楊家印

摘 ?要：隨著新能源汽車的發(fā)展，對(duì)其電機(jī)伺服系統(tǒng)的控制要求越來(lái)越高。該文對(duì)新能源汽車同步電機(jī)伺服系統(tǒng)進(jìn)行了分析，從原理上找出了死區(qū)存在的原因，并進(jìn)一步對(duì)消除死區(qū)的控制策略進(jìn)行了研究。從理論上實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)伺服系統(tǒng)中死區(qū)的補(bǔ)償，為同步電機(jī)的控制分析提供一定參考。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;同步電機(jī);伺服系統(tǒng);死區(qū)補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TM303 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和傳統(tǒng)燃油車排放問(wèn)題愈發(fā)凸顯，新能源汽車市場(chǎng)需求越來(lái)越大，同時(shí)新能源汽車的技術(shù)發(fā)展也越來(lái)越快。在新能源汽車的硬件快速發(fā)展的同時(shí)，對(duì)其軟件控制系統(tǒng)也隨之提出了更高的要求。在新能源汽車的硬件系統(tǒng)中，電機(jī)是重要部件之一，目前應(yīng)用比較普及的是永磁同步電機(jī)和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)2種。永磁同步電機(jī)在新能源汽車上的控制理論基礎(chǔ)是1971年A.A.Clark等人申請(qǐng)的專利“異步電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制”。后隨著研究的不斷發(fā)展和深入，國(guó)內(nèi)外均對(duì)其進(jìn)行了深入的研究。該文以新能源汽車同步電機(jī)伺服系統(tǒng)作為研究對(duì)象，對(duì)其死區(qū)進(jìn)行一定分析和補(bǔ)償研究。

1 新能源汽車同步電機(jī)伺服系統(tǒng)控制策略簡(jiǎn)述

1.1 硬件支撐系統(tǒng)

對(duì)新能源汽車同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的軟件控制系統(tǒng)進(jìn)行分析的前提是建立在其硬件支撐系統(tǒng)上的，為此先對(duì)新能源汽車同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的硬件支撐系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)述。

該文所分析的新能源汽車同步電機(jī)為永磁同步電機(jī)，其額定輸入電壓為330 V，轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，額定功率為30 kW。同時(shí)借鑒行業(yè)經(jīng)驗(yàn)以及電機(jī)特性，硬件主控器選用的DSP型號(hào)為TMS320LF2812A，驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出及保護(hù)電路選擇CPLD。其他一些硬件的選擇不單獨(dú)列出，其硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

在圖1中，其CAN通信接口、電壓電流AD、用戶數(shù)字控制按鈕等模具均與主控系統(tǒng)構(gòu)成雙向傳遞，單片機(jī)處理溫度傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)。

1.2 軟件系統(tǒng)

該文所分析的系統(tǒng)硬件電機(jī)采用的是嵌入式永磁同步電機(jī)，這種電機(jī)具有交軸和直軸電感差異比較大的特性。在實(shí)際應(yīng)用上，也正是利用這一特性來(lái)擴(kuò)展同步電機(jī)的速度范圍，以獲得更優(yōu)異的速度控制效果。結(jié)合其電機(jī)這一特性，并從工程應(yīng)用的角度和現(xiàn)有成熟的控制方案入手，采用弱磁控制和最大轉(zhuǎn)矩電流比（縮寫為：MTPA）相結(jié)合的辦法。前者是同步電機(jī)在恒功率區(qū)工作，當(dāng)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)與逆變器電壓極值相等時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行電流控制而導(dǎo)致不能提高轉(zhuǎn)速的情況發(fā)生，這個(gè)時(shí)候就需要弱磁控制。對(duì)應(yīng)的這個(gè)臨界速度值如式（1）所示。

由于最大轉(zhuǎn)矩電流比控制和弱磁控制均是采用矢量控制法，那么控制框圖和矢量控制是一樣的。但是由于兩者的電流特性不同，因此需要修正一些關(guān)鍵部分。

2 新能源汽車同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中死區(qū)原理分析

為對(duì)新能源汽車同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中的死區(qū)原理進(jìn)行分析，下面給出其同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路原理圖，如圖2所示。

