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军用车辆电驱动永磁电动机控制技术研究

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:4622

   摘要:在永磁电动机加速和减速过程中采用不同的弱磁控制策略,并利用最大转矩/电流控制和弱磁控制相结合的控制方法,不仅满足了车辆对电机驱动系统大转矩、宽调速范围的要求,而且提高了驱动系统的可靠性。基于MATLAB软件环境对驱动系统进行了建模和仿真分析,验证了研究成果的有效性。

0引  言

   在军用车辆电传动关键技术中,电动机及电动机控制技术是关键中的关键。目前,应用车辆电传动中的电动机驱动系统主要有四类,即直流电动机驱动系统、高速感应电动机驱动系统、永磁同步电动机驱动系统和开关磁阻电动机驱动系统。而高速感应电动机驱动系统和永磁同步电动机驱动系统是当前车辆电驱动系统的两大主流。高速感应电动机和永磁电动机作为电动车用电动机的主流电机具有不同的特点,相比较而言,感应电动机的控制技术比较

成熟,但在电机效率、重量和体积方面和永磁电动机还具有一定的差距,而这些正是空间有限的移动平台对电机的首要要求,因此,最近国外研制的电传动样车多以永磁电动机作为牵引电机,这也代表了今后车用电机的发展方向。永磁电动机作为电动车辆牵引电机,恒定的磁场给电机控制带来了很大的困难,军用车辆电传动不仅需要电机具有很大的转矩范围,还需要电机具有很宽的调速范围。永磁电动机磁场恒定,转矩系数和反电势系数成固定关系,这就意味着电机如果要实现低速大转矩,在高速时会产生较大的反电势和较高的控制电压,而过高的电压会对车上的绝缘和人身安全不利,因此必须通过控制来实现电传动车辆对永磁电动机的大转矩、宽调速范围要求。本文以我国某型履带装甲车辆为参考对象,研究电驱动用永磁电动机的控制问题,使其驱动的装甲车辆不仅具有规定的最大爬坡能力(最大转矩输出要求),而且具有较高的最大行驶速度(最高转速要求),保证车辆良好的机动能力。

1驱动系统控制结构

由于永磁电动机的各种控制策略均是基于对电机定子电流的幅值和相位的控制,即对电流矢量进行控制。本文设计的永磁电动机控制系统结构简图如图1所示。为保证车辆行驶过程中的平稳性,在永磁电动机的控制结构上引入了功率观测器,采用由功率反馈、转速反馈和电流反馈组成的三环控制结构。控制方法在矢量控制的基础上采用最大转矩/电流控制和弱磁控制,以实现驱动系统的效率最佳化和宽范围调速,使电机驱动系统满足电传动车辆对牵引电机大扭矩、宽调速范围的要求。

 图1永磁电动机控制系统框图

控制系统结构框图中坐标变换主要包括Park变换、Clark变换和Park反变换,其中Clark变换是将电机的电流从三相静止坐标系(abc)转换到两相静止坐标系(αβ)中,而Park变换是将电机电流从两相静止的坐标系(αβ)转换到两相旋转的坐标系(dq)中,从而在三相交流电动机上模拟出直流电动机转矩控制规律,将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量,并使得两分量互相垂直,彼此独立,然后分别进行调节,获得从原理上和特性上与直流电动机一样的控制效果,实现交流电动机转矩的高性能控制(也就是矢量控制)。功率观测器通过电动机的电流和转速计算获得,其关键是转矩电流id和弱磁电流id的计算方法。电传动车辆在加速和制动过程中,如果调速系统进入了弱磁控制区,则需要使用不同的弱磁控制策略。加速过程中的控制首先要保证电动机输出足够的电磁转矩以克服地面的阻转矩,然后才能使电机加速,而在制动过程中,控制系统首先要保证电动机反电势不高于直流侧电压(和逆变器反向并联的二极管将变成整流器,电流不可控),避免产生失控的状况。具体情况分析分别从下面电动机的电动运行和制动运行状态来详细讨论。

2永磁电动机弱磁控制策略

2.1永磁电动机加速运行时的电流计算

   电机加速运行时电流的计算可分为三个阶段(0~ωb,ωb~∞c,ωc~ωmax)来实现最大转矩/电流控制和弱磁控制效果。当永磁电动机处于低速0~ωb之间运行时(山。为电机输出最大恒转矩能够达到的最大速度),为了充分利用电机的磁阻转矩,采用最大转矩/电流控制。对于凸极永磁同步电动机,要实现单位电流发出最大转矩,直轴电流(弱磁电流)的算法如下: (1)式中:Ψf为永磁电动机的最大永磁磁链;Ld、Lq为永磁电动机直、交轴电感。随着转速的不断升高,进入ωb~ωc之间运行时(ωc为电机无弱磁控制下的最大空载速度),电动机端电压计算: (2)如果此时逆变器没有进入饱和状态,可仍然采用最大转矩/电流控制的算法计算直轴电流;如果逆变器已经进入饱和,则按式(3)计算直轴弱磁电流,此时必须有足够的弱磁电流来削弱永磁体产生的磁场,使得电机反电势不超过电动机端电压,达到升速的目的,式(3)的推导过程可见参考文献[1]。 (3)式中:Ulim为永磁电动机极限电压。当转速进一步升高到高于ωc时,逆变器已经饱和,直轴电流算法直接采用式(3)表示的算法。根据这三个阶段,电机电动运行时整个直轴电流的算法结构图如图2所示。

