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        汽車無刷直流電動機的控制策略研究*

        2021-03-01 02:45:42
        機電工程技術(shù) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:控制策略

        趙 婷

        (濱州學院,山東濱州 256600)

        0 引言

        汽車作為日常生活和工程中不可或缺的商品,正朝著低功耗、節(jié)能方向發(fā)展,進而促使了新能源汽車的發(fā)展和應(yīng)用。電動機作為汽車的重要元件,其控制策略對于汽車的穩(wěn)定運行和節(jié)能效果均有著關(guān)鍵的影響[1]。車載無刷直流電機的控制因素主要包括速度和電流兩方面。在閉環(huán)反饋的條件下,可實現(xiàn)較為穩(wěn)定的控制[2]。但在某些特殊條件下,控制器的電信號仍可能會出現(xiàn)顯著的波動性,進而使得電機的扭矩出現(xiàn)異常[3],造成電機驅(qū)動出現(xiàn)劇烈抖動、過熱等問題。

        為了解決該問題,本文以車載供水控制器為研究對象,對電機的控制方案進行研究,以便獲取最佳的速度和電流控制策略。

        1 車載電機啟動控制策略

        對于電機的精確控制,要求對轉(zhuǎn)子位置進行實時監(jiān)測。一般情況下,有的無刷直流電機裝有位置傳感器,可獲取車載電機啟動時的相關(guān)工作參數(shù)。對于沒有位置傳感器的電機,其轉(zhuǎn)子運動學特性的監(jiān)測也是必要的。但是,由于車載電機在啟動過程中,其初始轉(zhuǎn)速和反向電壓均為非常小的值[4]。因此,若采用反向電壓檢測的方法來確定電機轉(zhuǎn)動特性難以實現(xiàn)。在該種情況下,只有達到一定轉(zhuǎn)速后才能獲取準確的電壓信號。為此,可采用過零點反電動勢的三段式啟動方法。

        當電動機輸入啟動信號時,初始時刻的轉(zhuǎn)子位置處于未知狀態(tài),因此需要設(shè)置一個參考點位置,當轉(zhuǎn)子處于該位置(轉(zhuǎn)子對齊)時確定其后續(xù)的運動特性,此外,還需確保電機正常啟動,即保持一定的電磁轉(zhuǎn)矩。

        轉(zhuǎn)子對齊需要一定的通電流程,即需要先對兩相繞組輸入電流,第三相繞組暫時斷路。這兩相被通電的繞組在電流作用下,將產(chǎn)生一定的電樞磁動勢,此時,轉(zhuǎn)子在該作用效果下,將自動實現(xiàn)磁勢相對對齊,整個過程如圖1所示。轉(zhuǎn)子的運動受兩相繞組的影響,在繞組的通電瞬間,磁勢方向和轉(zhuǎn)子位置具有明顯的偏差,經(jīng)過特定的時間間隔后(一般不超過1 s),兩者位置達到一致。

        當電機轉(zhuǎn)子的對齊和定位操作完成以后,其本身所產(chǎn)生的反電動勢和自身轉(zhuǎn)速均為較小的數(shù)值,若采用零點反電動勢方案進行數(shù)據(jù)檢測,進而完成換向調(diào)節(jié)尚不能保證其可靠性。因此,需要保持一段時間,在經(jīng)歷這段時間后,電機可以穩(wěn)定輸出反電動勢。為此,可在轉(zhuǎn)子端設(shè)定一個計時器,通過開環(huán)控制以確保電機轉(zhuǎn)速的控制。比如,當電機開始執(zhí)行啟動任務(wù)時,計數(shù)器進行遞減計數(shù),待轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和自身產(chǎn)生的電動勢達到設(shè)定值時,即可檢測出穩(wěn)定數(shù)值,并立刻進行換向動作。

        圖1 轉(zhuǎn)子對齊原理

        車載無刷直流電動機在啟動時,某些情況下會遇到啟動失敗現(xiàn)象。一般地,產(chǎn)生啟動故障的主要原因有兩個:一是轉(zhuǎn)子的阻力力矩(負載)過大,繞組線圈產(chǎn)生的驅(qū)動力矩無法完成電機啟動;二是繞組電流出現(xiàn)問題,無法實現(xiàn)換向操作。在工程上,若由于負載問題造成的驅(qū)動故障,可調(diào)節(jié)PWM占空比的數(shù)值。合理的數(shù)值有利于電機一定程度的軟啟動效果,確保電機工作穩(wěn)定性。

        2 速度電流閉環(huán)控制策略

        2.1 工作原理

        在電機控制策略中,PID已經(jīng)具備良好的應(yīng)用條件。目前,PID 控制策略經(jīng)過多方面和層次的發(fā)展,逐漸趨于框架簡單化、參數(shù)易控制化等方向,在當代的控制策略中屬于柔性較高的算法,在工業(yè)和工程控制中具備較高的應(yīng)用率[5]。在車載無刷直流電動機的PID控制策略中,其控制流程如圖2所示。可以看出,整個PID控制的主要內(nèi)容要求明確目標參數(shù)值和被采集數(shù)值之間的差值。根據(jù)PID 控制的工作原理,可得出不同環(huán)節(jié)的控制方法。

