邵方閣 郭朋彥，2 劉子川 申方

（1.華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南鄭州 450045；2.華北水利水電大學(xué)車輛與新能源技術(shù)研究院，河南鄭州 450045）

基于Simulink的電力測功機(jī)算法模型研究

邵方閣1郭朋彥1，2劉子川1申方1

（1.華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南鄭州 450045；2.華北水利水電大學(xué)車輛與新能源技術(shù)研究院，河南鄭州 450045）

根據(jù)交流電力測功機(jī)工作原理，搭建基于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的交流電力測功機(jī)數(shù)學(xué)模型；根據(jù)轉(zhuǎn)矩和磁鏈需求，設(shè)計(jì)最優(yōu)電壓矢量開關(guān)控制表，輸出電壓矢量來控制IGBT模塊的開關(guān)頻率，從而控制三相交流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。在電動(dòng)狀態(tài)下，通過對三相交流電機(jī)調(diào)速來拖動(dòng)負(fù)載到一定轉(zhuǎn)速；在發(fā)電狀態(tài)下，通過設(shè)置不同的工作模式進(jìn)行各個(gè)工況點(diǎn)的測試。最終基于Simulink平臺對算法模型在交流電力測功機(jī)動(dòng)態(tài)加載特性的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行論證。

直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)；電壓矢量開關(guān)；算法模型；動(dòng)態(tài)加載

隨著車輛工程及重型機(jī)械設(shè)備等自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展，對測試設(shè)備的功能性、可操作性和穩(wěn)定性的要求也越來越高。電力測功機(jī)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)倒拖功能，還同時(shí)具備測試設(shè)備在低速和高速工況下的測量動(dòng)態(tài)誤差小、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)；在結(jié)構(gòu)上，由轉(zhuǎn)矩觀測器模型可以觀測出實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)上的簡化。與其他測功機(jī)相比，電力測功機(jī)在性能和維護(hù)方面都有較好的優(yōu)勢。將現(xiàn)代交流測功機(jī)技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)性能測試領(lǐng)域，可以充分發(fā)揮其優(yōu)異的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制特性，以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)靈活多樣、高效節(jié)能、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)［1］。此外，交流電力測功機(jī)可以工作在電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)，可以利用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后發(fā)展起來的一種新型高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù)，其具有瞬態(tài)響應(yīng)良好，受電機(jī)參數(shù)變化影響小等優(yōu)點(diǎn)［2］，克服了轉(zhuǎn)子磁場定向控制時(shí)產(chǎn)生的魯棒性差，轉(zhuǎn)子磁鏈不易精確觀測，矢量變換過于復(fù)雜等問題［3］。

1 三相交流電機(jī)電壓電流檢測

交流電力測功機(jī)的主要控制對象為三相異步交流電動(dòng)機(jī)，也是本次控制算法的對象模型，本次設(shè)計(jì)搭建了基于dq0坐標(biāo)系的三相交流電機(jī)動(dòng)態(tài)物理模型[4]，該模型以轉(zhuǎn)子為中心建立動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系，將模型簡化為直流電機(jī)模型，有著較穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)性能。建立算法模型時(shí)只需要檢測其輸出的電壓、電流、轉(zhuǎn)速。電壓為逆變器模型中的IGBT開關(guān)電路輸出的三相電壓，電流為三相交流電機(jī)模型輸出的三相電流，為了減少磁鏈及轉(zhuǎn)矩的復(fù)雜程度，在本著不同坐標(biāo)系下磁動(dòng)勢一致的原則下對其進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到其在αβ靜態(tài)坐標(biāo)系下的電壓和電流。

2 直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)方案

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)就是直接控制三相交流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，根據(jù)檢測到的三相交流電壓和電流，利用觀測器檢測出此刻磁鏈和轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)響應(yīng)值，與設(shè)定的Te*和ψ*進(jìn)行比較，根據(jù)差值的變化和輸入磁鏈所在扇區(qū)即可根據(jù)map尋找最優(yōu)電壓矢量開關(guān)，電壓矢量開關(guān)對逆變器的IGBT電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，得到不同扇區(qū)下的開關(guān)響應(yīng)，以此來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，從而直接控制其輸出電磁轉(zhuǎn)矩的大?。?］。為了減小系統(tǒng)脈動(dòng)，利用PI轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行系統(tǒng)空間矢量的補(bǔ)償［4］。直接轉(zhuǎn)矩控制原理如圖1所示。