    图2  电机电动运行时直轴电流计算方法

2.2电动机制动运行时的直轴电流计算

   电动机制动运行是车辆运行中经常遇到的情况。当车辆以较高速度运行时,永磁电动机处于弱磁控制状态,如果制动时没有相应大小的弱磁电流,电机的反电势将高于直流侧电压,整个逆变器一电机调速系统成了发电机一整流系统,电机的电流无法通过调制逆变器进行控制。而且,大量的回馈能量流到直流侧,给直流侧能量吸收电路带来破坏。因此,必须根据制动信号的大小和永磁电动机的转速进行电机弱磁制动。由于电机在电动状态时弱磁电流根据转矩电流的大小和电动机的转速计算获得,如果转矩电流过大,而电机的电流矢量不能超过电流极限圆,弱磁电流很可能达不到要求。这时影响的只是电动机弱磁力度不够,转速达不到期望值。而制动时的弱磁电流是根据电动机转速和制动电流计算获得,如果弱磁电流不能满足要求,就会出现前面所说的失控现象。因此,为了尽可能提高电动机运行于弱磁状态下的效率,电动机在电动状态和制动状态时的弱磁电流算法是不一样的。下面介绍本文提出的电动机制动状态时弱磁电流的计算方法。

车辆制动时,控制系统检测到永磁电动机的转速,根据式(4)和式(5)计算出电动机在电流极限圆和电压极限椭圆内能够输出的最大转矩电流iqmax。也就是说,电机输出该转矩电流时,在电流矢量幅值不超过电机允许的最大电流基础上,有足够的弱磁电流分量使得该转速、转矩电流下的电机反电势不高于直流侧电压。

    (4)                 (5)

   使用MATLAB对式(4)和(5)求解,可知iqmax的解析表达式非常复杂,在实际的控制系统计算中通常采用查表的方法来得到相应的iqmax值,或者通过曲线拟合的方法用多项式近似地模拟iqmax表达式。结合制动信号的大小(即制动强度)在0和iqmax之间通过一定的算法计算实际输出的转矩电流iq,然后根据iq的大小再反过来利用式(5)计算实际输出的弱磁电流id。随着电机转速不断降低,当电机转速低于ωc时,弱磁电流和转矩电流的计算方法采用最大转矩/电流控制算法。整个制动过程中电流计算框图如图3所示。为提高控制系统的实时性,在实际的控制过程中id、iq一般通过查表获得。此种控制算法的具体控制效果可参看后面的制动性能仿真。

    图3  电传动系统制动过程中的弱磁电流计算方法

   需要指出的是,电机处于加速运行时,弱磁电流的大小是根据转矩电流和电机的转速来计算的,即在满足系统需要的转矩电流前提下再产生弱磁电流,这样有可能因为弱磁电流达不到要求使得电机达不到要求的转速。而电机处于制动运行状态时,先保证足够的弱磁电流使得电机的反电势不超过直流侧电压,然后再计算能够产生的最大转矩电流,这种情况下有可能因为没有足够的转矩电流来产生制动转矩。

3系统仿真分析

   为验证提出控制策略的有效性,本文在MAT-LAB环境中对控制系统进行了建模和仿真,模型中永磁电动机的设计参数如表1所示。

表l  建模仿真用永磁电动机设计参数

仿真分析前对模型的准确性进行了验证,图4和图5分别为控制系统中永磁电动机的相电流、线电压波形与实际实验中的电机相电流、线电压的比较结果。从比较的结果来看,模型的精确程度能够满足我们研究目的的要求,在此基础上,对永磁电动机驱动系统的加速和制动过程进行了仿真,仿真结果如图6、图7和图8所示。

              

(a)实验波形                    (b)仿真波形

图4  电机相电流实验与仿真波形比较

                

(a)实验波形                      (b)仿真波形

图5  电机线电压实验与仿真波形比较

 图6永磁电动机加速时转矩电流和弱磁电流曲线

 图7永磁电动机制动时转矩电流和弱磁电流曲线

   图8  电机加速过程中扭矩和转速之间的关系曲线

从永磁电动机驱动系统仿真分析结果中可以看到,利用本文提出的永磁同步电动机控制策略,可以较好地满足车辆对电机驱动系统的大转矩和宽调速范围要求,同时可以充分发挥电气制动的作用提高车辆的制动能力和能量利用效率。

4结  语

本文结合最大转矩/电流控制和弱磁控制的方法,分别在电机电动和制动过程中采用不同的弱磁控制策略,并利用MATLAB软件环境对驱动系统进行了建模和仿真分析,验证了本文研究成果的有效性。通过对永磁电动机的仿真和分析可知,用于军用车辆电驱动用永磁电动机具备3倍左右的弱磁扩速能力和3倍左右的转矩过载能力情况下,不仅满足车辆对电机驱动系统大转矩、宽调速范围的要求,在电机的制造和控制等方面的技术风险也较小。在电机电动和制动的不同工况中采用不同的弱磁控制策略,有利于提高整个驱动系统的可靠性。

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