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        基于新型死區(qū)補(bǔ)償?shù)挠来磐捷嗇炿姍C(jī)矢量控制研究

        2021-07-04 08:15:51李勇
        科學(xué)與財富 2021年13期
        關(guān)鍵詞:矢量控制

        李勇

        摘? 要:永磁同步電機(jī)由于具有結(jié)構(gòu)簡單,功率密度高的優(yōu)點得到了越來越廣泛的應(yīng)用。然而由于轉(zhuǎn)速脈動的存在嚴(yán)重影響了永磁同步電機(jī)在要求高轉(zhuǎn)速精度工況下的應(yīng)用,且轉(zhuǎn)速脈動還會降低電能利用率和元器件的使用壽命,給系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定的隱患,因此對于轉(zhuǎn)速脈動抑制的研究具有重要意義。輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)具有高集成度、高功率密度等優(yōu)勢,能夠優(yōu)化車身結(jié)構(gòu),提高車輛的空間利用率,但是也會增加整車非簧質(zhì)量,導(dǎo)致車輛平順性變差?;诖?,本篇文章對基于新型死區(qū)補(bǔ)償?shù)挠来磐捷嗇炿姍C(jī)矢量控制進(jìn)行研究,以供參考。

        關(guān)鍵詞:新型死區(qū)補(bǔ)償;永磁同步;輪轂電機(jī);矢量控制

        引言

        隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,燃油汽車不僅給人們帶來了舒適的體驗,但同時也帶來了許多環(huán)境問題,在這個大背景下,電動汽車被研究出來。在機(jī)械結(jié)構(gòu)變化的基礎(chǔ)上,必須保證電子差速器系統(tǒng)的安全性和可靠性,這是電動汽車安全的前提??紤]到車輛扭矩中心偏差對車輪載荷垂直傳遞的影響,分析了牽引質(zhì)量驅(qū)動力和車身偏差對車輪載荷垂直傳遞的影響。利用CARSIM軟件建立動態(tài)模型,利用SIMULINK軟件確定控制策略,最后對系統(tǒng)進(jìn)行總體仿真。傳統(tǒng)的阿克曼建模仿真有很多學(xué)者進(jìn)行相關(guān)的探索。但是這個模型局限性很大,它只能在線性時不變的系統(tǒng)模型中應(yīng)用。如果要探究速度快的車輛模型,就需要再針對其他干擾因素作出更深一步的研究。

        1輪轂電機(jī)發(fā)展史

        20世紀(jì)50年代初,美國人Robert便發(fā)明了電動汽車輪轂電機(jī),并申請了專利,其將電動機(jī)、傳動系統(tǒng)和制動器濃縮到輪轂機(jī)構(gòu)。日本也從1991年開始涉足輪轂電機(jī)研發(fā)領(lǐng)域,但從產(chǎn)業(yè)層面來看,歐美公司占據(jù)主導(dǎo)地位,如荷蘭e-Traction、美國Protean、歐洲Elaphe,都先后有系列產(chǎn)品誕生。Proteanelectric早在2010年便推出了應(yīng)用在普通乘用車上的輪轂電機(jī)技術(shù)。而國內(nèi)則從2010年才開始研發(fā)輪轂電機(jī)技術(shù),各大汽車零部件廠商開始通過并購方式引入國外先進(jìn)技術(shù),如泰特機(jī)電、萬安科技、亞太股份分別投資了e-Traction、Protean、Elaphe。隨著全球5G商業(yè)化時代來臨,汽車行業(yè)正迎來新一輪的變革。在新的變革中,作為眾多前沿技術(shù)的落地場景,汽車也被重新定義:它不僅僅是交通工具,更是承載人們多重需求的移動空間,是生活場景的一個個縮影,如醫(yī)療、休閑、娛樂、工作、物流、快遞,等等,這些前沿技術(shù)將打破空間的束縛。中國一汽紅旗開發(fā)了HEi2.0智能化底盤概念平臺,通過PTC(動力總成與底盤集成)、CTC(動力電池與底盤集成)、CTI(動力與底盤域控制集成)集成技術(shù),HEi2.0智能化底盤可實現(xiàn)平臺零部件大幅減少,空間利用率提升,質(zhì)量降低,提高了通過性。隨著線控轉(zhuǎn)向及線控制動技術(shù)的應(yīng)用,分布式驅(qū)動構(gòu)型下的線控底盤可以實現(xiàn)車輪大角度轉(zhuǎn)角,甚至360°轉(zhuǎn)角成為可能,可輕易實現(xiàn)蟹行、斜行、原地旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動模式。使用輪轂電機(jī)的分布式一體化電動底盤突破了傳統(tǒng)的集中式驅(qū)動構(gòu)型,可實現(xiàn)更高安全、更為清潔、更加快捷和全場景的便利使用。

