李軍偉，蔡良生, 高 松

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

基于勵磁改進(jìn)型矢量控制的車用交流感應(yīng)電機(jī)啟動控制研究

李軍偉，蔡良生, 高 松

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

為解決電動車用交流感應(yīng)電機(jī)(ACIM)啟動時出現(xiàn)的大電流、小轉(zhuǎn)矩問題，提出勵磁改進(jìn)型矢量控制的新方法,從ACIM控制策略角度考慮解決啟動問題。在MMATLAB/SIMULINK環(huán)境下建立了ACIM改進(jìn)前后的轉(zhuǎn)子間接磁鏈定向矢量控制仿真模型和嵌入式自動代碼生成模型。先進(jìn)行仿真調(diào)試，再生成針對TI公司C28x系列DSP的C代碼，手工編寫TMS320F28335的底層驅(qū)動程序，在開發(fā)環(huán)境Code Composer Studio中完成了上層控制算法和底層驅(qū)動程序代碼的集成，并將代碼燒寫到以TMS320F28335為核心的電機(jī)控制器中進(jìn)行啟動實(shí)驗(yàn)。對改進(jìn)前后的控制策略進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)對比。仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：采用勵磁改進(jìn)型矢量控制的方法能夠使ACIM在啟動中降低啟動電流并迅速提高啟動扭矩。該方法比從啟動設(shè)備和硬件結(jié)構(gòu)上改進(jìn)的常規(guī)方法更加節(jié)約成本，提高效率。

機(jī)電工程；交流感應(yīng)電機(jī)；啟動方式；矢量控制；軟件仿真

0 引 言

ACIM具有低成本、高可靠性、免維護(hù)等特性，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和新能源電動汽車上。ACIM同樣面臨選型、啟動、綜合保護(hù)等諸多問題[1]。這些問題將嚴(yán)重限制ACIM的使用范圍。ACIM啟動時往往會出現(xiàn)啟動電流大、啟動轉(zhuǎn)矩小等問題。評價ACIM的啟動性能與直流電機(jī)一致，關(guān)鍵是對電機(jī)啟動輸出轉(zhuǎn)矩的有效控制和對電機(jī)啟動電流的有效抑制[2]。

現(xiàn)有的ACIM啟動方法中降壓啟動、直流電機(jī)帶動ACIM啟動、軟啟動器和變頻器輔助啟動較為普及[3-5]。但是這些方法都是從啟動設(shè)備或者硬件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)上來解決ACIM啟動問題，從開發(fā)的角度講，增加了開發(fā)成本。矢量控制技術(shù)問世以來，人們一般集中于研究電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，而忽略了對啟動方法的研究[6-7]。從ACIM控制策略角度考慮，提出在矢量控制的基礎(chǔ)之上進(jìn)行改進(jìn)，通過先勵磁再輸出轉(zhuǎn)矩的方法抑制啟動瞬態(tài)電流，瞬速提升電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩。相對于傳統(tǒng)以啟動儀器和硬件改進(jìn)的方法來實(shí)現(xiàn)啟動而言，這種軟件的改進(jìn)方法效率更高，成本更低，為更加完善的ACIM啟動策略提供了一種新思路。

1 矢量控制電機(jī)啟動

1.1 ACIM同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系動態(tài)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

以ACIM磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制為啟動策略改進(jìn)的軟件平臺，其基本思想就是將交流感應(yīng)電機(jī)等效成直流電機(jī)進(jìn)行控制，獲得與直流電機(jī)相似的調(diào)速性能。此種矢量控制結(jié)構(gòu)是基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系來實(shí)現(xiàn)的。

為簡化ACIM復(fù)雜的原始三相數(shù)學(xué)模型，首先通過坐標(biāo)變換將靜止的三相坐標(biāo)系變換至兩相靜止坐標(biāo)系，再推廣至任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。其變換過程如圖1，圖2。

圖1 定子兩相靜止坐標(biāo)系及轉(zhuǎn)子兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系Fig.1 Stator two-phase stationary coordinate system and rotor two-phase rotating coordinate system