        (1)比例環(huán)節(jié)。比例控制環(huán)節(jié)主要用于調(diào)整目標參數(shù)值和被采集數(shù)值之間的偏差。當控制系統(tǒng)通過反饋得出偏差數(shù)值時,在比例環(huán)節(jié)控制下,能夠增加或減小輸出。

        (2)積分環(huán)節(jié)。積分環(huán)節(jié)主要用于靜態(tài)誤差的消除。在實際控制過程中,可通過積分作用大小的調(diào)節(jié),最終實現(xiàn)靜態(tài)誤差強弱的控制。

        (3)微分環(huán)節(jié)。微分環(huán)節(jié)的控制效果主要體現(xiàn)在誤差范圍的調(diào)整,這對于偏差的修正有著重要的作用,也是促進控制器快速工作的基本環(huán)節(jié)。在PID控制中,只有合理地選用各個環(huán)節(jié)才能獲取最佳的控制效果。這不但利于電機控制精度,還能確??刂菩省?/p>

        圖2 PID控制原理

        2.2 溫度傳感器轉(zhuǎn)速控制

        車載無刷直流電機的重要輸出端為水泵,實現(xiàn)空調(diào)溫度的調(diào)節(jié)。在不同的戶外溫度條件下,采用合理的控制策略實現(xiàn)電機的高效控制是節(jié)能降耗的重要手段[6]。汽車在不同的行駛狀態(tài),車載無刷直流電動機所處的工作條件顯著不同。因此,車內(nèi)水泵的負載也需要隨著電動機的控制而發(fā)生變化。比如,當水泵處于持續(xù)的高負荷運行條件時,若電機轉(zhuǎn)速匹配不合理,將導致電機浪費大量的機械能。電機轉(zhuǎn)速的合理調(diào)節(jié)不但有利于車內(nèi)溫度的快速調(diào)節(jié),同時也有利于水泵負載的合理運用,以便達到節(jié)能降耗的目的。為此,可采用溫度傳感器對轉(zhuǎn)速進行反饋控制。

        若溫度傳感器檢測到車內(nèi)水泵的溫度較高時(超過50 ℃),此時的水泵需要提升其功率狀態(tài),否則難以滿足功能需求。因此,可將水泵的轉(zhuǎn)速提升至4 000 r/min。這樣一來,能夠有效地確??照{(diào)系統(tǒng)內(nèi)的換熱器件穩(wěn)定運行。為實現(xiàn)節(jié)能減排的目的,可根據(jù)溫度傳感器實時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。如當水溫開始下降,低于45 ℃時,可將水泵電機轉(zhuǎn)速降至3 000 r/min。通過溫度的反饋控制,能夠在滿足空調(diào)系統(tǒng)正常工作的條件下,大大減少機械能的浪費。根據(jù)工程實踐可知,基于溫度控制轉(zhuǎn)速的方法,存在溫度的回滯現(xiàn)象。如圖3所示,當溫度檢測在42~44 ℃時,水泵的負載有一個相對明顯的突變。因此,在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時,需要考慮該回滯現(xiàn)象,即轉(zhuǎn)速的控制需要存在一定的延遲,否則控制效果會不顯著。

        圖3 溫度回滯特性圖

        圖4 脈沖寬度調(diào)節(jié)原理

        2.3 占空比轉(zhuǎn)速控制

        占空比轉(zhuǎn)速控制主要基于PWM 的調(diào)節(jié)而實現(xiàn)。PWM 為脈沖寬度調(diào)制,其工作原理為通過中央處理器的數(shù)字化控制手段完成電子電路導通和斷開的控制[7]。在該控制策略條件下,便于根據(jù)輸入波形的占空比來實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速的控制。從本質(zhì)上講,占空比調(diào)節(jié)的主要目的為電機輸入波形的寬度控制,其控制原理如圖4所示。

        脈沖寬度調(diào)制可通過脈沖極性差異性進行分類,主要包括單極性、雙極性等。兩者之間具有顯著的差別,特別是倒向電路的調(diào)整,雙極性模式可直接對三角波形進行調(diào)制。車載無刷直流電動機的PWM 控制易于實現(xiàn),可通過電控系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)各個電子器件的數(shù)字信號控制。在占空比控制條件下,輸入脈沖信號的寬度能夠約束對應(yīng)的電樞電壓,通過電壓大小的調(diào)節(jié),進而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的控制。該控制策略具有特定的優(yōu)勢,比如,車載電機在不同的運行條件下,水泵的轉(zhuǎn)速可保持穩(wěn)定。由于占空比轉(zhuǎn)速控制易于實現(xiàn),靈活性非常高,在很多新能源汽車上有著廣泛的應(yīng)用。

        3 結(jié)束語

        車載無刷直流電動機在PID控制條件下,其啟動穩(wěn)定,電機轉(zhuǎn)子磁勢相對對齊的時間為100 ms,通過開放性速度調(diào)節(jié),可使得電機快速完成啟動,零點反電動勢檢測的可靠性良好?;跍囟葌鞲衅骱驼伎毡瓤刂频霓D(zhuǎn)速調(diào)節(jié),在節(jié)能降耗方面均有著良好的控制效果。車載無刷直流電機在合理的控制策略下,不但能夠有效地保護電機自身的電子器件,避免電流超載,同時能夠?qū)崿F(xiàn)速度的準確、合理調(diào)節(jié)。

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