        2新型死區(qū)補(bǔ)償方案

        傳統(tǒng)的死區(qū)效應(yīng)補(bǔ)償方法對電流極性檢測準(zhǔn)確性要求比較高,且電流極性的檢測相對而言比較困難,增加了死區(qū)補(bǔ)償算法的實現(xiàn)難度。依據(jù)反饋控制思想,通過建立一種觀測器,實時對輸出電壓擾動進(jìn)行監(jiān)測,并采用線性補(bǔ)償增益的方法改善電流鉗位,從而抵消死區(qū)時間和開關(guān)器件導(dǎo)通壓降等非線性特性帶來的死區(qū)效應(yīng)問題,該方法不需要對電流極性進(jìn)行檢測。采用觀測器進(jìn)行誤差補(bǔ)償,通常會忽略電流鉗位造成的畸變,且其自身也存在誤差電壓,故采用線性補(bǔ)償調(diào)節(jié)增益方法進(jìn)行二次補(bǔ)償。由于正切函數(shù)屬于非線性函數(shù),相比一般線性函數(shù),其魯棒性更高、抗擾動能力強(qiáng)、擬合效果更好,更加適合非線性矢量控制系統(tǒng)。為優(yōu)化電流波形正弦度,以正切函數(shù)作為補(bǔ)償增益。

        線性補(bǔ)償增益K的計算如式(1):

        通過判斷電流是否過零點,對補(bǔ)償值斜率進(jìn)行調(diào)節(jié),從而改善了電流正弦度;正切增益可在電流過零點之前抑制鉗位區(qū)間。

        3仿真分析

        研究對象是電動汽車永磁同步輪轂電機(jī),帶負(fù)載啟動是輪轂電機(jī)驅(qū)動電動汽車的重要特點,故設(shè)置負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TL=150N.m。分別對電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的三相電流波形和相電流頻譜進(jìn)行仿真分析對比,從而驗證所提補(bǔ)償方案對抑制死區(qū)效應(yīng)有效性圖3為控制系統(tǒng)中有補(bǔ)償和無補(bǔ)償在不同轉(zhuǎn)速下的三相電流波形對比。由圖3(a)、圖3(b)可知:在電機(jī)轉(zhuǎn)速為200r/min工況下且無補(bǔ)償時,輪轂電機(jī)三相電流畸變更明顯,此時電流波形正弦度較差;在加入死區(qū)補(bǔ)償后,鉗位現(xiàn)象得到了較大的改善。由圖3(c)、圖3(d)可知:轉(zhuǎn)速1000r/min未加入死區(qū)補(bǔ)償時,輪轂電機(jī)三相電流鉗位現(xiàn)象不太明顯;但在加入死區(qū)補(bǔ)償后,三相電流波形正弦度也會變得更好。由此可知,電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時,死區(qū)效應(yīng)帶來的影響更大,采用所提方案進(jìn)行補(bǔ)償后,抑制效果明顯,較好的提高了系統(tǒng)動態(tài)性能。圖4為輪轂電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下,有補(bǔ)償和無補(bǔ)償?shù)南嚯娏黝l譜對比。從圖4中可知:無補(bǔ)償時,相電流頻譜中失真率變化較大;有補(bǔ)償后,失真率顯著降低;當(dāng)電機(jī)在低速工況運(yùn)轉(zhuǎn)時,失真率小于1,補(bǔ)償效果更好。

        結(jié)束語

        綜上所述,本文對逆變器死區(qū)和電流測量誤差產(chǎn)生轉(zhuǎn)速脈動的機(jī)理進(jìn)行了深入分析,并提出一種擾動觀測器與重復(fù)控制器相結(jié)合的方法對此兩種實際工況中必然存在的非理想因素導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速脈動進(jìn)行了抑制。仿真結(jié)果表明,所提方法能夠克服傳統(tǒng)方法由于IGBT通斷時間隨負(fù)載電流變化導(dǎo)致的補(bǔ)償不準(zhǔn)確的缺點,對逆變器死區(qū)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速脈動具有較好的抑制效果。RC也能夠快速有效地抑制電流測量誤差帶來的殘余轉(zhuǎn)速脈動,進(jìn)一步增強(qiáng)了轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)性。該方法提高了永磁同步電機(jī)在需要轉(zhuǎn)速高精度工況下的可應(yīng)用性,具有一定的理論價值和實際應(yīng)價值。

        參考文獻(xiàn)

        [1]王偉業(yè).電動汽車用永磁同步電機(jī)高轉(zhuǎn)矩精度控制研究[D].南京師范大學(xué),2020.002002.

        [2]唐輝.車用永磁同步電機(jī)低速域無位置傳感器控制策略研究[D].南京理工大學(xué),2020.001499.

        [3]周曉飛.新型自減速永磁復(fù)合輪轂電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)研究[D].東南大學(xué),2018.

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