圖2 定子及轉(zhuǎn)子兩相坐標(biāo)系到任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換Fig.2 Conversion to any rotating coordinate system from stator and rotor two-phase coordinate system

首先，對原始三相坐標(biāo)系進(jìn)行坐標(biāo)變換的運(yùn)算，得到任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下磁鏈方程為：

(1)

電壓方程為

(2)

轉(zhuǎn)矩方程為

Te=npLm(isqird-isdirq)

(3)

運(yùn)動方程為

(4)

由式(1)的第3、第4行可以解出：

(5)

將式(5)代入式(1)的第1、第2行可以解出：

(6)

將式(5)代入式(3)整理得：

(7)

采用的ACIM為鼠籠式轉(zhuǎn)子，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)短路，因此，令urd=urq=0，代入式(2)，電壓方程整理得：

(8)

將式(5)、式(6)代入式(8)，消去ird，irq，ψsd，ψsq再將轉(zhuǎn)矩方程(3)代入運(yùn)動方程(4)，經(jīng)整理后得任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下狀態(tài)方程：

(9)

確定的磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制采用按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，因此，需要在任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的基礎(chǔ)之上，令：

(10)

將公式(10)帶入到任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系狀態(tài)方程(9)中。最終可以求得磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的狀態(tài)量如下：

轉(zhuǎn)子磁鏈為

(11)

轉(zhuǎn)差角頻率為

(12)

磁鏈位置的估算:

(13)

等幅值變換下的電磁轉(zhuǎn)矩為

(14)

式中：isd，isq，ird，irq分別為定子和轉(zhuǎn)子電流的勵磁和轉(zhuǎn)矩分量；usd，usq，urd，urq分別為定子和轉(zhuǎn)子電壓在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d,q軸上的分量；ψsd，ψsq，ψrd，ψrq分別為定子和轉(zhuǎn)子磁鏈在d,q軸上的分量；Rs和Rr分別為定子和轉(zhuǎn)子電阻；ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈；Ls和Lr分別為定子和轉(zhuǎn)子兩相繞組自感；Lm為定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動慣量；np為極對數(shù)；σ為漏磁系數(shù)；Tr為轉(zhuǎn)子電磁時間常數(shù)；p為微分算子；θ為磁鏈位置角度；ωs為轉(zhuǎn)差角頻率。

根據(jù)推導(dǎo)出的磁鏈和轉(zhuǎn)矩公式(11)、公式(14)可知，磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下可以實(shí)現(xiàn)勵磁和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，轉(zhuǎn)子磁鏈ψr穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時只受等效勵磁電流id的影響。只要能夠保證磁鏈的穩(wěn)定，通過調(diào)節(jié)等效轉(zhuǎn)矩電流iq就能夠有效地調(diào)節(jié)ACIM電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的矢量調(diào)速控制。

由式(14)簡化的最終形式可知，轉(zhuǎn)矩在勵磁電流id穩(wěn)定的前提下取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率。在運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生突變的動態(tài)過程中，如電機(jī)的啟動過程，因?yàn)殡姍C(jī)中出現(xiàn)了暫態(tài)電流，其阻礙了運(yùn)行狀態(tài)的突變，因此電機(jī)的轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)了偏差，響應(yīng)出現(xiàn)遲滯。為了解決這一問題，可以先保證電機(jī)定子磁場、轉(zhuǎn)子磁場或者氣隙磁場中有的一個始終保持不變。這樣電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩即使在啟動過程中也會和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時一樣，主要由轉(zhuǎn)差決定。根據(jù)這一轉(zhuǎn)換思想，磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制以定子電流的幅值、相位和頻率為控制量，保持電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場大小不變，而改變磁場的旋轉(zhuǎn)速度，這樣便可得到無延時的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。此種控制策略可以在接近零速的系統(tǒng)中穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，系統(tǒng)動態(tài)過程短[8]。因此，該控制方法可以作為ACIM啟動控制策略開發(fā)的軟件平臺。

