趙許強(qiáng)，韓 冰，遲久鳴

(中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司，山東 青島 266112)

0 引 言

異步電機(jī)具有體積小、重量輕、成本低、堅(jiān)固耐用、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)極具競(jìng)爭(zhēng)力的選擇[1]。異步電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)主要包括壓頻控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，而在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用則主要采用后兩種。矢量控制技術(shù)是一種實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的解耦控制的方法，從而可以對(duì)它們分別進(jìn)行控制，即可得到與直流電機(jī)相同的控制特性。這種控制方法精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，近幾年來(lái)，矢量控制技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多。由于電動(dòng)汽車(chē)的行駛特點(diǎn)，需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制和轉(zhuǎn)速控制，本文采用基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制技術(shù)。

電動(dòng)汽車(chē)用異步電機(jī)經(jīng)常運(yùn)行于基速以上，且最高轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于額定轉(zhuǎn)速，加上汽車(chē)動(dòng)力電池電量低時(shí)輸入電壓較低，為使電機(jī)的轉(zhuǎn)速能達(dá)到最高轉(zhuǎn)速且滿足恒功率輸出的要求，需要采用弱磁控制。弱磁控制的目標(biāo)是，在滿足電機(jī)及逆變器的電流和電壓限制下得到最大化的電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出和功率輸出，常用的弱磁控制算法包括1/ωr方法、基于電機(jī)模型的方法、基于電壓檢測(cè)的方法和基于建立查詢表的方法，本文采用基于等效電壓閉環(huán)和最小定子電流的弱磁控制方法。

電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)欠阻尼的系統(tǒng)[2]，異步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩存在波動(dòng)， 在低轉(zhuǎn)速區(qū)域波動(dòng)對(duì)電機(jī)輸出特性的影響比較明顯， 波動(dòng)會(huì)引起整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)低速抖動(dòng)， 并且容易引起傳動(dòng)系統(tǒng)的共振[3]，為解決電動(dòng)汽車(chē)低速抖動(dòng)問(wèn)題，本文采用了一種通過(guò)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償來(lái)抑制低抖動(dòng)的控制方法。為提高電動(dòng)汽車(chē)高速限速時(shí)的舒適性，通過(guò)電機(jī)加速度提前降低電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，防止產(chǎn)生轉(zhuǎn)速過(guò)高后限速導(dǎo)致的汽車(chē)頓挫感。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速采集出現(xiàn)意外故障，為確保人車(chē)安全，本文將基于全階磁鏈觀測(cè)器的轉(zhuǎn)速估算方法應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)異步電機(jī)控制中。

1 弱磁控制

電動(dòng)汽車(chē)用三相異步電機(jī)控制策略框圖見(jiàn)圖1，整個(gè)矢量控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)組成。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速外環(huán)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速估算、低速防抖和高速限速，電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)弱磁控制和電流控制。

圖1 電動(dòng)汽車(chē)用三相異步電機(jī)控制策略框圖

轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向采用間接磁場(chǎng)定向，電機(jī)轉(zhuǎn)子角頻率ωr和轉(zhuǎn)差角頻率ωs之和為同步角速度ωe，同步角速度ωe積分后得到轉(zhuǎn)子磁鏈角度θ。轉(zhuǎn)差角頻率ωs由電機(jī)穩(wěn)態(tài)式(1)和式(2)得到。

(1)

|ψr|=LmiM

(2)

式中，Tr為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，Lm為電機(jī)互感，iM為勵(lì)磁電流分量，iT為轉(zhuǎn)矩電流分量，ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈。

根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈角度θ，對(duì)電機(jī)輸入三相電流ia、ib、ic經(jīng)過(guò)CLARK和PARK變換，得到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分量，其中d軸分量為勵(lì)磁電流分量iM，q軸分量為轉(zhuǎn)矩電流分量iT。通過(guò)PI調(diào)節(jié)對(duì)勵(lì)磁電流iM和轉(zhuǎn)矩電流iT分別進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈和輸出轉(zhuǎn)矩的控制。為了消除定子d、q軸電壓間的耦合關(guān)系，采用前饋解耦控制，實(shí)現(xiàn)定子兩軸電壓對(duì)相應(yīng)定子兩軸電流的獨(dú)立控制，以加快電機(jī)控制的響應(yīng)速度，提高電機(jī)在中高速運(yùn)行段的控制效果。

