電動(dòng)汽車用開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制

翟紅英,熊立新,徐丙垠

(1.山東理工大學(xué),山東淄博255049;2.浙江大學(xué),浙江杭州310027)

0 引 言

電動(dòng)汽車的核心是電動(dòng)機(jī)[1],目前電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)主要有四種:直流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)交流電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)[2]。

直流電動(dòng)機(jī)制造成本高、重量體積大、碳刷壽命短、換向時(shí)碳刷易產(chǎn)生火花,不適宜高速大容量場(chǎng)合,有逐漸被淘汰的趨勢(shì)。感應(yīng)交流電動(dòng)機(jī)由于其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜、功率因數(shù)低、小負(fù)荷范圍內(nèi)效率低、功率密度和效率低于永磁電機(jī),逐漸失去其優(yōu)勢(shì)。永磁電動(dòng)機(jī)不需要直流勵(lì)磁電源,具有重量輕、體積小、慣性低、控制簡(jiǎn)單、效率高、調(diào)速范圍寬、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn),但電機(jī)含永磁材料,制造成本高,而且永磁材料在溫度過(guò)高、過(guò)低、強(qiáng)烈振動(dòng)情況下,有不可逆轉(zhuǎn)的退磁現(xiàn)象,使電機(jī)性能下降。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固、制造成本低、調(diào)速范圍寬、速度響應(yīng)快、控制靈活、起動(dòng)電流小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn),作為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有很大的發(fā)展?jié)摿3],但開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲較大,要在電動(dòng)汽車中推廣應(yīng)用,必須解決這兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的噪聲隨著電機(jī)設(shè)計(jì)的成熟會(huì)逐漸減弱,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生主要是因?yàn)殚_(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)必須工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),通用工業(yè)場(chǎng)合中普遍以繞組電流為目標(biāo)進(jìn)行控制,換相時(shí)轉(zhuǎn)矩不連續(xù),因此轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)引起的汽車振動(dòng)不僅對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)危害很大,也降低了汽車乘坐的舒適性。本文參考交流電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制方法,根據(jù)開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理進(jìn)行了改進(jìn),應(yīng)用直接轉(zhuǎn)矩控制方法來(lái)減小開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),使其更適合于電動(dòng)汽車應(yīng)用。

1 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)工作原理

圖1 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu),定子上有集中繞組,每相對(duì)的兩極為一相,轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組也無(wú)永磁體,電機(jī)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,如圖1所示。

電機(jī)運(yùn)行遵循磁阻最小原理[4],當(dāng)一相繞組通電時(shí),與此定子凸極非對(duì)齊位置的轉(zhuǎn)子凸極,由于磁拉力的作用運(yùn)轉(zhuǎn)到對(duì)齊位置。各相依次通電,即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)運(yùn)行,改變各相通電順序,可改變電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T根據(jù)磁共能W來(lái)計(jì)算,即:

式中:Ψ(θ,i)為磁鏈。

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的每相繞組都是單極驅(qū)動(dòng),因此開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的每相電流都是正的[5]。從式(2)可看出,轉(zhuǎn)矩的正負(fù)取決于式(2)的后一項(xiàng),即如果定子磁鏈相對(duì)于轉(zhuǎn)子角度的變化率為正,轉(zhuǎn)矩增加;如果定子磁鏈相對(duì)于轉(zhuǎn)子角度的變化率為負(fù),轉(zhuǎn)矩減少。

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際控制變量包括開(kāi)通角、關(guān)斷角、勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流上限?？刂品椒ㄓ须娏鲾夭刂?、角度位置控制、脈寬調(diào)制調(diào)壓控制三種基本控制方法,其目的都是為了控制電機(jī)相繞組的電流。由于開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩除與電流有關(guān)外,還與定、轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置角有關(guān),如果僅僅使電流平穩(wěn),在換相時(shí)會(huì)造成前一相的轉(zhuǎn)矩開(kāi)始降落而后一相的轉(zhuǎn)矩尚未建立起來(lái)的現(xiàn)象,引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大,限制了開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)汽車場(chǎng)合的應(yīng)用推廣。

2 直接轉(zhuǎn)矩控制

2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制原理

在交流電機(jī)控制中,直接轉(zhuǎn)矩的基本思想是保持定子磁鏈幅值基本恒定不變,通過(guò)改變定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的轉(zhuǎn)角來(lái)控制轉(zhuǎn)矩的增大或減小,即通過(guò)加速或減速定子磁鏈來(lái)控制轉(zhuǎn)矩,從而把轉(zhuǎn)矩限制在一個(gè)給定的滯環(huán)范圍之內(nèi)。

圖2 三相半橋式功率變換器

2.2 電壓矢量的選取

改變定子磁鏈與轉(zhuǎn)子位置的夾角及磁鏈的幅值是通過(guò)選擇不同的空間電壓矢量來(lái)實(shí)現(xiàn)的,而空間電壓矢量是由加在定子各相繞組上的電壓公共作用形成的。在每一個(gè)確定的時(shí)刻,每相繞組都因開(kāi)關(guān)狀態(tài)的確定而有一個(gè)確定的電壓狀態(tài),從而就有一個(gè)各相公共作用形成的確定的空間電壓矢量。在不同時(shí)刻,每相選擇不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合,就會(huì)確定出不同的空間電壓矢量。本系統(tǒng)選擇的是三相半橋式功率變換器,如圖2所示。

