劉春光，項 宇，劉越戰(zhàn)

(1.裝甲兵工程學院 全電化技術(shù)重點實驗室，北京 100072；2.太和縣馬集鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)綜合服務站，阜陽 236600)

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電傳動裝甲車輛發(fā)動機-發(fā)電機組建模與仿真研究

劉春光1，項 宇1，劉越戰(zhàn)2

(1.裝甲兵工程學院 全電化技術(shù)重點實驗室，北京 100072；2.太和縣馬集鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)綜合服務站，阜陽 236600)

發(fā)動機-發(fā)電機組是電傳動裝甲車輛的核心部件，建立其仿真模型對電傳動技術(shù)研究具有重要意義，其較強的非線性特性大大增加了其建模仿真難度。通過采用實驗數(shù)據(jù)與控制理論相結(jié)合的方式建立了發(fā)動機穩(wěn)態(tài)模型?；诎l(fā)電機時變參數(shù)建立其仿真模型，設計了整流穩(wěn)壓及弱磁控制方案。通過仿真與臺架試驗驗證了部件及機組模型的可靠性。

電傳動裝甲車輛；發(fā)動機-發(fā)電機組；建模仿真

0 引 言

當前，全電戰(zhàn)斗車輛成為裝甲車輛發(fā)展方向[1]，而電傳動技術(shù)是全電化的基礎(chǔ)。由于當前儲能技術(shù)還不能滿足車輛行駛、防護、火力等系統(tǒng)的電力需求，發(fā)動機-發(fā)電機組仍然是電傳動車輛的主能量源[2-3]，發(fā)揮著不可代替的作用，與動力電池和超級電容一起為各類用電設備提供電力。負載在多動力源之間的分流控制是電傳動領(lǐng)域研究的關(guān)鍵技術(shù)之一[4]，建立發(fā)動機-發(fā)電機組模型，能夠為研究主動力源和輔助動力源的優(yōu)化控制提供基礎(chǔ)。本文將在MATLAB/Simulink環(huán)境下，建立發(fā)動機-發(fā)電機組的仿真模型，并對模型進行驗證。

1 發(fā)動機建模

發(fā)動機工作過程受多種因素影響[5]，依據(jù)發(fā)動機原理的建模過程過于復雜，而根據(jù)實驗數(shù)據(jù)、公式法等方式描述發(fā)動機工作特性的建模方法較適用于控制策略研究。因此，本文根據(jù)發(fā)動機實驗數(shù)據(jù)及其油門調(diào)節(jié)原理建立其動態(tài)仿真模型。

1.1 發(fā)動機穩(wěn)態(tài)模型

對發(fā)動機臺架試驗獲得的發(fā)動機穩(wěn)態(tài)輸出數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果用于模擬發(fā)動機穩(wěn)態(tài)條件下的輸入輸出特性。對數(shù)據(jù)的學習方法較多，但是各種方法的學習精度不同，其中神經(jīng)網(wǎng)絡學習精度高[6-7]，適用于發(fā)動機穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)學習。

設計雙輸入、單輸出，含有一個隱含層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡，輸入為發(fā)動機油門和轉(zhuǎn)速，輸出為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，如圖1所示。網(wǎng)絡訓練迭代次數(shù)1000，學習率0.1，訓練目標0.000 1。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

利用測得的發(fā)動機臺架數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練，選取部分實驗數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡學習結(jié)果進行測試。測試結(jié)果如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可知，網(wǎng)絡預測輸出與實際輸出相近，預測誤差在1%以內(nèi)，學習精度較高。發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油門開度、轉(zhuǎn)矩關(guān)系如圖4所示，作為發(fā)動機穩(wěn)態(tài)模型。

圖2 測試結(jié)果圖3 測試誤差

圖4 轉(zhuǎn)速-油門開度-轉(zhuǎn)矩關(guān)系

1.2 發(fā)動機動態(tài)模型

在發(fā)動機穩(wěn)態(tài)模型的基礎(chǔ)上，用發(fā)動機轉(zhuǎn)矩方程描述發(fā)動機在各工作點間的調(diào)整過程，兩者相結(jié)合可構(gòu)成發(fā)動機動態(tài)模型。

(1)