1.2 矢量控制勵磁改進(jìn)方案的提出

采用磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制策略啟動電機(jī)時，電機(jī)啟動瞬間，磁場定向通常是不準(zhǔn)確的。因此，在相同幅值的啟動電流下電機(jī)不能夠以最快的響應(yīng)達(dá)到最優(yōu)的轉(zhuǎn)矩迅速啟動電機(jī)。針對這一問題，在電機(jī)啟動時，可以保持旋轉(zhuǎn)磁場的大小不變，即保持勵磁電流分量為定值(電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)入弱磁之前)。啟動瞬間，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為0，轉(zhuǎn)差率達(dá)到最大，此時，可以將電機(jī)的啟動過程看作給定了峰值轉(zhuǎn)矩，并由PID進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)的控制結(jié)構(gòu)。此種狀態(tài)下，即便初始磁鏈定向不準(zhǔn)確，由于PID的調(diào)節(jié)作用，電機(jī)也會迅速達(dá)到其峰值轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)速提升的過程中，磁鏈估算逐漸準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)矩的動態(tài)響應(yīng)也進(jìn)一步加快。盡管如此，PID調(diào)節(jié)的過程雖然短暫，但是并不等同于電機(jī)瞬間輸出最大轉(zhuǎn)矩。因此，實(shí)際啟動效果仍需搭建臺架試驗(yàn)平臺進(jìn)一步驗(yàn)證。同時，啟動大電流問題始終無法避免，會對電機(jī)所在電網(wǎng)造成沖擊，影響電網(wǎng)中其他電氣設(shè)備的正常工作[9]。針對這一問題，很多研發(fā)人員提出降壓處理的方法。

根據(jù)ACIM的T形等效電路計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩為

(15)

轉(zhuǎn)差率s=1時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為啟動轉(zhuǎn)矩，用Tst表示。它可以反應(yīng)電機(jī)的啟動能力。將s=1代入式(15)得：

由式(16)可知，電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻不變時，啟動轉(zhuǎn)矩與定子相電壓的平方成正比。如果為了降低啟動電流而采取降壓處理，啟動轉(zhuǎn)矩將會大幅度降低，進(jìn)而影響ACIM帶載啟動性能。因此，ACIM作為電動汽車的驅(qū)動電機(jī)而言，通過降壓啟動來降低啟動電流的方法是不可取的，這樣會直接影響到電動汽車的動力性。

對此，筆者提出對磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制策略的改進(jìn)方案。對于ACIM而言，啟動過程包括建立磁場和輸出轉(zhuǎn)矩兩部分[10]。鼠籠式電機(jī)要求磁通、轉(zhuǎn)矩快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，而轉(zhuǎn)速輸出相對慢一些。根據(jù)ACIM電磁轉(zhuǎn)矩方程(14)可知，磁通為自變量，轉(zhuǎn)矩為因變量。因此，在啟動時，可以調(diào)節(jié)磁通使其幅值在最短的時間內(nèi)達(dá)到參考值，再輸出轉(zhuǎn)矩。矢量控制已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了勵磁和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。從控制啟動電流的角度，將磁場的建立和轉(zhuǎn)矩的提升分階段來完成，可以避免勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量同時出現(xiàn)峰值。以此種控制策略啟動電機(jī)，只要能夠限制勵磁電流，就可以有效地控制系統(tǒng)啟動電流的大小。從控制啟動轉(zhuǎn)矩的角度，磁鏈穩(wěn)定后立即輸出轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩可近似無延時響應(yīng)，電機(jī)能夠瞬間輸出最大轉(zhuǎn)矩克服負(fù)載啟動電機(jī)。車用驅(qū)動電機(jī)啟動性能的提升同樣是電動汽車動力性增強(qiáng)的體現(xiàn)。

2 ACIM啟動SIMULINK仿真

2.1 勵磁改進(jìn)前后矢量控制SIMULINK建模

根據(jù)坐標(biāo)變換邏輯，推導(dǎo)出的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子磁鏈、轉(zhuǎn)差角頻率、磁鏈位置、電磁轉(zhuǎn)矩公式(11)～公式(14)以及電壓空間矢量脈寬調(diào)制邏輯，建立磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制仿真模型，如圖3。

圖3 ACIM按轉(zhuǎn)子磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制仿真模型Fig.3 Simulation model of ACIM flux open loop slip vector control

