，采用LEM LA100-P電流傳感器和LEM LV28-P電壓傳感器測(cè)量SEIG側(cè)變流器的三相電流、IM三相定子電流、SEIG端電壓，及直流側(cè)電壓。SEIG側(cè)變流器參數(shù)： 濾波電感 1.7mH，直流側(cè)電容5000μF，開關(guān)頻率7kHz，死區(qū)時(shí)間4.3μs；IM側(cè)變流器參數(shù)： 直流側(cè)電容5000μF，開關(guān)頻率10kHz，死區(qū)時(shí)間5μs。SEIG和IM的參數(shù)如表1所示。

表1 SEIG和IM參數(shù)

由圖4(a)可看出，轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間為 0.15s，響應(yīng)時(shí)間短；由圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)可看出，轉(zhuǎn)速變化時(shí)，電流跟蹤性能良好，轉(zhuǎn)矩Te呈現(xiàn)方波，且轉(zhuǎn)子磁鏈沒有變化，解耦效果明顯。

由圖4(e)可知，SEIG端電壓峰值由311V跌落至270V，后又恢復(fù)給定值311V，最大動(dòng)態(tài)電壓41V，SEIG側(cè)變流器可有效維持機(jī)端電壓；由圖4(f)可知，直流側(cè)電壓由200V跌落至170V，后又恢復(fù)給定值200V，最大動(dòng)態(tài)電壓30V。這表明HEV需要加速動(dòng)能時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定的電源，保證了整個(gè)HEV正常運(yùn)行。

HEV減速試驗(yàn)結(jié)果(IM轉(zhuǎn)速給定值ω*由600r/min降低到200r/min)如圖5所示。由圖5(a)和圖5(b)可看出，速度和定子電流的跟蹤性能良好;由圖5(c)和圖5(d)可看出，轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈解耦效果明顯，與加速試驗(yàn)結(jié)果一致。

由圖5(e)、圖5(f)可知，SEIG端電壓峰值由311V上升至326V，最大動(dòng)態(tài)電壓為15V，直流側(cè)電壓由200V上升至207V，最大動(dòng)態(tài)電壓為7V，表明HEV減速時(shí)能將能量反饋至直流側(cè)。若在直流側(cè)接入低壓側(cè)帶蓄電池的雙向DC/DC變換器，可吸收減速時(shí)回饋的動(dòng)能，提高HEV運(yùn)行效率。

圖4 HEV加速試驗(yàn)結(jié)果

圖5 HEV減速試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種發(fā)電電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用異步電機(jī)的串聯(lián)型HEV動(dòng)力系統(tǒng)。該HEV系統(tǒng)由SEIG、雙PWM變流器和IM組成，兩個(gè)PWM變流器均采用矢量控制方法。試驗(yàn)結(jié)果表明： HEV加速和減速時(shí)，IM的速度響應(yīng)時(shí)間短，電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈能夠?qū)崿F(xiàn)解耦，調(diào)速控制效果好；同時(shí)，在HEV加速時(shí)，SEIG變流器能夠穩(wěn)定持續(xù)提供加速所需要的動(dòng)能；HEV減速時(shí)，IM變流器能夠?qū)p速產(chǎn)生的動(dòng)能回饋到直流側(cè)。該系統(tǒng)的良好運(yùn)行效果為HEV的動(dòng)力系統(tǒng)提供了新的選擇方案。

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