電流內(nèi)環(huán)輸出為定子電壓，經(jīng)SVPWM調(diào)制輸出逆變模塊六個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。SVPWM空間復(fù)平面由6個(gè)基本電壓矢量和2個(gè)零電壓矢量構(gòu)成，即定子電壓Vs由這8個(gè)電壓矢量合成。以定子電壓Vs位于第一扇區(qū)為例(如圖2所示)，定子電壓Vs可表示為

(3)

式中，Ts為開(kāi)關(guān)周期，t1、t2為開(kāi)關(guān)周期內(nèi)兩個(gè)非零基本電壓矢量的作用時(shí)間。

圖2 SVPWM空間電壓矢量圖

為盡量減少諧波，一般采用7段式SVPWM調(diào)制方式[4]，即在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的剩余時(shí)間內(nèi)采用零電壓矢量，零電壓矢量作用時(shí)間為

t0=Ts-t1-t2

(4)

為降低鐵耗，提高系統(tǒng)效率，以定子電流最小作為系統(tǒng)效率優(yōu)化目標(biāo)[6]。異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te為

(5)

式中，pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)，Lr為轉(zhuǎn)子電感。

電磁轉(zhuǎn)矩Te一定，使定子電流最小，由拉格朗日乘子法可得

(6)

(7)

式中，Ls為定子電感，Rs為定子電阻，Rr為轉(zhuǎn)子電阻。

2 低速抖動(dòng)抑制

電動(dòng)汽車(chē)在低速行駛過(guò)程中，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩容易出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生波動(dòng)，動(dòng)力系統(tǒng)出現(xiàn)扭振，進(jìn)而使電動(dòng)汽車(chē)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，汽車(chē)噪音增加，嚴(yán)重影響了駕駛?cè)嗽隈{駛電動(dòng)汽車(chē)時(shí)的舒適性。由于異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、逆變器死區(qū)效應(yīng)以及調(diào)制方式等因素產(chǎn)生的電流的諧波是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的直接原因，穩(wěn)態(tài)情況下轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的主要成分為電機(jī)頻率的6k倍[7]。

假設(shè)電機(jī)低速抖動(dòng)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速范圍為SpeedL～SpeedH，則電機(jī)定子電流頻率f1范圍為

(8)

則轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的主要頻率為6kf1，k等于1、2、3......由于汽車(chē)抖動(dòng)是轉(zhuǎn)矩波動(dòng)引起的共振，電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)矩波動(dòng)頻率一致，因此可通過(guò)轉(zhuǎn)速波動(dòng)信息對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)償，以減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，抑制汽車(chē)抖動(dòng)。

設(shè)計(jì)帶通濾波器，下限截止頻率取為0.16pnSpeedL/60，上限截止頻率取為18pnSpeedH/60。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在SpeedL～SpeedH范圍時(shí)，使用帶通濾波器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行濾波，濾波器輸出經(jīng)比例增益后對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩給定值Te_given進(jìn)行補(bǔ)償，低速抖動(dòng)抑制算法框圖見(jiàn)圖3。設(shè)計(jì)的帶通濾波器需具有較高的階數(shù)，以盡可能的減小濾波產(chǎn)生的滯后影響。

圖3 低速抖動(dòng)抑制算法框圖

3 高速限速

在電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中，通常駕駛員會(huì)通過(guò)松開(kāi)油門(mén)踏板或輕踩制動(dòng)踏板的方式控制汽車(chē)的最高轉(zhuǎn)速，然而當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)在長(zhǎng)下坡路段接近最高轉(zhuǎn)速行駛時(shí)，在重力作用和慣性作用下，電動(dòng)汽車(chē)很容易超過(guò)最高車(chē)速，甚至存在車(chē)輛失控的危險(xiǎn)情況。因此很多電動(dòng)汽車(chē)用異步電機(jī)的電驅(qū)都具有轉(zhuǎn)速控制功能，轉(zhuǎn)速控制不僅可以用于電動(dòng)汽車(chē)的定速巡航，而且在怠速或驅(qū)動(dòng)模式下，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)該模式的最高轉(zhuǎn)速時(shí)，可以通過(guò)轉(zhuǎn)速控制對(duì)電機(jī)進(jìn)行限速，實(shí)現(xiàn)最高車(chē)速的控制。

