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        電動汽車驅(qū)動電機(jī)控制策略的分析與研究*

        2023-06-21 05:00:28,張
        南方農(nóng)機(jī) 2023年13期
        關(guān)鍵詞:方框直流電機(jī)流程圖

        何 琨 ,張 斌

        (黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通學(xué)院,湖北 黃岡 438002)

        0 引言

        近年來,隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對快速高效運(yùn)輸?shù)男枨笠苍谠鲩L,對汽車的需求也不例外,然而這也導(dǎo)致了石油消費(fèi)的增加,這種情況被認(rèn)為對環(huán)境不利。因此,人們轉(zhuǎn)向使用替代能源的車輛。這種電動或油電混合動力汽車現(xiàn)在已成為人們?nèi)粘I畹囊徊糠郑ˋnderson 等,2010)[1]。然而,關(guān)于這些車輛以及它們?nèi)绾尾僮?,還有更多內(nèi)容需要了解,特別是關(guān)于汽車的知識。

        在電動和油電混合動力汽車等新能源汽車中,正是電機(jī)將車輛電池中存儲的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,使車輛能夠?qū)嶋H移動(Abu-Ghazal 等,2019)[2]。除此之外,電機(jī)還有助于將車輛制動時產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,然后將電能儲存回電池中。換句話說,電機(jī)也是電池充電系統(tǒng)的一部分。這些電機(jī)包括感應(yīng)電機(jī)、直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)。基于它們的控制器和其中使用的算法,這些電機(jī)在性能和效率方面各有優(yōu)缺點(diǎn)。擬議的研究應(yīng)著眼于這些與新能源汽車相關(guān)的電機(jī)及其性能,以確定新能源汽車的最佳電機(jī)控制方案。

        1 問題陳述

        當(dāng)涉及電機(jī)控制時,內(nèi)燃機(jī)車和電動內(nèi)燃機(jī)車之間存在某些基本差異。與向系統(tǒng)提供恒定負(fù)載的內(nèi)燃機(jī)不同,電機(jī)僅提供按需功率,這使得電機(jī)可以避開向系統(tǒng)引入恒定負(fù)載的需要[3]。電動機(jī)控制性能和速度的方式是通過改變施加的電壓和電流。然而,這種方法的低效性通常導(dǎo)致其無法提供足夠的扭矩,然而扭矩和速度控制對于確保電機(jī)在足夠的時間內(nèi)保持其性能至關(guān)重要,可以提高可靠性并防止電機(jī)損壞(Quintero-Manríquez等,2021)[4]。

        此外,在純電動汽車方面,電機(jī)是唯一的動力來源。與工業(yè)電機(jī)相比,電動汽車中的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)面臨許多挑戰(zhàn),如寬速度控制范圍、降低車輛整備重量的高扭矩/功率密度、可預(yù)測的驅(qū)動循環(huán)動態(tài)運(yùn)行、確保車輛即使在主要部件發(fā)生故障后仍能運(yùn)行的強(qiáng)大跛行回家功能以及終身保障等(Cai 等,2011)[5]。為了加強(qiáng)控制,設(shè)計工程師利用電子開關(guān)自動降低電流和電壓。然而,這種方法仍然受到動態(tài)(過渡)損耗和通斷周期靜態(tài)電阻損耗的影響。因此,當(dāng)涉及交換機(jī)時,面臨的挑戰(zhàn)是如何降低此類損失(Chau,2014)[6]。

        2 汽車驅(qū)動電機(jī)類型

        2.1 直流電機(jī)

        早在19 世紀(jì),直流電機(jī)就成為電動汽車的主要部件,這主要是因?yàn)檫@些電機(jī)的調(diào)節(jié)簡單。然而,隨著時間的推移,這些電機(jī)變得不適合當(dāng)今技術(shù)先進(jìn)的替代能源汽車。現(xiàn)在,它們只能在低速電動汽車中找到(Cai等,2021)[7]。

        2.2 感應(yīng)電機(jī)

        在感應(yīng)電機(jī)(IM)中,交流電(AC)通過電磁感應(yīng)過程到達(dá)旋轉(zhuǎn)裝置。因?yàn)楦袘?yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)似鼠籠,因此其也被稱為鼠籠電機(jī)。電力直接在旋轉(zhuǎn)裝置內(nèi)感應(yīng)(Sampathkumar 等,2019)[8],這與直流電機(jī)不同,在直流電機(jī)中,電力通過直流直接輸送。感應(yīng)電機(jī)有多種用途,在各個領(lǐng)域都有應(yīng)用,尤其是在工業(yè)驅(qū)動領(lǐng)域(Choudhary等,2019)[9]。

        2.3 開關(guān)磁阻電機(jī)