2.1 磁鏈觀測器

磁鏈觀測器采用u-i-n觀測模型，該模型將u-i模型與i-n模型結(jié)合使用。

u-i模型是根據(jù)定子電阻來進(jìn)行觀測，如式（1）所示。在高速時(shí)，定子反電勢較大，us值較大，而定子電阻上的壓降相比很小，所以可以忽略，可以近似用式（2）來表示。在高速時(shí)，采用該模型可以較精確地進(jìn)行觀測。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩原理框圖

當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，反電勢較小，us值較小，定子壓降此時(shí)較大，加上一些溫度、耦合等誤差，使得輸出的值幾乎為誤差的積分。所以，此時(shí)的觀測值非常不穩(wěn)定，在低速時(shí)一般采用i-n模型來進(jìn)行觀測。

i-n模式下，定子磁鏈與定子電流由轉(zhuǎn)速來決定，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，測量的精度誤差小，可以很準(zhǔn)確地估計(jì)磁鏈。但是，在高速時(shí)轉(zhuǎn)速測量誤差增加，此時(shí)應(yīng)該采用u-i模型來進(jìn)行觀測［6］。

2.2 轉(zhuǎn)矩觀測器

三相交流電機(jī)的定子磁場在兩相靜止坐標(biāo)系下的電磁轉(zhuǎn)矩公式如下：

將磁鏈觀測器觀測的磁鏈分量代入轉(zhuǎn)矩公式（3），即可得到轉(zhuǎn)矩，此即為無轉(zhuǎn)矩傳感器的轉(zhuǎn)矩觀測。其中，對于磁鏈的估計(jì)是算法精度的核心，采用低高速協(xié)調(diào)估計(jì)是目前最廣泛采用的方案。磁鏈觀測器不僅僅影響圓形磁鏈的穩(wěn)定性，還會影響轉(zhuǎn)矩的輸出?？梢?，磁鏈的精確估計(jì)對提高電力測功機(jī)整體穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)響應(yīng)起著關(guān)鍵作用。

3 電壓矢量控制

根據(jù)定子電流與轉(zhuǎn)子磁鏈的推導(dǎo)關(guān)系可得：

將轉(zhuǎn)矩公式里的定子電流用轉(zhuǎn)子磁鏈來替代，推理可得：

在直接轉(zhuǎn)矩控制中一般保持定子磁鏈的幅值不變，而轉(zhuǎn)子磁鏈由負(fù)載決定。所以，只需改變磁通角θ，即可改變電磁轉(zhuǎn)矩的大小。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一般由被測機(jī)決定，所以通過控制逆變器的開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，即可實(shí)現(xiàn)對磁通角的控制。

三相交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是根據(jù)逆變器開關(guān)的不斷切換來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，根據(jù)逆變器驅(qū)動(dòng)電路可知其IGBT有8種開關(guān)狀態(tài)，在星形接法和幅值恒定情況下，在電機(jī)的三相上，其輸出電壓的合成Park矢量式為：

將不同的開關(guān)狀態(tài)代入即可得到對應(yīng)的電壓空間矢量。除了2個(gè)零矢量電壓位于原點(diǎn)外，其余6個(gè)電壓矢量的幅值均為2Udc/3，根據(jù)每路開關(guān)輸出電壓合成如圖間隔60°角分布。當(dāng)電壓矢量選擇模塊接收到轉(zhuǎn)矩和磁鏈差值時(shí)，經(jīng)過比較輸出1、0和-1信號，作為其判斷轉(zhuǎn)矩和磁鏈變化的標(biāo)志，根據(jù)磁鏈觀測器可以推導(dǎo)出此時(shí)的磁鏈?zhǔn)噶浚瑥亩贸銎湫D(zhuǎn)角度，進(jìn)而判斷所在扇區(qū)，兩者結(jié)合，按照給定最優(yōu)電壓矢量開關(guān)狀態(tài)表即可得出此時(shí)的開關(guān)矢量。

4 仿真分析

實(shí)驗(yàn)選擇三相交流電機(jī)的額定功率為37kW，頻率50Hz，額定轉(zhuǎn)速為1 450r/min，定子繞組阻值為0.082 33Ω，定子自感為0.724mH，轉(zhuǎn)子繞組阻值為0.050 3Ω，轉(zhuǎn)子自感為0.724mH，互感值為0.027 11H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.37kg·m2。