式中：T為軸輸出轉(zhuǎn)矩；Tem為發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩；T0為空載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動慣量；D為發(fā)動機軸的摩擦系數(shù)。

圖5為發(fā)動機模型。與發(fā)動機實際調(diào)速控制相同，通過速度閉環(huán)PID控制器調(diào)節(jié)油門大小，實現(xiàn)對發(fā)動機轉(zhuǎn)速的控制，跟蹤給定轉(zhuǎn)速。τ為控制系統(tǒng)的響應時間。

圖5 發(fā)動機模型

1.3 發(fā)動機模型測試

在恒定負載條件下，測量發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速階躍變化時的轉(zhuǎn)速調(diào)整時間，仿真和實驗結(jié)果對比如表1 所示。

表1 仿真與實驗結(jié)果對比

由表1可知，發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)整時間仿真值與實測值差值基本上在0.1s以內(nèi)，在可接受范圍之內(nèi)。

2 發(fā)電機建模

2.1 發(fā)電機模型

發(fā)電機為永磁同步發(fā)電機，為更加準確地體現(xiàn)發(fā)電機運行特性，考慮電動機參數(shù)時變特性，建立在旋轉(zhuǎn)坐標系下的永磁同步發(fā)電機數(shù)學模型[7]：

(2)

式中：Ud，Uq，id，iq，Ld，Lq分別是定子電壓、電流、電感的d，q軸分量；p為極對數(shù)；ωr為電機的電角速度；ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈；Tem為電磁轉(zhuǎn)矩。f1，f2為電感Ld，Lq與直交軸電流id，iq的函數(shù)。

在實際運行中，定子電流增大會引起磁路飽和，導致交直軸電感發(fā)生變化，如圖6所示，致使電機實際轉(zhuǎn)矩與不計飽和情況下的輸出轉(zhuǎn)矩存在差異。

圖6 交直軸電感與電流關(guān)系

通過有限元仿真獲得考慮磁鏈飽和情況下的發(fā)電機最大轉(zhuǎn)矩和交直軸電流關(guān)系，如圖7所示，用于最大轉(zhuǎn)矩電流比(MPTA)控制。

圖7 最大轉(zhuǎn)矩和交直軸電流關(guān)系

2.2 發(fā)電機控制方案

圖8為發(fā)電機穩(wěn)壓控制方案。發(fā)動機起動后，發(fā)動機調(diào)速至怠速800 r/min，發(fā)電機開始調(diào)壓發(fā)電，此過程中轉(zhuǎn)速較低，不需進行弱磁控制，采用MTPA控制策略。發(fā)電時采用雙閉環(huán)控制模式，電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)，實現(xiàn)對直流側(cè)母線電壓的控制；當電機轉(zhuǎn)速過高時，電機反電勢增加，為了控制母線電壓，采用電壓反饋弱磁控制策略。

弱磁控制方案如圖8中弱磁控制模塊所示。矢量控制輸出的d,q軸參考電壓被反饋回來，其幅值與電壓限值進行比較，當其小于電壓限值時，弱磁模塊不起作用。當其大于電壓限值時，PI4被激活，得到d軸電流偏移量，增大弱磁電流。d軸最大弱磁電流為電機短路電流。弱磁時，修正q軸電流限幅，使電流幅值不超過電流限值。

圖8 發(fā)電機弱磁控制方案

3 仿真驗證

3.1 模型驗證

在發(fā)電機不控整流、空載模式下，控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速在0～1 500 r/min范圍內(nèi)(發(fā)電機反電勢過高，因此為保證安全，控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速在1 500 r/min以內(nèi))，記錄整流器直流側(cè)電壓。在相同的轉(zhuǎn)速給定條件下，測量發(fā)動機-發(fā)電機組模型不控整流時的直流側(cè)電壓，轉(zhuǎn)速與整流器關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 不控整流時轉(zhuǎn)速與直流側(cè)電壓關(guān)系

由圖9可知，不控整流模式下，發(fā)電機整流器直流側(cè)電壓隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，當轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時，直流側(cè)電壓達到了約830 V。在相同轉(zhuǎn)速給定下，整流器直流側(cè)電壓仿真值與實測值變化趨勢相同，兩者比較接近。

