關(guān) 賀,呂 艷,張?jiān)?/p>

(1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧大連 116024;2.大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,遼寧大連 116034)

0 引言

目前,新能源汽車得到大力發(fā)展,其電池需要處于恒溫狀態(tài)才能夠保持最高的能量效率,因此需要有高效且能適應(yīng)多種工況的熱管理系統(tǒng)來(lái)保證新能源汽車電池處于恒溫狀態(tài)。針對(duì)新能源汽車電池?zé)峁芾砜刂频男枨?本文設(shè)計(jì)了一套集成控制雙電子水泵、雙電子水閥,三溫度傳感器以及單液位傳感器的熱管理系統(tǒng)。因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)(PMSM)具有功率密度高的優(yōu)點(diǎn),選擇由PMSM驅(qū)動(dòng)的電子水泵;而無(wú)刷直流電機(jī)(BLDCM)具有體積小的優(yōu)點(diǎn),因此選擇由BLDCM驅(qū)動(dòng)的電子水閥。為了適應(yīng)多種工況,2臺(tái)PMSM既需要能夠獨(dú)立運(yùn)行,也需要能夠以相同的轉(zhuǎn)速同步運(yùn)行。因此,需要采用先進(jìn)的同步控制算法,以保證同步精度。

目前,國(guó)內(nèi)外主流的雙電機(jī)同步控制算法包括主從、并行、虛擬主軸與交叉耦合控制,其中主從控制結(jié)構(gòu)雙電機(jī)之間只有單向信息交互,同步精度低[1];并行控制各自獨(dú)立運(yùn)行無(wú)信息交互;虛擬主軸控制所需計(jì)算量過大,對(duì)芯片算力要求較高;交叉耦合控制可以在2臺(tái)電機(jī)之間實(shí)現(xiàn)雙向信息交互,因此能夠顯著提升雙電機(jī)同步精度。但是傳統(tǒng)的交叉耦合控制魯棒性差,無(wú)法滿足系統(tǒng)需求。

針對(duì)以上問題,本文設(shè)計(jì)了一種將超前同步補(bǔ)償與二階全局快速終端滑模控制相結(jié)合的二重交叉耦合控制算法并將其部署于熱管理系統(tǒng)域控制器,最終有效提高了同步精度以及抗干擾性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 底層域控制器硬件設(shè)計(jì)

熱管理系統(tǒng)硬件上采用一主多從的域控制器設(shè)計(jì)方案,核心架構(gòu)由一個(gè)主MCU和3個(gè)從MCU組成,主MCU選用S12ZVM芯片,3個(gè)從MCU分別為2片MLX81315,1片MLX81325。圍繞4顆核心MCU的功能模塊主要包括CAN通信模塊、LIN通信模塊、PMSM驅(qū)動(dòng)模塊、BLDCM驅(qū)動(dòng)模塊、溫度傳感器模塊、液位傳感器模塊。熱管理系統(tǒng)整體硬件框圖如圖1所示。

圖1 熱管理系統(tǒng)硬件框圖

1.2 通信電路設(shè)計(jì)

主MCU與汽車車身控制模塊(BCM)通過CAN通訊。根據(jù)系統(tǒng)需求選擇TJA1044芯片,它為CAN協(xié)議控制器提供發(fā)送和接收差分信號(hào)的功能[2]。CAN通訊電路圖如圖2所示。

圖2 CAN通信電路設(shè)計(jì)

熱管理系統(tǒng)中主MCU和3個(gè)從MCU通過LIN通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。LIN通訊的電路設(shè)計(jì)如圖3所示,其中上拉電阻R127將MCU引腳的TTL電平和LIN總線上的顯隱電平進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。

圖3 LIN通信電路設(shè)計(jì)

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

MLX81315芯片內(nèi)部集成預(yù)驅(qū)芯片,可以直接驅(qū)動(dòng)BLDCM。S12ZVM和MLX81325需要通過外圍電路來(lái)驅(qū)動(dòng)PMSM,S12ZVM和MLX81325的PMSM驅(qū)動(dòng)電路采用相同結(jié)構(gòu),S12ZVM輸出的6路PWM控制6個(gè)MOSFET來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)U、V、W三相電流進(jìn)而控制PMSM,驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

2 熱管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

熱管理系統(tǒng)軟件程序整體結(jié)構(gòu)如圖5所示,熱管理系統(tǒng)域控制器的主MCU通過CAN總線接收來(lái)自BCM的命令,并且將收集到的各電機(jī)的狀態(tài)信息、異常報(bào)告、溫度傳感器及液位傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)通過CAN總線報(bào)告給BCM;主MCU根據(jù)收到的命令通過矢量控制(FOC)來(lái)控制PMSM并通過LIN總線轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自BCM的命令至3個(gè)從MCU,3個(gè)從MCU各自根據(jù)命令通過FOC或六步換相來(lái)控制PMSM或BLDCM。

