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        基于MTPA的電動(dòng)汽車用同步磁阻電機(jī)控制

        2019-08-02 08:49:08高健
        中小企業(yè)管理與科技 2019年17期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)

        高健

        (浙江大學(xué)工程師學(xué)院,杭州 310015)

        GAO Jian

        (Polytechnic Institute,Zhejiang University,Hangzhou310015,China)

        1 引言

        隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)峻,燃料能源日漸短缺,電動(dòng)汽車由于其能耗低、污染小等優(yōu)點(diǎn)已成為汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向[1]。而電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車整車的核心部分,其硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制理論方法的研究是提高電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)性能的關(guān)鍵[2]。

        同步磁阻電機(jī)(SynRM),是一種完全使用磁阻轉(zhuǎn)矩的同步電機(jī),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造成本低,安全性能良好,相比于感應(yīng)電機(jī),SynRM的功率密度和效率更高,此外,SynRM沒有永磁體,能夠更容易實(shí)現(xiàn)弱磁控制,適應(yīng)高速運(yùn)行,因此,SynRM可以滿足電動(dòng)汽車運(yùn)行對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的苛刻要求[3]。

        同步磁阻電機(jī)(SynRM)與永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)和控制原理上差異不大,常用的控制方法主要有以下四種[6]:最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制(MTPA)、最大功率因數(shù)控制、最大轉(zhuǎn)矩變化率控制、恒定磁場(chǎng)電流控制。在能源利用要求高效率的應(yīng)用場(chǎng)合,如電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng),MTPA是較合理的一種控制方法,實(shí)際上也是應(yīng)用最廣泛的,也是本文采用的主要控制方法。NIAZI P等[7]給出了MTPA控制的系統(tǒng)框圖,并詳細(xì)介紹了基于PMa-SynRM數(shù)學(xué)模型的MTPA控制方法,通過在電機(jī)運(yùn)行約束條件下求極值,推導(dǎo)出控制需要的d/q軸電流及最大轉(zhuǎn)矩與電機(jī)相電流相位角之間的數(shù)值關(guān)系。楊超等[8]研究了實(shí)際電機(jī)運(yùn)行中,電機(jī)定子電阻、磁場(chǎng)和電感會(huì)隨著溫度和氣隙磁場(chǎng)的變化而發(fā)生改變,進(jìn)而影響到MTPA控制效果,對(duì)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的參數(shù)辨識(shí)能夠讓MTPA取得更好的控制效果。

        本文對(duì)同步磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)硬件模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),并采用MTPA矢量控制方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)同步磁阻電機(jī)的控制,驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的可行性。

        2 同步磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型

        同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較特別,無需勵(lì)磁,由于其交、直軸磁阻不等,在定子勵(lì)磁的情況下,交、直軸的磁路將會(huì)產(chǎn)生磁阻差異,從而得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩[4]。一般將轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中磁導(dǎo)較大的軸定義為d軸,磁導(dǎo)較小的軸定義為q軸[5]。常規(guī)同步磁阻電機(jī)的dq方程是:

        式中:Tem為電磁轉(zhuǎn)矩;p為極對(duì)數(shù);Be為電角速度摩擦阻尼系數(shù);ωe為電角速度;J為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;Ld和Lq分別為直軸、交軸電感;ud和uq分別為直軸、交軸電壓。

        轉(zhuǎn)矩公式(3)可改寫為:

        式中:Im為電流矢量幅值;θ為電流矢量與d軸的夾角即為電流角。

        忽略電機(jī)磁鏈飽和效應(yīng),由公式(3)的轉(zhuǎn)矩方程可知,當(dāng)電流角θ=45°,可得最大電磁轉(zhuǎn)矩Tem。

        最大轉(zhuǎn)矩電流比控制(MTPA)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制如圖1所示,通過轉(zhuǎn)速、電流閉環(huán)得到給定電壓值ud和uq。

        圖1 MTPA矢量控制框圖

        3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示,檔位開關(guān)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向,油門與剎車控制電機(jī)的啟停,測(cè)功機(jī)模擬實(shí)際的工況進(jìn)行加載。

        圖2 所用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

        實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)參數(shù)如表1所示,三相同步磁阻電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

        表1 電機(jī)額定參數(shù)

        圖3 三相同步磁阻電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

        圖4 三相同步磁阻電機(jī)空載啟動(dòng)波形圖

        圖4是三相同步磁阻電機(jī)空載啟動(dòng)過程波形圖,從波形可以看出電機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn),達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速1000rpm后,能穩(wěn)定運(yùn)行。

        圖5 三相同步磁阻電機(jī)加/減載波形圖

        圖5是三相同步磁阻電機(jī)加/減載過程波形圖,從波形可以看出,電機(jī)載加/減載過程中有著很好的動(dòng)態(tài)性能,轉(zhuǎn)速能夠穩(wěn)定在1000rpm,從實(shí)驗(yàn)波形可知,該電機(jī)控制器能夠使同步磁阻電機(jī)良好的運(yùn)行。

        4 結(jié)論

        ①本文設(shè)計(jì)了適用于電動(dòng)汽車的同步磁阻電機(jī)的控制器;

        ②采用MTPA矢量控制算法對(duì)同步磁阻電機(jī)進(jìn)行控制,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,軟、硬件的設(shè)計(jì)能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)同步磁阻電機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行;

        ③三相同步磁阻電機(jī)運(yùn)行時(shí),電機(jī)參數(shù)會(huì)隨著電機(jī)溫升和工況發(fā)生變化,無法在電流角θ=45°時(shí)實(shí)現(xiàn)MTPA控制,有必要進(jìn)行實(shí)時(shí)的參數(shù)辨識(shí)。

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