孫柯楠 李若楠 寇恒慶 韓 帥 李彥林

（泰州學院，江蘇 泰州 225300）

在電動化、智能化、共享化、網(wǎng)聯(lián)化的趨勢下，以及對環(huán)保要求越來越嚴格，電動化是汽車未來的發(fā)展方向。近兩年，隨著技術(shù)進步和燃油車禁售等相關(guān)政策的推進，純電動汽車成為各大車企的研發(fā)重點[1]。由于其對環(huán)境的影響小于傳統(tǒng)汽車，其前景普遍看好。因此，用于電機驅(qū)動系統(tǒng)實驗測試的負載模擬器也成為研究熱點。通過電力負載仿真模擬實際負載的動靜態(tài)特性，替代以往整車物理測試的做法，可以節(jié)省成本和資源，達到測試目的，解決實際問題。所以如何更好設計負載模擬系統(tǒng)，更方便的解決電動汽車試驗時所遇到的問題也成了國內(nèi)研究的一大熱點[2-4]。

1 負載模擬系統(tǒng)原理

負載模擬系統(tǒng)又稱轉(zhuǎn)矩伺服加載系統(tǒng)，是利用電機作為電能與機械能之間的自建能量交換裝置，以轉(zhuǎn)矩的形式加載軸承設備，進而模擬實際的軸承對象。該系統(tǒng)主要分為五個部分：速度控制模塊、牽引電機模塊、機械軸連接裝置模塊、負載電機模塊和負載轉(zhuǎn)矩加載模塊。機械軸連接模塊連接兩個實驗電機，負責協(xié)調(diào)速度和扭矩之間的關(guān)系。

上位機與嵌入式工業(yè)計算機通過網(wǎng)線通信，電動汽車驅(qū)動電機與負載模擬電機通過聯(lián)接軸連接，實現(xiàn)兩者的轉(zhuǎn)速一致。聯(lián)接軸上附帶轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩傳感器，實時采集轉(zhuǎn)速和扭矩信息傳遞給上位機，上位機通過反饋的電壓和電流信號，控制負載模擬電機驅(qū)動器，對加載電機進行控制，模擬汽車在運行時的情形。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 負載模擬系統(tǒng)與車用電機驅(qū)動軸連接示意圖

汽車在行駛時會受到各種各樣的阻力，路況的不同，風阻的差異，輪胎的摩檫力等都會是汽車的運動狀態(tài)改變。所以分析汽車行駛時的運動模型就顯得很有必要，圖2 為汽車行駛時的受力示意圖。

圖2 車輛受力示意圖

其中，阻尼載荷在實際仿真中容易實現(xiàn)，加速度阻力體現(xiàn)為慣性載荷，其計算與速度微分項有關(guān)。在實際電氣仿真中，速度的測量會導致慣性負載項的擾動較大，因此可以采用負載模擬加載系統(tǒng)來解決上述問題。

2 系統(tǒng)設計

電動汽車負載模擬系統(tǒng)的實質(zhì)在于對加載電機的控制，本質(zhì)上就是通過電流和轉(zhuǎn)速環(huán)的聯(lián)合控制，電流環(huán)是一個矢量控制，我們采用pi 調(diào)節(jié)器控制，達到控制電機的目的。該系統(tǒng)主要包括以下模塊：永磁同步電動機部分、速度控制部分、電流控制部分、坐標變換部分、SVPWM部分和逆變器部分。整個控制過程如下：首先將給定轉(zhuǎn)速信號與轉(zhuǎn)速位置檢測到的轉(zhuǎn)速信號進行比較，在轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)作用下，將輸出的交軸電流分量作為電流調(diào)節(jié)器的給定信號，然后使用其與反饋信號之差作為電流控制回路的輸入。α、β 坐標系中的電壓通過park變換得到，逆變器的作用是產(chǎn)生把直流變換成三相頻率相同幅值大小可變的交流電。逆變器由SVPWM信號驅(qū)動，控制逆變器IGBT 管的通斷，從而實現(xiàn)對電機的控制。隨著高性能處理器的普及，上述這些步驟都可以在DSP 開發(fā)板內(nèi)部實現(xiàn)，為實驗提供了便利。這里主要介紹電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設計。