3 雙PMSM轉(zhuǎn)速同步控制算法

3.1 PMSM數(shù)學(xué)模型

表貼式PMSM的d軸電感和q軸電感相等(Ld=Lq),因此PMSM定子的α-β軸坐標(biāo)系下的電流的狀態(tài)方程為[3]

(1)

(2)

式中:ωje和θje分別為第j臺(tái)PMSM的電角速度和電角度[4]。

表貼式PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩表示為

(3)

式中:ψ為三相繞組的磁鏈;pj、Tje和ijq分別是第j臺(tái)電機(jī)的定子極對(duì)數(shù)、電磁轉(zhuǎn)矩和q軸電流。

3.2 單PMSM速度控制器設(shè)計(jì)

為了保證雙PMSM的同步精度,需要設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的單PMSM速度控制器。選擇矢量控制(FOC)作為驅(qū)動(dòng)算法,因?yàn)闊峁芾硐到y(tǒng)要求PMSM轉(zhuǎn)速高,工作時(shí)間長(zhǎng),如果采用位置傳感器來(lái)獲取電機(jī)位置會(huì)增加成本并且隨著位置傳感器的損耗會(huì)降低精度,因此采用無(wú)感FOC算法,即通過觀測(cè)器來(lái)推導(dǎo)出電機(jī)角度,滑膜觀測(cè)器(SMO)對(duì)參數(shù)變化和外部干擾具有較強(qiáng)的魯棒性,且比起拓展卡爾曼濾波等方法,SMO需要的芯片算力更小,適合部署在嵌入式設(shè)備上[4]。因此本文選擇SMO來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)感FOC控制。2臺(tái)PMSM采用相同的SMO來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)感FOC控制。

3.2.1 改進(jìn)型滑膜觀測(cè)器設(shè)計(jì)

SMO算法基于定子的α-β軸坐標(biāo)系,其原理為:由于EMF中包含電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信息,所以通過EMF可以解算出電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速,設(shè)計(jì)如下SMO以獲取EMF[5]:

(4)

定子電流的誤差方程為

(5)

傳統(tǒng)SMO采用符號(hào)函數(shù)sgn(s)來(lái)設(shè)計(jì),為了提高SMO的控制性能,采用準(zhǔn)滑膜動(dòng)態(tài)中的飽和函數(shù)sat(s)來(lái)代替滑動(dòng)模態(tài)中的符號(hào)函數(shù),并且由于在單PMSM控制系統(tǒng)中的控制量是一個(gè)不連續(xù)的高頻切換信號(hào),為了提取連續(xù)的EMF估計(jì)值,通過低通濾波器進(jìn)一步處理,并且通過鎖相環(huán)(PLL)來(lái)提取轉(zhuǎn)子的位置及轉(zhuǎn)速信息,最終所設(shè)計(jì)的滑膜控制率為

(6)

3.2.2 單PMSM速度控制器穩(wěn)定性分析

根據(jù)滑膜控制率所設(shè)計(jì)的滑膜面函數(shù)如下:

(7)

定義單PMSM速度控制系統(tǒng)的Lyapunov函數(shù)并對(duì)其求微分結(jié)果如式(8)、式(9):

(8)

(9)

3.3 雙PMSM二重交叉耦合控制算法

二重交叉耦合控制算法在傳統(tǒng)交叉耦合控制算法的基礎(chǔ)上將超前同步補(bǔ)償器與二階全局快速終端滑?？刂?2-GFTSMC)相結(jié)合,在保證控制精度、魯棒性的基礎(chǔ)上降低了對(duì)MCU算力的依賴,有效降低了成本。雙PMSM的同步誤差信號(hào)在單電機(jī)速度控制器的輸入端反饋;由二階全局快速終端滑?？刂扑惴ㄌ幚淼碾娏餍盘?hào)在改進(jìn)型滑膜觀測(cè)器的輸出端反饋,雙重反饋機(jī)制能夠有效提高同步精度以及魯棒性,算法整體框架如圖6所示。

圖6 二重交叉耦合控制算法框圖

3.3.1 超前同步補(bǔ)償器

當(dāng)PMSM的負(fù)載劇烈變化時(shí),固定增益同步補(bǔ)償器將引起速度的超調(diào)波動(dòng),并且需要較長(zhǎng)時(shí)間才能消除波動(dòng)。為了消除時(shí)變干擾對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響,采用校正控制縮短調(diào)節(jié)時(shí)間[7]。具有預(yù)期控制的超前同步補(bǔ)償器如圖7所示。

圖7 超前同步補(bǔ)償器

圖7中,K是同步補(bǔ)償系數(shù),為了加速動(dòng)態(tài)響應(yīng),校正控制器Fg采用了超前校正,即

(10)

式中:T為超前時(shí)間常數(shù);η為衰減因子,η>1。

2臺(tái)PMSM通過超前同步補(bǔ)償控制器來(lái)處理對(duì)方的干擾進(jìn)而補(bǔ)償各自的輸出速度[8]。通過使用超前校正的相位超前特性來(lái)獲得系統(tǒng)所需的超前量,從而增加截止頻率,并最終抵消干擾的影響[9]。

3.3.2 二階全局快速終端滑?？刂?/p>

定義2臺(tái)PMSM之間的同步誤差如下[10]:

δ=ω1-ω2

(11)

定義二階全局快速終端滑?？刂频幕瑒?dòng)模式以及設(shè)計(jì)雙PMSM的二階全局快速終端滑?？刂破魅缦?

