甘伸權(quán),王 軍,宋瀟瀟,陶天偉,唐 靜

(西華大學(xué),成都610039)

0 引 言

開關(guān)磁阻電動機(以下簡稱SRM)作為一種新型調(diào)速電機,具有調(diào)速范圍廣、起動轉(zhuǎn)矩大、效率高、可頻繁起停等優(yōu)點。加之其易于實現(xiàn)驅(qū)動和制動的切換,SRM已成為了一種極具潛力的電動汽車驅(qū)動電機。但SRM的非線性和開關(guān)形式的供電電源會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲,從而降低電動汽車的動力性能和乘坐舒適性,影響了它在電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。目前,常用的SRM控制方法有:電流斬波控制(以下簡稱CCC)、角度位置控制(以下簡稱APC)和電壓斬波控制(以下簡稱CVC)等。從效果上看,這些方法難以對電機的轉(zhuǎn)矩做到精確控制。

直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制(以下簡稱DITC)是將檢測到的瞬時轉(zhuǎn)矩進(jìn)行反饋,直接參與到對電機的控制中,以提高轉(zhuǎn)矩脈動的抑制能力。目前,基于DITC的SRM控制系統(tǒng)已在傳動機械、礦山機械、紡織工業(yè)、家用電器等多個領(lǐng)域得到了運用。轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)(以下簡稱TSF)是DITC控制方法的核心,選取恰當(dāng)?shù)腡SF是提高控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。文獻(xiàn)[3-4]采用了傳統(tǒng)的余弦型TSF,但為了保證輸出轉(zhuǎn)矩平穩(wěn),要求轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)之和為1,限定了開通角只能是相鄰兩相的相位差;文獻(xiàn)[5-6]則通過在線調(diào)節(jié)開通角提高系統(tǒng)的性能,但由于調(diào)節(jié)過程中開通角不等于相鄰兩相的相位差,違背了轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)之和為1的原則。除此之外,文獻(xiàn)[7]提出了電流補償策略優(yōu)化分配函數(shù);文獻(xiàn)[8]采用交叉反饋控制法改進(jìn)分配函數(shù);文獻(xiàn)[9]則提出了一種滯環(huán)補償性TSF。這些文獻(xiàn)雖然對傳統(tǒng)的TSF都提出了改進(jìn),但并沒有解決開通角不可調(diào)的問題,無法有效改善DITC控制方式的效果,限制了SRM的應(yīng)用范圍。

本文以電動汽車為對象,提出了一種基于新型TSF的改進(jìn)型直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制(以下簡稱IDITC)方法,并以此構(gòu)建了車用SRM的調(diào)速控制系統(tǒng)。從理論上分析了新型TSF與傳統(tǒng)分配函數(shù)的區(qū)別,研究了它相比傳統(tǒng)分配函數(shù)的優(yōu)勢,并以一臺11 kW的3相12/8極SRM為控制對象,通過仿真和實驗驗證了IDITC控制策略的有效性。

1 車用SRM的DITC系統(tǒng)

1.1 DITC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于SRM需要滿足電動汽車不同的負(fù)載和路況,因此本文將電機的輸出轉(zhuǎn)矩作為其控制目標(biāo)?；贒ITC的SRM控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。它能夠?qū)崿F(xiàn)電機瞬時輸出轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制,系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)矩分配單元、轉(zhuǎn)矩估計單元、位置傳感器、電流檢測單元、速度檢測單元以及SRM等。

圖1 DITC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)矩估計器是控制系統(tǒng)中的重要組成部分,其反饋轉(zhuǎn)矩的精確性會直接影響系統(tǒng)的控制效果。常用的方法有經(jīng)驗公式計算、非線性建模和轉(zhuǎn)矩傳感器測量,但均存在較大的誤差或費用昂貴的問題。為了保證轉(zhuǎn)矩控制的精度,本文采用查表法得到瞬時轉(zhuǎn)矩值。通過有限元仿真得到的轉(zhuǎn)矩、電流和轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系表如圖2所示。在電機控制過程中,IDITC根據(jù)實時采集到的電流和轉(zhuǎn)子位置,在該表中查找電機每相的瞬時輸出轉(zhuǎn)矩。