功率變換器每相由兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管和兩個(gè)續(xù)流二極管組成,具有能量回饋功能,在電動(dòng)汽車有限的電池能量?jī)?chǔ)存情況下,有助于提高效率,節(jié)約能量。

人們希望如何從海量的數(shù)據(jù)中迅速的提煉出關(guān)鍵信息，為社會(huì)和企業(yè)帶來(lái)價(jià)值。大數(shù)據(jù)分析的主要方法分為：統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析方法、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的分析方法、基于圖的分析方法和自然語(yǔ)言中的分析方法。大數(shù)據(jù)的挖掘包括關(guān)聯(lián)規(guī)則、分類分析、聚類分析等。常用的數(shù)據(jù)挖掘工具有：R語(yǔ)言、RapidMiner、 免費(fèi)的Weka、KNIME以及Prange等。最典型的挖掘平臺(tái)包括基于Hadoop的平臺(tái)和基于Spark的平臺(tái)。

根據(jù)每相兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管不同的開(kāi)通與關(guān)斷情況,可分為三種開(kāi)關(guān)狀態(tài)。第一種情況是兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管同時(shí)開(kāi)通,這時(shí)加在繞組上的電壓為正,定義為開(kāi)關(guān)狀態(tài)“1”;第二種情況是一個(gè)主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通一個(gè)主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷,開(kāi)通的主開(kāi)關(guān)管和這相的其中一個(gè)續(xù)流二極管構(gòu)成閉合回路,這時(shí)電壓為零,定義為開(kāi)關(guān)狀態(tài)“0”;第三種情況是兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管都關(guān)斷,繞組與此相的兩個(gè)續(xù)流二極管構(gòu)成閉合回路續(xù)流,這時(shí)電壓為負(fù),定義為開(kāi)關(guān)狀態(tài)“-1”。例如空間電壓矢量v1(1,0,-1)表示三相功率變換器A相上下兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管都開(kāi)通,B相一個(gè)主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通一個(gè)主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷,C相兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管都關(guān)斷的狀態(tài)。而空間電壓矢量v2(0,1,-1)表示三相功率變換器A相一個(gè)主開(kāi)關(guān)管開(kāi)通一個(gè)主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷,B相兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管都開(kāi)通,C相兩個(gè)主開(kāi)關(guān)管都關(guān)斷。通過(guò)控制三相不同的開(kāi)關(guān)組合,就會(huì)確定出不同的三相公共作用形成的空間電壓矢量。這種三相半橋式功率變換器可確定出27個(gè)空間電壓矢量。其中有些電壓矢量因?yàn)楣β首儞Q器不能同時(shí)有兩相被激勵(lì)而被淘汰,還有一些電壓矢量選擇后會(huì)降低效率也被淘汰。每相不能從開(kāi)關(guān)狀態(tài)“1”直接到開(kāi)關(guān)狀態(tài)“-1”,或者從開(kāi)關(guān)狀態(tài)“-1”直接到開(kāi)關(guān)狀態(tài)“1”,應(yīng)該是從開(kāi)關(guān)狀態(tài)“1”到開(kāi)關(guān)狀態(tài)“0”再到開(kāi)關(guān)狀態(tài)“-1”,或者逆序[7]。選用其中6個(gè)有效的空間電壓矢量,這6個(gè)空間電壓矢量均勻分布在坐標(biāo)平面上,每個(gè)空間電壓矢量彼此相差且幅值相等,把空間平面均勻地分成6個(gè)區(qū),每個(gè)區(qū)對(duì)應(yīng)的空間電壓矢量及開(kāi)關(guān)狀態(tài)如圖3所示。

圖3 空間電壓矢量

2.3 磁鏈定區(qū)

在交流電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制中定子磁鏈?zhǔn)噶靠捎墒?3)得出,其在開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)中同樣適用。

式中:ψs為定子磁鏈?zhǔn)噶?v為定子電壓矢量;i為定子電流矢量;R為定子電阻。

為了將不斷變化的磁鏈控制在滯環(huán)內(nèi),控制器需不斷地從6個(gè)電壓矢量中選出一個(gè)來(lái)滿足這種情況。定子電壓矢量可用來(lái)控制定子磁鏈?zhǔn)噶?特別是在低壓時(shí),這時(shí)定子電阻可忽略)[5],如果電壓作用時(shí)間足夠短,式(3)可寫(xiě)為:

可見(jiàn)定子磁鏈的方向與定子電壓的方向一致,定子磁鏈幅值的大小與定子電壓的幅值和作用時(shí)間有關(guān)。如果定子磁鏈在第K區(qū),選擇vK+1和vK-1可增加定子磁鏈幅值,選擇vK+2和vK-2可減小定子磁鏈幅值,選擇vK+1和vK+2可增加轉(zhuǎn)矩,選擇vK-1和vK-2可減小轉(zhuǎn)矩?？刂频贙區(qū)定子磁鏈和電機(jī)轉(zhuǎn)矩的開(kāi)關(guān)表如表1所示,在表中?表示增加,?表示減小。