(12)

(13)

式中:ijqs為第j臺(tái)PMSM對(duì)q軸電流的補(bǔ)償值;ψ為電機(jī)的永磁磁鏈;a為增益;α,β,q,p為滑模逼近參數(shù)。

二階全局快速終端滑?？刂破骺驁D如圖8所示。

圖8 二階全局快速終端滑?？刂破骺驁D

4 仿真分析與實(shí)驗(yàn)

4.1 雙PMSM轉(zhuǎn)速同步控制器仿真分析

為了確定雙PMSM轉(zhuǎn)速同步控制器的性能,在MATLAB/SIMULINK仿真環(huán)境下搭建模型,對(duì)傳統(tǒng)交叉耦合控制算法和二重交叉耦合控制算法分別仿真分析,以驗(yàn)證二重交叉耦合控制算法的有效性,二重交叉耦合控制算法的仿真模型如圖9所示。

圖9 二重交叉耦合控制算法仿真模型

SIMULINK仿真模型中的2臺(tái)PMSM參數(shù)一致,如表1所示。

表1 PMSM參數(shù)表

設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速ωr=1 000 r/min,在所搭建的雙永磁同步電機(jī)SIMULINK模型上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),傳統(tǒng)交叉耦合控制算法和本文設(shè)計(jì)的二重交叉耦合控制算法在空載啟動(dòng)時(shí)2臺(tái)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形分別如圖10(a)、圖10(b)所示,2臺(tái)永磁同步電機(jī)的同步誤差如圖10(c)、圖10(d)所示。

(a)傳統(tǒng)交叉耦合控制空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)速波形

(b)二重交叉耦合控制空載啟動(dòng)轉(zhuǎn)速波形

(c)傳統(tǒng)交叉耦合控制空載啟動(dòng)同步誤差

(d)二重交叉耦合控制空載啟動(dòng)同步誤差圖10 雙PMSM空載啟動(dòng)仿真分析

由圖10(a)、圖10(b)分析可得,相比于傳統(tǒng)交叉耦合控制算法,本文所設(shè)計(jì)的二重交叉耦合控制算法能夠有效降低超調(diào)以及更快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。由圖10(c)、圖10(d)分析可知二重交叉耦合控制算法能夠?qū)㈦pPMSM的同步誤差由1.8%降至0.2%。

4.2 雙PMSM二重交叉耦合控制算法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為對(duì)雙PMSM二重交叉耦合控制算法進(jìn)行有效驗(yàn)證,結(jié)合上文的仿真分析,通過SIMULINK的Embedded Coder模塊生成算法的C語(yǔ)言代碼并結(jié)合底層軟件驅(qū)動(dòng)程序,進(jìn)一步將該算法部署于熱管理系統(tǒng)域控制器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,熱管理系統(tǒng)平臺(tái)如圖11所示。

圖11 熱管理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min,當(dāng)電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之后,通過對(duì)拖電機(jī)對(duì)兩臺(tái)永磁同步電機(jī)分別施加10 N·m的擾動(dòng)負(fù)載,持續(xù)時(shí)間均為10 ms,傳統(tǒng)交叉耦合控制算法和本文所設(shè)計(jì)的二重交叉耦合控制算法的轉(zhuǎn)速曲線分別如圖12(a)、圖12(b)所示。

(a)傳統(tǒng)交叉耦合控制

根據(jù)圖12分析可知,相較于傳統(tǒng)交叉耦合控制算法,二重交叉耦合控制算法對(duì)于施加的負(fù)載擾動(dòng),能夠更快適應(yīng)并且在更短的時(shí)間內(nèi)回歸穩(wěn)態(tài),回歸穩(wěn)態(tài)時(shí)間縮短了30%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種集成4片MCU的熱管理系統(tǒng),完成了熱管理系統(tǒng)底層硬件電路的設(shè)計(jì)以及軟件系統(tǒng)和架構(gòu)的開發(fā)。該系統(tǒng)可以滿足多種工況需求,達(dá)成新能源汽車電池?zé)峁芾砟繕?biāo)。提出了一種將超前同步補(bǔ)償器與二階全局快速終端滑膜控制相結(jié)合的二重交叉耦合控制算法,在保證雙PMSM同步精度及抗干擾能力的基礎(chǔ)上降低了對(duì)芯片算力的需求,有效降低了成本。最后通過仿真以及實(shí)驗(yàn)證明了該熱管理系統(tǒng)有效提高了熱管理效率,并且有效提升了新能源汽車的供電效率。