通常的轉(zhuǎn)速控制是在轉(zhuǎn)矩控制之外增加一個(gè)轉(zhuǎn)速環(huán)，即轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩參考值Te。轉(zhuǎn)速環(huán)采用PI控制器，以電動(dòng)汽車(chē)正向行駛為例，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)限速值時(shí)，PI調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩參考值Te減小，當(dāng)Te<0時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩由驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩變?yōu)橹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)能將通過(guò)電機(jī)以電能的形式回饋到蓄電池，從而節(jié)約了電能，提高了電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程。

圖4 高速限速算法框圖

在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)PI調(diào)節(jié)過(guò)慢時(shí)，由于電動(dòng)汽車(chē)是一個(gè)慣性系統(tǒng)，車(chē)速將大幅超過(guò)最高限速值，且限速將出現(xiàn)振蕩過(guò)程，當(dāng)PI調(diào)節(jié)過(guò)快時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩將變?yōu)楹艽蟮闹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩，限速存在頓挫感，電動(dòng)汽車(chē)駕駛舒適性大大降低。針對(duì)該問(wèn)題，設(shè)計(jì)的高速限速算法框圖如圖4所示，在電機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)PI控制器基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償環(huán)節(jié)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近限速值時(shí)，將電機(jī)加速度經(jīng)比例增益后對(duì)轉(zhuǎn)矩參考值進(jìn)行補(bǔ)償，即在限速前根據(jù)加速度逐步減小電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

4 轉(zhuǎn)速估算

電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中，若轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)生故障，此時(shí)將無(wú)法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確定向，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩瞬間丟失，電動(dòng)汽車(chē)將出現(xiàn)失控現(xiàn)象。為提高電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行的安全可靠性，保證轉(zhuǎn)速傳感器故障時(shí)電動(dòng)汽車(chē)仍然受駕駛員操控，在控制策略中加入轉(zhuǎn)速估算算法。

(9)

其中，

(10)

(11)

C=[10]

(12)

D=[0]

(13)

(14)

轉(zhuǎn)速估算依托于準(zhǔn)確的磁鏈觀測(cè)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)型全階磁鏈觀測(cè)器如下：

(15)

(16)

(17)

(18)

圖5 全階磁鏈觀測(cè)器極點(diǎn)

全階磁鏈觀測(cè)器中的電機(jī)轉(zhuǎn)速可通過(guò)適當(dāng)?shù)淖赃m應(yīng)率進(jìn)行調(diào)節(jié)，并逼近電機(jī)的實(shí)際值，即實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速估算。采用的轉(zhuǎn)速自適應(yīng)率通過(guò)PI結(jié)構(gòu)改善動(dòng)態(tài)性能：

(19)

(20)

圖6 轉(zhuǎn)速估算算法框圖

電動(dòng)汽車(chē)正常行駛時(shí)，同時(shí)運(yùn)行有速度傳感器矢量控制算法和轉(zhuǎn)速估算算法，當(dāng)轉(zhuǎn)速傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，使用轉(zhuǎn)速估算值ωr_est代替轉(zhuǎn)速傳感器采集值ωr，算法切入無(wú)速度傳感器矢量控制，作為轉(zhuǎn)速傳感器故障的應(yīng)急措施，保證車(chē)輛能夠繼續(xù)可操控行駛，確保人車(chē)安全。

5 試 驗(yàn)

試驗(yàn)包括臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車(chē)試驗(yàn)。臺(tái)架試驗(yàn)在電機(jī)對(duì)拖試驗(yàn)平臺(tái)(如圖7所示)進(jìn)行。三相異步電機(jī)額定功率25 kW，峰值功率45 kW，峰值轉(zhuǎn)矩170 Nm，最大輸入電流260 A。電機(jī)控制器額定輸入電壓312 V，最低輸入電壓265 V，開(kāi)關(guān)頻率5 kHz。