圖2 轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)子位置角關(guān)系圖

1.2 轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)設(shè)計

1.2.1 傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)設(shè)計

為了便于分析,本文以傳統(tǒng)的余弦型TSF為例,其轉(zhuǎn)矩分配規(guī)律如式(1)所示,對應(yīng)的波形如圖3所示。

式中:θon為開通角;θoff為關(guān)斷角;θov為相鄰兩相轉(zhuǎn)矩重疊的角度;τr為SRM的機械角周期。

由式(1)可知,傳統(tǒng)TSF的分配性能與開通角θon和關(guān)斷角 θoff有關(guān)。 當(dāng) θon,θoff發(fā)生變化時,TSF 性能也將發(fā)生改變。

圖3 傳統(tǒng)余弦型TSF

由DITC的控制規(guī)律可知,SRM各相繞組轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)之和在運行過程中的任意時刻都為1[2],從而保證電機合成轉(zhuǎn)矩為恒定值。

式中:m為SRM的相數(shù);fj(θ)為第j相的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù);Tj(θ)為第j相分配轉(zhuǎn)矩值;Tref為合成參考轉(zhuǎn)矩值。

1.2.2 改進(jìn)的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)

SRM在運行過程中,換相區(qū)間是其產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動的主要部分。當(dāng)SRM的開通角θon在0°附近時,由于電感變化率很小,根據(jù)轉(zhuǎn)矩計算公式:

SRM產(chǎn)生的實際轉(zhuǎn)矩幾乎為0。而根據(jù)傳統(tǒng)TSF的原理,即使θon在0°附近導(dǎo)通電機,TSF也會對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分配。此時雖然導(dǎo)通相會被分配一定的正向轉(zhuǎn)矩,但是電機不能產(chǎn)生足夠的正向轉(zhuǎn)矩,甚至產(chǎn)生負(fù)向轉(zhuǎn)矩,從而引起轉(zhuǎn)矩脈動。

除此之外,由于傳統(tǒng)TSF中需要滿足θoff-θon=15°,因此當(dāng)TSF進(jìn)入下降區(qū)時,電機當(dāng)前導(dǎo)通相也在同時刻被關(guān)斷,之后電流不受控制,導(dǎo)致在整個TSF下降區(qū)產(chǎn)生的實際轉(zhuǎn)矩將不會按照TSF分配的轉(zhuǎn)矩變化,使得關(guān)斷相的轉(zhuǎn)矩減量和開通相的轉(zhuǎn)矩增量難以完全抵消,從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動。

針對上述問題引起的轉(zhuǎn)矩脈動,本文考慮將TSF的角度與SRM的開通、關(guān)斷角進(jìn)行區(qū)分,從而提出了一種新型TSF,其分配函數(shù)如下:

對應(yīng)的分配函數(shù)圖形如圖4所示。SRM的開通、關(guān)斷角不再決定函數(shù)的分配結(jié)果,而由新型TSF的導(dǎo)通角完成電機運行時的轉(zhuǎn)矩分配。

圖4 改進(jìn)的余弦型TSF

當(dāng)電機開通角θon較小時,新型TSF可以通過優(yōu)化角度選擇＞θon,使其在電感變化率較大時開始分配轉(zhuǎn)矩,從而實現(xiàn)電機的實際轉(zhuǎn)矩能更好地跟隨參考轉(zhuǎn)矩,起到抑制轉(zhuǎn)矩脈動的作用。對于關(guān)斷角θoff,在轉(zhuǎn)子還沒到達(dá)θoff時,SRM仍保持通電狀態(tài),而新型TSF在θoff之前已經(jīng)進(jìn)入下降區(qū),這樣使得下降區(qū)部分不可控的實際轉(zhuǎn)矩變得可控,并且有效逼近參考轉(zhuǎn)矩。因此,新型TSF可以優(yōu)化選擇合適的來控制換相期間的轉(zhuǎn)矩,實現(xiàn)抑制轉(zhuǎn)矩脈動。