        與感應(yīng)電機(jī)類似,開關(guān)磁阻電機(jī)非常簡單,它們沒有線圈,其功率主要通過鐵制成的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生,該轉(zhuǎn)子只有突出的磁極。有一系列開關(guān)有助于形成旋轉(zhuǎn)場,從而使轉(zhuǎn)子磁極磁化。由此產(chǎn)生的吸引力使轉(zhuǎn)子保持運(yùn)動(Cai 等,2021)[7]。這種電機(jī)效率高,易于控制。然而,由于扭矩波動、噪聲和振動,它們不用于新能源汽車中。

        2.4 同步磁阻電機(jī)

        與開關(guān)磁阻電機(jī)不同,這種電機(jī)具有繞組,轉(zhuǎn)子為圓柱形,但由各向異性磁性結(jié)構(gòu)復(fù)合(Cai 等,2021)[7]。對于這類電機(jī),控制它們的速度和扭矩是完全可能的。此外,在某些應(yīng)用中,可以節(jié)省大量能源,如泵和風(fēng)扇(Heidari等,2021)[10]。

        2.5 永磁電機(jī)

        近年來,在永磁電機(jī)方面取得了重大進(jìn)展,已經(jīng)開發(fā)出不僅可以節(jié)約成本效益而且具有大能量密度的合金。這些在實(shí)現(xiàn)效率以及開發(fā)輕便緊湊的電機(jī)方面發(fā)揮了重要作用(Cai 等,2021)[7]。在這些類型的電機(jī)中,永磁體通常位于轉(zhuǎn)子中,并且基于位置,它根據(jù)線圈產(chǎn)生的磁場旋轉(zhuǎn),這使得速度控制成為可能。

        3 電機(jī)控制技術(shù)

        3.1 恒壓/頻率比(V/F)控制

        恒定電壓/頻率比控制,也被稱為恒定磁通控制,可以通過確保每個頻率的定子電壓保持不變來實(shí)現(xiàn)恒定磁通(Tu 等,2017)[11]。在電機(jī)以較低速度運(yùn)行的情況下,T 軸電流保持電機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定。恒定速度/頻率控制是調(diào)節(jié)感應(yīng)電機(jī)速度的常用技術(shù),它簡單、有效,并且對參數(shù)變化具有高魯棒性(Cai 等,2021)[7]。

        3.2 磁場定向控制(FOC)

        磁場定向控制技術(shù)是20 世紀(jì)發(fā)展起來的。本質(zhì)上,定子的功率被移除并連接到扭矩發(fā)生器。由特定系統(tǒng)磁化,提供穩(wěn)定的轉(zhuǎn)子磁通量(Tu 等,2017)[11]。磁場定向控制是非常動態(tài)的,因?yàn)榕ぞ夭▌雍苄?,其速度范圍非常大,啟動非常平穩(wěn),這對于在激烈工作環(huán)境中使用的機(jī)械來說是非常好的(Cai等,2021)[7]。開發(fā)這種類型的電機(jī)控制技術(shù),為機(jī)器在不同類型的條件下做出相應(yīng)響應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。

        3.3 直接轉(zhuǎn)矩控制

        直接轉(zhuǎn)矩控制不同于磁場定向控制,因?yàn)樗鼪]有回路,并且不需要按順序轉(zhuǎn)換坐標(biāo)來控制性能(Cai等,2021)[7]。直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)簡單,響應(yīng)迅速,對參數(shù)變化反應(yīng)不強(qiáng),動態(tài)響應(yīng)快,對參數(shù)擾動的靈敏度低,用途廣泛,非常適合需要快速響應(yīng)和廣泛速度調(diào)節(jié)的情況(Wu 等,2020)[12]。然而,它并非沒有缺點(diǎn)。例如,它需要較高的采樣頻率,并且在相對較低的速度下,電流和轉(zhuǎn)矩都會產(chǎn)生漣漪效應(yīng)(Cai 等,2021)[7]。

        4 電機(jī)控制算法

        4.1 比例積分微分(PID)控制

        比例積分微分(PID)控制方法在大多數(shù)研究中非常普遍,并且在大多數(shù)電機(jī)和電機(jī)控制技術(shù)中也普遍使用。這主要是由于其結(jié)構(gòu)簡單,能夠適應(yīng)參數(shù)變化,可靠性高(Cai 等,2021)[7]。雖然該算法適用于線性和固定的對象,但它不適合參數(shù)不斷變化和復(fù)雜交互的電機(jī)(Fan 等,2020)[13]。因此,比例積分微分控制算法需要與下面將描述的一些控制算法相結(jié)合,直流電機(jī)PID控制算法的方框流程圖如圖1 所示。