針對ACIM啟動問題，對圖3中的仿真模型作出改進(jìn)。增加磁鏈幅值判斷模塊，判斷磁鏈幅值是否到達(dá)給定值并保持穩(wěn)定。為了防止啟動后運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)入弱磁區(qū)域，不符合啟動時的磁鏈幅值判斷邏輯，可加上轉(zhuǎn)速判斷模塊。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到100 r/min，切換至穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式，不再延用勵磁改進(jìn)后的啟動限流控制策略。改進(jìn)模型如圖4。仿真時的電機(jī)性能參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 ACIM啟動仿真性能參數(shù)

仿真時給定勵磁電流id=12 A；轉(zhuǎn)速s=800 r/min；母線電壓Ud=520 A；SVPWM更新周期T=0.1ms；啟動負(fù)載均設(shè)為60 N·m。將給定勵磁電流分量、給定轉(zhuǎn)速、電機(jī)性能參數(shù)代入等幅值變換下的電磁轉(zhuǎn)矩公式(14)中，可以求得仿真時，啟動的峰值轉(zhuǎn)矩為141.92 N·m。

2.2 勵磁改進(jìn)前后ACIM啟動仿真結(jié)果對比及分析

對改進(jìn)前后的磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制模型進(jìn)行仿真，得出改進(jìn)前仿真結(jié)果如圖5～圖6，改進(jìn)后如圖7～圖8。

圖5 按轉(zhuǎn)子磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制啟動轉(zhuǎn)矩響應(yīng)Fig.5 Response of starting torque for flux open loop slip vector control

圖6 按轉(zhuǎn)子磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制啟動單相電流響應(yīng)Fig.6 Single phase current response in the start for flux open loop slip vector control

通過對改進(jìn)前后模型的仿真結(jié)果對比可知，同樣的啟動負(fù)載下啟動電機(jī)，改進(jìn)前的矢量模型，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩存在一個由小到大逐漸提升的過程。該過程持續(xù)0.3 s的仿真時間，如圖5。電機(jī)帶載啟動的情況下，這樣的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)很難使電機(jī)以足夠的轉(zhuǎn)矩啟動，電機(jī)往往會出現(xiàn)長時間抖動甚至堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，并長時間維持峰值電流，加大繞阻損耗，嚴(yán)重情況會出現(xiàn)電機(jī)瞬間發(fā)熱燒毀線圈的現(xiàn)象。圖6即為此種狀態(tài)下電機(jī)的單相電流波形，啟動初期電流幅值迅速達(dá)到峰值，并且抖動頻率較高。

改進(jìn)后的矢量模型，電機(jī)在磁鏈達(dá)到穩(wěn)態(tài)值之前輸出轉(zhuǎn)矩一直為0 N·m，判定磁鏈穩(wěn)定后，仿真時間在0.2 s處，輸出轉(zhuǎn)矩直接由0 N·m迅速提升至峰值轉(zhuǎn)矩，如圖7。該轉(zhuǎn)矩的提升時間比改進(jìn)前依靠PID調(diào)節(jié)提升扭矩的過程更短，克服啟動負(fù)載提升轉(zhuǎn)速的效果更加明顯。圖8為勵磁改進(jìn)后電機(jī)的單相電流波形，與圖7中對應(yīng)，仿真時間在0.2 s之前。根據(jù)磁鏈判斷邏輯，磁鏈幅值未達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，通過限制轉(zhuǎn)矩電流分量來限制轉(zhuǎn)矩的輸出。因此啟動仿真時，在0～0.2 s電流幅值很小并且波形穩(wěn)定。相對于改進(jìn)前的仿真效果而言，啟動電流得到了很明顯的抑制。

圖7 勵磁改進(jìn)后轉(zhuǎn)差型矢量控制啟動轉(zhuǎn)矩響應(yīng)Fig.7 Response of starting torque for field improved slip vector control

圖8 勵磁改進(jìn)后轉(zhuǎn)差型矢量控制啟動單相電流響應(yīng)Fig.8 Single phase current response in the start for field improved slip vector control

3 基于DSP的ACIM的啟動實(shí)驗(yàn)