2 仿真分析

為了驗證新型TSF的DITC方法的可行性。首先利用有限元仿真得到12/8極SRM的轉(zhuǎn)矩-電感-角度數(shù)據(jù),并基于MATLAB/Simulink搭建該系統(tǒng)的仿真模型。SRM的主要參數(shù)如表1所示。

表1 SRM參數(shù)

圖5分別給出了在負(fù)載轉(zhuǎn)矩為50 N·m指令下,額定轉(zhuǎn)速時傳統(tǒng)余弦TSF的DITC方法和改進(jìn)TSF的IDITC方法的仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果可知,電機出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動的區(qū)域主要在換相期間。同時比較圖5(a)和圖5(b)可以看出,與傳統(tǒng)DITC方法相比,IDITC方法的輸出轉(zhuǎn)矩脈動更小,實際轉(zhuǎn)矩能更好地跟隨參考轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。

圖5 額定轉(zhuǎn)速下的直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制仿真結(jié)果

圖6、圖7為在額定轉(zhuǎn)速下,給定不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩時兩種控制方法的轉(zhuǎn)矩脈動和系統(tǒng)效率仿真結(jié)果。由圖6可知,在不同負(fù)載時,IDITC方法的轉(zhuǎn)矩脈動要小于傳統(tǒng)DITC方法,而且在突變負(fù)載時IDITC方法的沖擊轉(zhuǎn)矩更小,穩(wěn)定更快。由圖7可知,在不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩時,IDITC方法的效率高于傳統(tǒng)DITC方法。仿真結(jié)果表明,IDITC的控制效果更好,效率更高,滿足電動汽車對動力性能和乘坐舒適性的要求。

圖6 變負(fù)載下轉(zhuǎn)矩脈動對比圖

圖7 變負(fù)載時系統(tǒng)效率對比圖

針對車用SRM的DITC系統(tǒng),不僅需要穩(wěn)定的驅(qū)動,更需要可靠的制動。仿真中通過改變SRM的開通、關(guān)斷角,使其在電感下降區(qū)通電,實現(xiàn)SRM的制動控制。圖8為額定轉(zhuǎn)速時SRM制動的轉(zhuǎn)速曲線。從仿真結(jié)果可以看出,在0.2 s之前,IDITC方法的轉(zhuǎn)速波動相比傳統(tǒng)DITC方法更小,穩(wěn)定性更好。在0.2 s時給電機制動信號,均能實現(xiàn)可靠的制動。

圖8 制動轉(zhuǎn)速曲線

3 系統(tǒng)實驗

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

該實驗系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖9所示,采用以TMS320F2812核心處理器為主的開發(fā)板,主要完成速度計算、角度計算、跟蹤實時轉(zhuǎn)矩、分配參考轉(zhuǎn)矩、PI調(diào)節(jié)和輸出PWM信號等任務(wù)。而FPGA則負(fù)責(zé)電流采樣,保證采集信號的可靠性。

圖9 SRM DITC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.2 程序設(shè)計

整個程序的系統(tǒng)時鐘為120 MHz,PWM控制信號頻率為8 kHz,整個系統(tǒng)的控制程序主要在定時器1周期中斷中完成。其中包括計算轉(zhuǎn)速、讀取電流值、檢測位置、轉(zhuǎn)速PI控制和轉(zhuǎn)矩PI控制等任務(wù)。同時編寫了保護(hù)程序,當(dāng)任意一相電流超過設(shè)定值時,立即執(zhí)行保護(hù)程序并復(fù)位整個系統(tǒng),其程序流程如圖10所示。

圖10 定時器1周期中斷流程圖

3.3 實驗結(jié)果

圖11給出了DITC控制系統(tǒng)的實驗硬件平臺。以可調(diào)轉(zhuǎn)矩的電力測功機為負(fù)載,實驗使用的SRM參數(shù)與仿真數(shù)據(jù)一致,制動時在直流母線上并聯(lián)制動電阻和緩沖電容吸收再生制動能量。實驗中開通角 θon=-5°,關(guān)斷角 θoff=13°,重疊角 θov=7.5°,直流母線電壓Udc=520 V,控制目標(biāo)為額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min。