        圖1 直流電機(jī)PID控制算法的方框流程圖

        4.2 自適應(yīng)控制

        可與比例積分微分算法耦合的算法之一是自適應(yīng)控制算法。該算法能夠在線改變參數(shù),使其在處理系統(tǒng)變化時具有通用性。該算法有相當(dāng)多的導(dǎo)數(shù),包括模型參考自適應(yīng)控制。然而,重要的是,系統(tǒng)僅依賴于電機(jī)的精確模型,電機(jī)本身受電機(jī)參數(shù)波動的影響(Landau 等,2011)[14],驅(qū)動電機(jī)自適應(yīng)控制算法的方框流程圖如圖2所示。

        圖2 驅(qū)動電機(jī)自適應(yīng)控制算法的方框流程圖

        4.3 模型預(yù)測控制

        這種類型的控制算法在設(shè)計上過于簡單,并且相當(dāng)偏向于快速響應(yīng)。其基本作用是在采樣過程中的每個時刻解決最優(yōu)控制問題。然而,與模型參考自適應(yīng)控制一樣,它也嚴(yán)重依賴于電機(jī)模型的參數(shù),并且相當(dāng)復(fù)雜(Mayne,2014)[15],模型預(yù)測控制算法的方框流程圖如圖3所示。

        圖3 模型預(yù)測控制算法的方框流程圖

        4.4 模糊邏輯控制(FLC)

        該算法的結(jié)構(gòu)可能很簡單,但非??煽浚⑶以趩舆^程中幾乎不影響電機(jī)。它的一個缺點(diǎn)是,它需要大量的專業(yè)知識和處理此類算法的豐富經(jīng)驗(yàn)(Sharma 等,2014)[16],模糊邏輯控制算法的方框流程圖如圖4所示。

        圖4 模糊邏輯控制算法的方框流程圖

        5 結(jié)論

        1)確定電動汽車驅(qū)動電機(jī)的控制方案主要是按車型所需來選取最合適的驅(qū)動電機(jī),采用最合適的電機(jī)控制技術(shù)和電機(jī)控制算法。由于永磁同步電機(jī)的高能效和三相異步電機(jī)(感應(yīng)電動機(jī))的運(yùn)轉(zhuǎn)平順、易控制等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)今這兩類電機(jī)被大量應(yīng)用于電動汽車領(lǐng)域[17-18]。感應(yīng)電機(jī)因價格低廉、控制技術(shù)成熟等方面的優(yōu)勢,在過去曾占車用驅(qū)動電機(jī)市場主導(dǎo)地位。永磁電機(jī)在控制技術(shù)上多采用磁場定向控制,一般配有轉(zhuǎn)子位置傳感器,也有利用反電動勢識別轉(zhuǎn)子位置的無傳感器永磁同步電機(jī)(車用電機(jī)上很少使用)。近年來,隨著永磁同步電機(jī)生產(chǎn)技術(shù)及其控制技術(shù)的進(jìn)步和市場價格的降低,永磁同步電機(jī)逐漸成為當(dāng)前車用驅(qū)動電機(jī)的主流。

        2)近年來,學(xué)者們已經(jīng)使用上述電機(jī)控制算法對電機(jī)性能效率進(jìn)行了大量研究。例如,Abu-Ghazal和Jaber 比較了感應(yīng)電機(jī)與內(nèi)部永磁同步電機(jī)在新能源汽車中的使用,特別是使用FLC 算法的電動汽車;雖然結(jié)果顯示了系統(tǒng)之間的相似性能,但也發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動的車輛模型比內(nèi)部永磁同步電機(jī)驅(qū)動的模型具有相對更快的響應(yīng)速度(Abu-Ghazal 等,2019)[2]。此外,與感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動相比,內(nèi)部永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)矩方面具有顯著更高的紋波,相較于感應(yīng)電機(jī),永磁同步電機(jī)對控制技術(shù)和控制算法上的選取提出了更高的要求。

        3)在電機(jī)控制算法方面,有研究發(fā)現(xiàn)模糊邏輯控制算法比自適應(yīng)控制算法更可靠和有效。模糊邏輯控制在響應(yīng)速度方面具有零分支,在自適應(yīng)控制的情況下,系統(tǒng)預(yù)期響應(yīng)速度會出現(xiàn)下沖或過沖(超調(diào))。當(dāng)涉及模糊邏輯控制時,負(fù)載的增加引入了微小的穩(wěn)態(tài)誤差,系統(tǒng)可以跟蹤的范圍減小。自適應(yīng)控制受參數(shù)變化的影響,這與模糊邏輯控制不同。然而,就設(shè)計和專業(yè)知識而言,自適應(yīng)控制比模糊邏輯控制簡單得多。綜上,圍繞電機(jī)控制的高效節(jié)能,為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)控制,應(yīng)根據(jù)汽車運(yùn)行工況要求采用多種電機(jī)控制技術(shù)和控制算法相結(jié)合的控制策略。

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