3.1 ACIM勵磁改進(jìn)后矢量控制策略嵌入式代碼生成模型的建立和自動代碼的生成

根據(jù)改進(jìn)后的矢量控制策略，建立ACIM勵磁改進(jìn)型矢量控制嵌入式自動代碼生成模型[11]，如圖9。

建模完成之后，采用RTW工具箱使SIMULINK模型生成針對TI公司C28x系列DSP的C代碼[12-14]。由于控制器逆變器部分采用MOSFET功率管，其開關(guān)頻率為20 kHz，因此，程序中執(zhí)行中斷的頻率不可高于該頻率。將執(zhí)行步長設(shè)置為0.000 05，即執(zhí)行周期為50 μs。根據(jù)主控芯片類型設(shè)置硬件平臺為Texas Instrument C2000。對RTW進(jìn)行配置時，選擇ert.tlc作為目標(biāo)文件，這樣所生成的代碼緊湊、高效，占用的內(nèi)存較少。勾選Report選項(xiàng)，生成代碼報(bào)告，以方便后期的檢查。完成配置后，單擊build按鈕，生成相應(yīng)的控制代碼。

圖9 ACIM勵磁改進(jìn)型矢量控制自動代碼生成模型Fig.9 Automatic code generation model of ACIM field improved vector control

將自動生成的上層控制代碼和手工編寫TMS320F28335底層驅(qū)動程序在開發(fā)環(huán)境Code Composer Studio中進(jìn)行集成，并編譯、燒寫和運(yùn)行，結(jié)合硬件平臺進(jìn)行調(diào)試。

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺的搭建及數(shù)據(jù)處理

完成ACIM勵磁改進(jìn)型矢量控制嵌入式自動代碼生成之后，將集成好的工程控制代碼燒寫到以車用級TMS320F28335芯片為核心的電動車用電機(jī)控制器中。對ACIM勵磁改進(jìn)前后的矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行啟動實(shí)驗(yàn)分析。

實(shí)驗(yàn)平臺搭建裝置主要包括：交流感應(yīng)電機(jī)、測功機(jī)、功率電源、上位機(jī)、開發(fā)環(huán)境主機(jī)、基于TMS320F28335核心控制板的MOSFET型電機(jī)控制器等。試驗(yàn)平臺如圖10。

圖10 ACIM啟動實(shí)驗(yàn)調(diào)試平臺Fig.10 Debugging platform of ACIM starting experiment

采用ACIM銘牌參數(shù)如表2。

表2 ACIM銘牌參數(shù)

采用Code Composer Studio開發(fā)環(huán)境的數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，將勵磁改進(jìn)后ACIM矢量控制系統(tǒng)啟動轉(zhuǎn)矩和勵磁直軸電流id響應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出(由于改進(jìn)前的矢量控制系統(tǒng)在啟動瞬間輸出轉(zhuǎn)矩過小，電機(jī)發(fā)熱并出現(xiàn)劇烈抖動，功率電源長時間維持大電流輸出。為防止燒壞電機(jī)線圈，數(shù)據(jù)不方便采集，因此，此處只采集勵磁改進(jìn)后矢量控制實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù))，運(yùn)用MATLAB數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能將數(shù)據(jù)導(dǎo)入并作出相應(yīng)Plot圖形，如圖11～圖12。

圖11 勵磁改進(jìn)后轉(zhuǎn)差型矢量控制啟動實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)Fig.11 Response of torque in the starting experiment for field improved slip vector control