圖11 實驗硬件平臺

圖12給出了在額定轉(zhuǎn)速下,帶不同負(fù)載時兩種控制方法的系統(tǒng)效率對比圖。實驗效率值由電力測功機記錄的數(shù)據(jù)表得到。由圖12可知,IDITC系統(tǒng)的效率優(yōu)于傳統(tǒng)DITC系統(tǒng),其有助于延長電動汽車的行駛里程。

圖12 兩種控制方法的實驗效率對比圖

車用DITC系統(tǒng)不僅需要滿足起動階段轉(zhuǎn)速的快速響應(yīng)和穩(wěn)定運行,而且需要在給定轉(zhuǎn)速下帶不同負(fù)載運行,最后實現(xiàn)制動。圖13給出了IDITC方法帶不同負(fù)載時,從起動運行到制動的實驗結(jié)果。由圖13可知,起動階段SRM轉(zhuǎn)速響應(yīng)快,且在不同負(fù)載時轉(zhuǎn)速都能穩(wěn)定在1 000 r/min,最終在短時間內(nèi)實現(xiàn)制動,符合電動汽車帶不同負(fù)載時的運行要求。圖14為IDITC方法在驅(qū)動和制動時的實驗電流波形。由圖14(a)可知,電機在帶載運行時的驅(qū)動電流正常,與仿真電流一致。由圖14(b)的相電流和制動電阻電流可知,制動時SRM能回饋能量,可以增加電動汽車的續(xù)航能力。

圖13 IDITC方法的轉(zhuǎn)速曲線

圖14 IDITC方法的電流波形

4 結(jié) 語

本文提出了基于新型TSF的車用SRM DITC方法,通過對開通和關(guān)斷角的區(qū)分,實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)矩分配不可控區(qū)間的控制。仿真和實驗結(jié)果表明,IDITC的速度響應(yīng)快且穩(wěn)定性好,能實現(xiàn)帶不同負(fù)載的穩(wěn)定運行和制動控制,并能有效抑制轉(zhuǎn)矩脈動,提高系統(tǒng)的效率,滿足電動汽車適應(yīng)不同負(fù)載的要求,使SRM在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中更具競爭力。

[1] 朱曰瑩,王大方,趙桂范,等.電動車用開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩控制器設(shè)計與優(yōu)化[J].電機與控制學(xué)報,2010,14(2):47-59.

[2] 馬云龍.開關(guān)磁阻電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2014.

[3] 孫建忠,李默竹,孫斐然.開關(guān)磁阻電機的直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制研究[J].電源學(xué)報,2012,2(2):21-24.

[4] 史鐘林,黃運生,陳學(xué).基于轉(zhuǎn)矩分配策略的開關(guān)磁阻電機控制系統(tǒng)研究[J].礦煤機械,2010,31(10):59-61.

[5] 張炳力,戚永武,徐國勝.開關(guān)磁阻電機直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)化研究[J].電子測量與儀器學(xué)報,2014,28(6):591-596.

[6] 李珍國,闞志忠.開關(guān)磁阻電機的高效率直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制[J].電工技術(shù)學(xué)報,2010,25(8):31-37.

[7] 陳小元,彭亦稰.基于電流補償策略的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)發(fā)抑制整矩繞組分塊轉(zhuǎn)子SRM的轉(zhuǎn)矩脈動[J].電工技術(shù)學(xué)報,2014,29(1):131-138.

[8] 潘曉晨,張廣明,王德明.基于改進(jìn)的轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)法的SRM轉(zhuǎn)矩間接控制[J].電機與控制應(yīng)用2016,43(5):1-6.

[9] 吳思忠.基于轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的開關(guān)磁阻電機的控制[J].信息技術(shù),2016(2):92-94.

[10] 王宏華.開關(guān)磁阻電動機調(diào)速控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014.

[11] 孫建忠,白鳳仙.特種電機及其控制[M].北京:中國水利水電出版社,2013.