同時，在800 r/min和1 200 r/min時發(fā)電機交流側(cè)AB相線電壓實測值與仿真值對比結(jié)果如圖10所示，AB相電壓仿真值與實測值接近但存在一定誤差，這一誤差是直流側(cè)電壓不同的主要原因，引起這種誤差的因素可能是：模型的簡化，模型參數(shù)與實際參數(shù)存在誤差。然而，線電壓和直流側(cè)電壓仿真值與實測值差距不大，在可接受范圍內(nèi)。

(a)800r/min時結(jié)果對比(b)1200r/min時結(jié)果對比

圖10AB相線電壓實測值與仿真值對比

3.2 控制方案驗證

發(fā)動機-發(fā)電機組及其控制系統(tǒng)實物臺架試驗條件：發(fā)電機整流器在800 r/min以上轉(zhuǎn)速可控整流發(fā)電，800 r/min以下不控整流；可控整流時目標電壓750 V；發(fā)動機轉(zhuǎn)速在0～2 100 r/min范圍內(nèi)變化；直流側(cè)負載為電阻箱。采用相同的試驗條件進行發(fā)動機-發(fā)電機組及其控制系統(tǒng)模型仿真，試驗結(jié)果及對比如圖11所示。

(a)轉(zhuǎn)速變化曲線(b)負載電流及直流側(cè)電壓

圖11 實測與仿真結(jié)果

由圖11可知，電機轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)變化以及在相同的負載變化條件下，模型和實物樣機都能實現(xiàn)750 V穩(wěn)壓功能。臺架試驗中最大負載91 kW時，直流側(cè)電壓波動±5 V，仿真中直流側(cè)電壓波動±4 V。仿真中的交軸和直軸電流如圖12所示，其變化趨勢與實際相符。

圖12 交/直軸電流變化曲線

上述不控整流和可控整流試驗分別證明了建立的發(fā)動機-發(fā)電機模型的可靠性以及發(fā)電機控制系統(tǒng)模型的可靠性。

4 結(jié) 語

本文立足于解決電傳動裝甲車輛發(fā)動機-發(fā)電機組建模難題。建立了發(fā)動機動態(tài)模型與發(fā)電機變參數(shù)數(shù)學模型，完成穩(wěn)壓發(fā)電和弱磁控制方案設計。仿真結(jié)果與臺架試驗數(shù)據(jù)對比表明，建立的發(fā)動機-發(fā)電機組模型精度較高，能夠滿足研究需求，為進一步開展多動力源優(yōu)化控制研究奠定基礎(chǔ)。

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[3] 李華.混合動力裝甲車輛電驅(qū)動系統(tǒng)控制策略研究與仿真[D].北京：裝甲兵工程學院,2006.

[4] 劉春光，初華.戰(zhàn)車電傳動能量管理策略研究[C]//全電戰(zhàn)斗車輛發(fā)展趨勢及關(guān)鍵技術(shù)研討會論文集.金華:全電戰(zhàn)斗車輛技術(shù)研討會，2010:55-57.[5] 劉秋麗，劉春光.電傳動車輛發(fā)動機建模方法[C]//全電戰(zhàn)斗車輛發(fā)展趨勢及關(guān)鍵技術(shù)研討會論文集.金華:全電戰(zhàn)斗車輛技術(shù)研討會,2010:477-478.

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Modeling and Simulation Research on Engine-Generator Set for Electric Drive Armored Vehicle

LIUChun-guang1,XIANGYu1,LIUYue-zhan2

(1.Key Laboratory of All-Electric Technology，Academy of Armored Force Engineering，Beijing 100072，China 2.Maji Agricultural Service Station，F(xiàn)uyang 236600，China)

Engine-generator set is the core component of electric drive armored vehicle, establishing its simulation model is of great significance for electric drive technology research, but its strong nonlinear characteristics have greatly increased the difficulty of modeling and simulation. In this paper, by the combination of the experimental data and the control theory the engine steady state model was established. Based on time-varying parameters to establish the generator simulation model was established, and the rectifier voltage regulator and weak magnetic control scheme were designed. Simulation and bench test verify the feasibility of the model.

electric drive armored vehicle; engine-generator set; modeling and simulation

2016-01-18

TM351

A

1004-7018(2016)06-0010-03