电动汽车用异步电机直接转矩控制的仿真研究

引言

电动汽车以电能为能源,具有零排放、无污染的突出优点,开发前景十分广阔。高密度、高效率、宽调速的车辆牵引电机及其控制系统,既是电动汽车的心脏,又是电动汽车研制的关键技术之一,是提高电动汽车的驱动性能、行驶里程及可靠性的根本保证。交流异步电机因具有结构简单、价格低廉、坚固耐用、运行可靠、易于维护等优点,已成为动力驱动系统的主流。其中,异步电机直接转矩控制技术控制思想新颖,结构简单,控制手段直接,是一种具有良好的静态与动态性能的交流调速方法,已成为交流调速传动中的研究热点,其作为电动汽车驱动电机的应用越来越普遍。

本文将直接转矩控制技术应用于电动汽车,建立了异步电机数学模型,并搭建电动汽车用异步电机直接转矩控制系统的仿真模型,详细介绍了模型中各个子模块的组成和功能,并进行电机运行仿真。仿真结果表明,控制系统动态响应迅速,调速性能良好,验证了控制系统的正确性。

1异步电机数学模型

本文电动汽车的变频调速系统采用交流鼠笼式异步电机作为驱动电机。异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统,因此在研究其数学模型时做些允许范围内的假设。异步电机在两相静止α-8坐标系下的数学模型:

(1)磁链方程:

式中,ψsα、ψs8、ψrα、ψr8、isα、is8、irα、ir8分别为α-8坐标系下的定、转子磁链和电流:Ls、Lr、Lm为α-8坐标系下的定、转子电感和互感。

(2)电压方程:

式中,usα、us8、urα、ur8分别为α-8坐标系下的定、转子电压。

(3)异步电机的电磁转矩方程:

式中,Te为电磁转矩:p为电机的极对数。

(4)异步电机的运动方程:

式中,TL为负载转矩:J为电机的转动惯量。

2直接转矩控制系统原理与建模

异步电机直接转矩控制系统结构如图1所示,通过磁链和转矩滞环输出信息结合定子磁链所处扇区,由电压矢量选择表选出合适的空间电压矢量驱动逆变器模块,调节磁链与转矩误差,实现对定子磁链和电磁转矩的直接控制。

2.1DTC系统建模

Matlab/Simulink是一个交互式的动态系统建模、仿真、分析集成环境,并带有丰富的功能模块。在其中搭建异步电机DTC系统仿真模型,仿真模型整体如图2所示。

2.2转速РI调节器模块

系统中转速调节器模块将当前转子速度or与给定值or*比较,将偏差作为PI调节器的输入,PI调节器的输出作为电磁转矩的给定值Te*。通过不断的仿真调试,选取适当的比例系数和积分系数,可以获得较好的转矩调节效果。转速PI调节器的仿真模型如图3所示。

2.3磁链和转矩观测模块

系统中定子磁链观测模块采用电压-电流模型,由式(2)中定子电压方程变换得到:

电磁转矩观测值根据式(3)计算得到。磁链和转矩的观测仿真模型如图4所示。

2.4磁链和转矩滞环调节模块

系统采用两点式,即滞环比较器调节定子磁链,将定子磁链观测值与实际值之间的误差△ψs限制在滞环比较器的容差sψ内,比较器的输出磁链控制信号为0和1,分别对应减小磁链幅值和增大磁链幅值。磁链和转矩滞环调节模块如图5所示。

2.5扇区判断模块

系统采用电压型逆变器驱动电机运行,其结构如图6所示。

逆变器三组桥臂分别接电机A、B、C三相,上下桥臂互补导通可以组合出8种电压矢量,其中V0和V7是零电压矢量,V1~V6为有效电压矢量。以每个有效电压矢量为矢量中线,将定子磁链空间复平面分为6个扇区,每个扇区所在区间为60o电角度,如图7所示。

通过编写m函数,将定子磁链角度作为函数输入进行扇区判断。

2.6电压矢量选择模块

系统中定子磁链观测模块采用电压-电流模型,在忽略定子电阻压降时有:

上式表明,定子电压矢量与定子磁链矢量有相同的运动方向,可以通过选择特定的电压矢量调节定子磁链幅值与旋转方向,达到控制转矩的目的。

如图8所示,以定子磁链处于扇区1且逆时针旋转来说明电压矢量选择规律。当磁链和转矩滞环比较器输出为Hψ=1、HT=1时,表明此时需要增大磁链幅值和转矩,应该选择与定子磁链夹角为锐角且与磁链旋转方向一致的电压矢量。由图8可以确定,此时应该选择电压矢量V2,一方面其与磁链之间夹角为锐角可以增大磁链幅值:另一方面其与磁链旋转方向一致可以增大磁链角,从而增大转矩。当磁链位于其他扇区时,采用上述分析方法,根据磁链和转矩比较器输出选择合理的电压矢量。由此可以获得电压矢量选择表,如表1所示。

通过查表编写了电压矢量选择模块的m函数,其输入为磁链滞环比较器输出信号、转矩滞环比较器输出信号及扇区判断模块输出信号,其输出为选定的电压矢量。

3仿真结果及分析

仿真中所选用的异步电机参数如表2所示。

仿真过程中,定子磁链幅值给定值为1wb,各仿真时间段转速、负载转矩设定值如表3所示。

得到的仿真结果如图9所示。

从图9(a)和(b)转速和转矩的仿真波形可以看出,直接转矩控制对转速和转矩的突变均有很快的响应速度,有较好的稳态性能,且超调量较小。DTC系统在1s开始从800r/min加速到1600r/min过程中,能够输出设定的最大转矩限值,实现转速的最快调节。图9(c)定子电流波形表明,DTC系统在稳定运行时电流基本保持为正弦波,并且在突加负载时无过流现象。图9(d)表明定子磁链幅值在动态加速和稳态运行时,都能基本保持恒定幅值1,在磁链滞环容差范围内波动,磁链轨迹接近圆形。

4结语

本文将直接转矩控制技术应用于电动汽车,建立了异步电机数学模型,搭建了电动汽车用异步电机DTC系统的仿真模型,并进行电机运行仿真。仿真结果表明,控制系统转矩和转速的动态响应迅速,静态性能良好,磁链幅值基本能够保持恒定,验证了DTC系统的有效性。但DTC技术也存在不足之处,如稳态运行时转矩脉动较大、磁链轨迹不规则等,需要进一步的研究。