圖11為勵磁改進(jìn)后ACIM矢量控制啟動轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。本次實(shí)驗(yàn)只為初步驗(yàn)證改進(jìn)后矢量控制系統(tǒng)的帶載啟動能力，因此根據(jù)式(14)通過給定合適的勵磁電流和轉(zhuǎn)速，將啟動時的峰值轉(zhuǎn)矩設(shè)為22 N·m，測功機(jī)施加負(fù)載轉(zhuǎn)矩只設(shè)為2.5 N·m。電機(jī)啟動時，磁鏈達(dá)到穩(wěn)態(tài)值之前轉(zhuǎn)矩輸出近似為0 N·m，磁鏈穩(wěn)定之后電機(jī)瞬間輸出峰值轉(zhuǎn)矩，并出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)矩上升達(dá)到25 N·m，克服啟動負(fù)載迅速并平穩(wěn)地啟動電機(jī)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣驗(yàn)證了勵磁改進(jìn)型矢量控制仿真結(jié)果的正確性，達(dá)到了磁鏈改進(jìn)策略對啟動轉(zhuǎn)矩輸出的預(yù)期效果。圖12為ACIM勵磁改進(jìn)型矢量控制直軸勵磁電流id給定值為0.2(本矢量控制系統(tǒng)為標(biāo)幺化系統(tǒng)，此處為標(biāo)幺值)時的響應(yīng)曲線。電機(jī)啟動瞬間，限制轉(zhuǎn)矩電流分量輸出為0 A，對直軸勵磁電流id實(shí)現(xiàn)有效控制，其響應(yīng)迅速、穩(wěn)定、無超調(diào)、穩(wěn)態(tài)誤差小，功率電源在電機(jī)啟動瞬間輸出電流小。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了勵磁改進(jìn)策略對啟動大電流有效抑制的預(yù)期效果。

圖12 勵磁改進(jìn)后轉(zhuǎn)差型矢量控制啟動實(shí)驗(yàn)直軸電流響應(yīng)Fig.12 Response of direct axis current in the starting experiment for field improved slip vector control

4 結(jié) 語

針對電動車用ACIM啟動問題，從ACIM控制策略的角度考慮，提出了一種勵磁改進(jìn)型矢量控制的新方法。以ACIM矢量控制和電磁轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型推導(dǎo)和分析為基礎(chǔ)，結(jié)合ACIM勵磁改進(jìn)前后啟動控制的仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比分析，采用勵磁改進(jìn)后的矢量控制策略啟動電機(jī)，啟動轉(zhuǎn)矩大并且響應(yīng)迅速，啟動電流小，啟動時間短。該方法滿足新能源電動汽車對驅(qū)動電機(jī)啟動性能的要求，為新能源電動汽車驅(qū)動電機(jī)啟動控制策略的進(jìn)一步研究與開發(fā)提供了理論參考。

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(責(zé)任編輯 朱漢容)

Study on AC Induction Motor for Vehicles Start ControlBased on Field Improved Vector Control

LI Junwei，CAI Liangsheng，GAO Song

(School of Transportation & Vehicle Engineering,Shandong University of Technology, Zibo 255049, Shandong，P.R.China)

In order to solve the problem of the AC Induction Motors(ACIM)for electric vehicles started with a large current and a small torque, a new method of field improved vector control was proposed to solve the startup problem from the viewpoint of ACIM control strategies. Both of the original and the improved model for ACIM ware established in Matlab/Simulink environment,including the rotor indirect field oriented vector control simulation and embedded automatic code generation model. Simulation debugging was carried out firstly, and then C code which was for TI Company C28x series DSP was generated, the bottom hardware driver of TMS320F28335 was written manually, integration of the upper control algorithm and the underlying drive was completed in the development environment of Code Composer Studio. Test of startup was conducted by loading consolidated control code into the motor controller which considered TMS320F28335 as its core. The original and the improved control strategy ware compared by simulation and experiment. Simulation and experimental results show that: using the method of field improved vector control, it enables ACIM to reduce the starting current and increase starting torque rapidly during period of startup. Compared with traditional conventional methods, more cost can be saved more and efficiency can be improved by the new method which improves both the boot device and the hardware structure .

electromechanical engineering; AC induction motors; startup mode; vector control; software simulation

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.02.20

2015-12-29；

2016-03-15

山東省自然科學(xué)基金(面上項(xiàng)目)(ZR2015EM054)；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2015GGX105009)

李軍偉(1964—)，男，河南平頂山人，教授，博士，主要研究方向：汽車電子與電動汽車驅(qū)動技術(shù)。E-mail：ljwhitt@163.com。

蔡良生(1991—)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要研究方向：汽車電氣與電動車技術(shù)。E-mail：15152350579@163.com。

TM343

A

1674-0696(2017)02- 115- 08