圖7 電動(dòng)汽車(chē)用三相異步電機(jī)對(duì)拖試驗(yàn)平臺(tái)

圖8 最低工作電壓下的峰值特性試驗(yàn)結(jié)果

臺(tái)架試驗(yàn)主要驗(yàn)證電機(jī)控制策略的穩(wěn)定性，尤其是極限工況的弱磁控制穩(wěn)定性，最低工作電壓下的峰值特性如圖8所示，其中Udc為電機(jī)控制器輸入電壓，T為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，pdc為電機(jī)控制器輸入功率，Pmotor為電機(jī)輸出功率，η為系統(tǒng)效率。在最低工作電壓下，電機(jī)控制器具備最大轉(zhuǎn)矩和最大功率的輸出能力，且在低輸入電壓和高轉(zhuǎn)速工況下，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

電機(jī)控制器輸入額定電壓312 V，工作在電動(dòng)狀態(tài)下，在轉(zhuǎn)速500 r/min、1000 r/min……6500 r/min、6800 r/min等高低速共12個(gè)轉(zhuǎn)度點(diǎn)下進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)速度點(diǎn)分別選取5-10個(gè)轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量輸入電功率和輸出機(jī)械功率進(jìn)行效率計(jì)算。電動(dòng)峰值Map圖如圖9所示，在峰值電動(dòng)特性下，電機(jī)及其控制器系統(tǒng)的最高效率為92%以上，高效工作區(qū)占比78%，相比未增加最小定子電流策略時(shí)的56%，高效工作區(qū)提高39.3%。

圖9 電動(dòng)峰值Map圖

實(shí)車(chē)試驗(yàn)主要驗(yàn)證控制策略的駕駛舒適性。試驗(yàn)在某型電動(dòng)物流車(chē)上進(jìn)行，試驗(yàn)路況為山路，試驗(yàn)車(chē)程超過(guò)1萬(wàn)公里。低速抖動(dòng)抑制策略解決了電池電量較低、車(chē)速較低(對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速200～500 r/min)時(shí)的整車(chē)抖動(dòng)問(wèn)題。高速限速策略，提高了高速限速時(shí)的舒適性，高速限速過(guò)程整車(chē)頓挫現(xiàn)象消失。轉(zhuǎn)速傳感器故障采用人為切斷通信線纜的方式模擬，切除轉(zhuǎn)速傳感器瞬間，電動(dòng)汽車(chē)無(wú)明顯異常，駕駛?cè)丝衫^續(xù)操作電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行行駛。

電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中，若轉(zhuǎn)速傳感器發(fā)生故障，此時(shí)將無(wú)法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確定向，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩瞬間丟失，電動(dòng)汽車(chē)將出現(xiàn)失控現(xiàn)象。為提高電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行的安全可靠性，保證轉(zhuǎn)速傳感器故障時(shí)電動(dòng)汽車(chē)仍然受駕駛員操控，在控制策略中加入轉(zhuǎn)速估算算法。

6 結(jié) 論

本文介紹了一種電動(dòng)汽車(chē)用三相異步電機(jī)控制策略。基于等效電壓閉環(huán)和最小定子電流的弱磁控制算法可實(shí)現(xiàn)弱磁擴(kuò)速，保證電機(jī)在最低輸入電壓下具備最大轉(zhuǎn)矩和最大功率的輸出能力，同時(shí)使電機(jī)高效率工作區(qū)提高39.3%。采用轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償來(lái)抑制低抖動(dòng)的低速抖動(dòng)抑制算法，解決了電池電量較低、車(chē)速較低時(shí)的整車(chē)抖動(dòng)問(wèn)題。高速限速控制算法，消除了限速過(guò)程整車(chē)頓挫現(xiàn)象，提高了高速限速過(guò)程的舒適性。將基于全階磁鏈觀測(cè)器的轉(zhuǎn)速估算方法應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)異步電機(jī)控制中，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速采集出現(xiàn)意外故障，可保證車(chē)輛能夠繼續(xù)可操控行駛，確保人車(chē)安全。臺(tái)架試驗(yàn)和1萬(wàn)公里的山路實(shí)車(chē)考核試驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的有效性和穩(wěn)定性。