由圖2可知，原理上同一相的上橋臂和下橋臂會(huì)存在同時(shí)導(dǎo)通發(fā)生短路的可能。那么為了避免這種情況，就需要在絕緣柵雙極型晶體管（簡(jiǎn)稱：IGBT）中計(jì)入死區(qū)時(shí)間。實(shí)現(xiàn)這種加入死區(qū)時(shí)間的辦法有2種，第1種的控制思路是將準(zhǔn)備關(guān)斷的功率管與理想波形同時(shí)關(guān)斷，而讓準(zhǔn)備開通的功率管延遲一定時(shí)間（通常在程序中設(shè)定）后再開通。第2種控制思路是讓準(zhǔn)備關(guān)閉的功率管此理想波形的提前一定時(shí)間關(guān)斷，同時(shí)讓準(zhǔn)備開通的功率管延遲相同的時(shí)間后開通。將上述思路，采用波形圖表達(dá)，如圖3、圖4所示。

圖4中，準(zhǔn)備關(guān)閉的功率管比理想波形提前關(guān)斷的時(shí)間為Td/2。在圖3和圖4中，（A）表示不含死區(qū)時(shí)間的A相理想電壓輸出波形Ua0;（B）表示功率管正電壓的實(shí)際控制波形Ua+;（C）表示功率管負(fù)電壓的實(shí)際控制波形Ua-，后綴0代表關(guān)斷，1代表開通;（D）是A相實(shí)際電壓輸出波形Ua;（E）是A相誤差電壓輸出波形Ua-Ua0。

那么，這個(gè)設(shè)定的功率管延遲時(shí)間就是死區(qū)時(shí)間。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，上下功率管都不導(dǎo)通。這會(huì)帶來(lái)誤差電壓脈沖、波形畸變等問(wèn)題。

3 新能源汽車同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中死區(qū)補(bǔ)償策略

根據(jù)上面對(duì)新能源汽車同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中死區(qū)的原理的分析，該文采用這樣的辦法對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償：設(shè)功率管延遲時(shí)間也就是死區(qū)時(shí)間為Td，然后在該死區(qū)時(shí)間下計(jì)算獲得死區(qū)效應(yīng)的電壓矢量（用Ud表示），并將其補(bǔ)償矢量項(xiàng)作為基本電壓矢量項(xiàng)應(yīng)用于矢量控制中SVPWM的生成階段，這樣就可以實(shí)現(xiàn)死區(qū)補(bǔ)償。

在具體補(bǔ)償計(jì)算方法上，一般采用基本電壓矢量畸變補(bǔ)償法。在極坐標(biāo)下對(duì)其進(jìn)行扇區(qū)劃分，然后根據(jù)參考電壓所在扇區(qū)選取相鄰基本矢量電壓和零電壓進(jìn)行合成。這樣就可以對(duì)由于基本電壓矢量畸變而帶來(lái)的幅值偏差按不同扇區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償。結(jié)合圖5，舉例分析其補(bǔ)償過(guò)程。

同理可以進(jìn)一步計(jì)算得出不同扇區(qū)、不同電流極性下，死區(qū)效應(yīng)電壓矢量Ud在理想電壓矢量Us相鄰兩相基本矢量投影的情況。這樣，就可以推導(dǎo)得出全空間內(nèi)存在的36種Udc、Udy。下面以第一扇區(qū)Ⅰ舉例，用列表的方式導(dǎo)出其Udc、Udy表達(dá)式（見表1）。

在實(shí)際工程應(yīng)用上，上述這種補(bǔ)償方法需要將扇區(qū)劃分為36個(gè)，這樣計(jì)算量大，而且較為煩瑣。因此，可以采用這樣的辦法對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化：將電壓Ud向靜止兩項(xiàng)坐標(biāo)系α、β投影，得到死區(qū)電壓矢量，用Udα，Udβ表示。這樣，就可以使用靜止坐標(biāo)系下理想?yún)⒖茧妷海ㄓ肬α，Uβ表示）來(lái)計(jì)算得到圖2中各個(gè)橋臂的開閉時(shí)間，然后利用補(bǔ)償法，計(jì)算其死區(qū)電壓Udα，Udβ對(duì)理想電壓Uα，Uβ的影響，以此來(lái)準(zhǔn)確定量消除死區(qū)的影響。同樣，再以列表的方式獲得死區(qū)電壓矢量Udα，Udβ的表達(dá)式（見表2）。

4 結(jié)語(yǔ)

該文對(duì)新能源汽車同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了介紹，分析了控制策略中死區(qū)存在的原因，并結(jié)合工程實(shí)際提出了補(bǔ)償策略，為同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的控制提供了一定分析和參考。

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