當(dāng)選擇測功機(jī)模式為恒轉(zhuǎn)速模式時(shí)，其輸出的轉(zhuǎn)速保持恒定，電力測功機(jī)通過調(diào)節(jié)踏板開度來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，測功機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化。在轉(zhuǎn)速恒定時(shí)進(jìn)行加載試驗(yàn)時(shí)，模擬負(fù)載轉(zhuǎn)矩線性上升，0.8s時(shí)選擇發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)為100N·m，1 600rpm，隨著油門開度增大，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加，測功機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩也隨之增加，從而保持恒速模式，在1.5s時(shí)將負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間增加到設(shè)定值150N·m，加載過程完成，實(shí)現(xiàn)加載。測試其輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和磁鏈圖像，結(jié)果見圖2、3、4。

圖2 轉(zhuǎn)矩變化曲線

圖3 轉(zhuǎn)速變化曲線

由圖4可知，測功機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩隨負(fù)載變化跟隨性較好，圓形磁鏈穩(wěn)定，證明該直接轉(zhuǎn)矩算法可以穩(wěn)定控制三相交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)倒拖、加載等功能，其轉(zhuǎn)矩輸出的瞬態(tài)響應(yīng)特性能力較好，轉(zhuǎn)速變化±3rpm內(nèi)，穩(wěn)定的輸出可以滿足現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)測試的要求。

圖4 磁鏈變化曲線

5 結(jié)論

本次仿真以三相交流電力測功機(jī)的恒轉(zhuǎn)速控制工況為背景，首先進(jìn)行了三相交流電機(jī)的對象模型分析，確定了直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)方案。根據(jù)對象模型輸出的三相電壓電流推導(dǎo)出其在兩相靜態(tài)坐標(biāo)系下的電壓和電流，再利用對象模型公式推導(dǎo)來建立其磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器，根據(jù)磁鏈?zhǔn)噶看_定其所在扇區(qū)，結(jié)合磁鏈滯環(huán)和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)得出最優(yōu)開關(guān)電壓矢量，在最優(yōu)矢量下得到磁鏈和轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)。本次建模將直接轉(zhuǎn)矩算法和現(xiàn)在的三相交流電力測功機(jī)相結(jié)合，在仿真測試中論證了算法的科學(xué)性和可行性，對于電力交流測功機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］李宗帥，董春，劉顏.國內(nèi)外電力測功機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2007（5）：1-4.

［2］黃智宇，鮮知良，李景俊，等.基于模型開發(fā)方法的電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)矢量控制算法研究與應(yīng)用［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2014（6）：45-50.

［3］范杰，王明渝，劉述喜.基于直接轉(zhuǎn)矩控制的測功機(jī)動(dòng)態(tài)負(fù)載研究［J］.微特電機(jī)，2007（8）：55-57.

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［5］Buja GS，Kazmierkowski MP.Direct torque control of PWM inverter-fed AC motors-a survey［J］.Industrial Electronics IEEE Transactions on，2004（4）：744-757.

［6］Xu Z，Rahman MF.An adaptive sliding stator flux observ?er for a direct-torque-controlled IPM synchronous motor drive［J］. Industrial Electronics IEEE Transactions on，2007（5）：2398-2406.

An Algorithm Model Study of Electric Dynamometer Based on Simulink

Shao Fangge1Guo Pengyan1,2Liu Zichuan1Shen Fang1
（1.Mechanics Institute，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045；2.Institute of Vehicles and New Energy Technology，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

According to the working principle of AC electric dynamometer,the mathematical model which based on direct torque control technology was built,the optimal voltage vector switching control table based on the torque and flux demand was designed,the switching frequency of the IGBT module was controlled by the output voltage vector, thereby the electromagnetic torque of the three-phase AC motor was controlled.In electric mode,by adjusting the three-phase AC motor speed to drag the load to certain speed;In the power generation state,by setting different oper?ating modes to test each operating point.Finally,based on the Simulink platform,the realization of the algorithm mod?el in the dynamic load characteristics of AC power dynamometer was demonstrated.

direct torque；voltage vector switching；algorithm model；dynamic load

TM933

：A

：1003-5168（2017）01-0057-03

2016-12-23

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目資助計(jì)劃（13A460693）；華北水利水電大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目資助（HSCX2014112）。

邵方閣（1989-），男，碩士，研究方向：車輛、發(fā)動(dòng)機(jī)測試。