2.1 電流環(huán)的設計

在伺服系統(tǒng)中，主觀目的是達到對轉(zhuǎn)矩的精確控制，使控制系統(tǒng)有一定的快速響應性能，因此反饋環(huán)節(jié)就顯得極為重要。電流調(diào)節(jié)器一般采用比列積分（PI）控制。其電流控制部分如圖3 所示。

圖3 電流控制部分框架圖

PWM 逆變器和電機的電樞回路是電流控制部分的控制對象。KPWM表示逆變器的放大倍數(shù)，在控制系統(tǒng)中，PWM 環(huán)節(jié)也可以被認為是慣性環(huán)節(jié)，只不過慣性較小。設其為10KHZ 時，我們可以將延時環(huán)節(jié)和PWM環(huán)節(jié)組合成一個慣性環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)將得到極大簡化。記延時時間常數(shù)為td=TS，而逆變器的放大倍數(shù)KPWM取值也很重要，為簡化分析這里將其設為1 來處理。于是電流環(huán)簡化得到：

圖4 簡化后的電流環(huán)框架

2.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設計

速度環(huán)的主要作用是為了抑制負載擾動，轉(zhuǎn)速環(huán)作為矢量控制的外環(huán)一樣決定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)速外環(huán)傳遞函數(shù)框架圖如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)速環(huán)框架圖

電流環(huán)都可以用等效成一階慣性環(huán)節(jié)來代替，由于外部速度環(huán)有延時環(huán)節(jié)，可以結(jié)合延時小慣性環(huán)節(jié)。由于外部速度環(huán)的采樣時間Ts2遠大于電流環(huán)的采樣時間Ts，簡化整定后的電流環(huán)與延時環(huán)節(jié)進行合并處理得：

ASR 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖進一步簡化整定見圖6。

圖6 簡化后的轉(zhuǎn)速環(huán)框架圖

將轉(zhuǎn)速環(huán)按二階典型環(huán)節(jié)整定，當Ki 的值比較小，可得其傳遞函數(shù)：

對比標準的二階系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)：

3 實驗結(jié)果分析

針對上一章設計的加載電機控制系統(tǒng)于MATLAB 中搭建相關(guān)模塊，在此基礎(chǔ)上，通過實物與上位機的有機結(jié)合搭建半實物實驗平臺。從MATLAB/Simulink 生成針對特定處理器芯片產(chǎn)品級嵌入式代碼，完成目標代碼的生成，再快速地植入目標軟件系統(tǒng)。對加載電機進行實時控制，來達到模擬電動汽車行駛時情形的目的。

通過實驗得到輸出的SVPWM波形如圖7 所示。

由圖7 可以看出得到電壓波形呈正弦波狀。簡單來說，占空比越大，電壓越高；占空比越小，電壓越低。讓占空比呈正弦變化，電壓值自然也是呈正弦變化了。

圖7 輸出SVPWM 波形

U-V 兩相之間的線電壓如圖8 所示。

圖8 U-V 兩相之間的線電壓

U-W 兩相之間的線電壓如圖9 所示。

圖9 U-W 兩相之間的線電壓

從實驗結(jié)果可以看出，電機空載運行時，通過調(diào)節(jié)給定電壓的大小，控制給定轉(zhuǎn)速的高低，實際轉(zhuǎn)速接近給定的轉(zhuǎn)速信號，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)平滑。輸出SVPWM波形呈正弦狀，U V W 三相中兩相之間的線電壓穩(wěn)定，產(chǎn)生三相正弦變頻電壓能夠穩(wěn)定驅(qū)動逆變器工作，控制電機運轉(zhuǎn)，電機平穩(wěn)運行。證明該模擬系統(tǒng)設計可靠，跟隨性能良好。

4 結(jié)論

本文從研究電動汽車負載模擬的角度出發(fā)，提出一種有實物參與的半實物實驗平臺。通過控制加載電機來模擬汽車行駛的實時負載。由上述實驗結(jié)果可以看出，模擬負載系統(tǒng)可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)，負載電機實時輸出轉(zhuǎn)矩響應迅速，具有良好的動態(tài)響應性能；且給電機施加變化負載時，系統(tǒng)能夠很快的糾正偏差使轉(zhuǎn)速在很短時間內(nèi)恢復正常，電機穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。說明該負載模擬系統(tǒng)具備很好的抗負載擾動性能。通過不同的負載模擬了汽車在行駛過程中遇到的不同情況。具有較強的可移植性，為以后電動汽車電機的選型和設計提供了一種更簡潔有效的方法。