表1 開(kāi)關(guān)表

為了把磁鏈和轉(zhuǎn)矩控制在滯環(huán)內(nèi),必須知道瞬時(shí)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩的幅值以及磁鏈所在的區(qū)。在交流電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制中瞬時(shí)磁鏈由式(5)算出,ψs0是定子磁鏈的初始值,對(duì)于開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō),每相的電流和磁鏈在一個(gè)電周期內(nèi)都回到零,所以ψs0=0。每相的磁鏈幅值隨著時(shí)間的變化而變化,但方向始終沿著定子極軸方向。

為了把三相磁鏈?zhǔn)噶空铣梢粋€(gè)磁鏈?zhǔn)噶?把三相定子磁鏈所在的三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成兩相靜止坐標(biāo)系如圖4所示。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式:

圖4 α-β坐標(biāo)系

定子磁鏈ψs的幅值和角度δ:

當(dāng)ψα＞0,ψβ＞0或ψα＞0,ψβ＜0時(shí),δ=arctan

當(dāng)ψα＜0,ψβ＞0時(shí),δ=arctan

當(dāng)ψα＜0,ψβ＜0時(shí),δ=arctan

當(dāng)ψα=0時(shí),若;若若ψβ=0,δ=0。

3 建模與仿真

3.1 電動(dòng)汽車直接轉(zhuǎn)矩控制仿真模型

本文使用的電動(dòng)汽車直接轉(zhuǎn)矩控制仿真系統(tǒng)原理圖如圖5所示,系統(tǒng)由電動(dòng)汽車電機(jī)模塊、磁鏈三相到兩相的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、磁鏈?zhǔn)噶坑?jì)算模塊、磁鏈所在區(qū)間計(jì)算模塊、轉(zhuǎn)矩比較器和磁鏈滯環(huán)比較器、功率變換器的驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)表等部分組成。

圖5 電動(dòng)汽車直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理圖

參照?qǐng)D5可在Matlab中建立仿真模型,本文選用Matlab模型中的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī),參數(shù)配置為輸出功率60 kW、三相6/4結(jié)構(gòu),瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩值可根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性查表而得。

3.2 仿真結(jié)果分析

圖6 電流斬波控制時(shí)的轉(zhuǎn)矩波形

建立仿真模型后,對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制和電流斬波控制進(jìn)行了仿真比較。圖6是電流斬波控制在低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),從圖中可看出,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較大,在一個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩的最大值為150 N·m,最小值為20 N·m,而且脈動(dòng)頻率較高,在電動(dòng)汽車中應(yīng)用時(shí)會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的機(jī)械振動(dòng),影響汽車壽命。

圖7是采用直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真結(jié)果。圖7a是汽車踏板給定值是12 N·m時(shí)的仿真圖,從圖中可看出轉(zhuǎn)矩被很好地控制在12 N·m上下很小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)范圍內(nèi)。圖7b是踏板給定值從零秒12N·m至0.1 s 20 N·m變?yōu)?.2 s 15 N·m的仿真圖,從圖中可看出,轉(zhuǎn)矩響應(yīng)很快,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)被控制在給定的轉(zhuǎn)矩值上下很小的范圍內(nèi)。這種特性很適合電動(dòng)汽車。

圖7 直接轉(zhuǎn)矩控制時(shí)轉(zhuǎn)矩波形

圖8是電流斬波控制與直接轉(zhuǎn)矩控制的磁鏈軌跡。從圖中可看出,直接轉(zhuǎn)矩控制的磁鏈軌跡(圖8a)是一個(gè)圓形,幅值基本恒定,被限定在滯環(huán)內(nèi),遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于電流斬波控制的磁鏈軌跡(圖8b)。

圖8 磁鏈軌跡

仿真結(jié)果證明,直接轉(zhuǎn)矩控制能把磁鏈很好地控制在滯環(huán)內(nèi),磁鏈軌跡為一圓形,這種圓形磁鏈軌跡的控制能降低脈動(dòng),而且還能降低電機(jī)損耗,整體控制效果明顯好于電流斬波控制,適合于電動(dòng)汽車有限能量的情況。

電動(dòng)汽車對(duì)轉(zhuǎn)矩的要求是開(kāi)環(huán)系統(tǒng),直接轉(zhuǎn)矩控制很好地滿足了這一要求,直接給定控制轉(zhuǎn)矩并把轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制在較小的范圍內(nèi),滿足具有高性能電子系統(tǒng)的電動(dòng)汽車要求,而且消除了在低速時(shí)劇烈的震動(dòng)對(duì)電動(dòng)汽車的影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

直接轉(zhuǎn)矩控制與電流斬波控制相比轉(zhuǎn)矩具有可控性,直接轉(zhuǎn)矩控制是把磁鏈控制在滯環(huán)內(nèi),產(chǎn)生一個(gè)圓形的磁鏈軌跡,這種圓形軌跡的控制可降低電機(jī)損耗,而且直接控制轉(zhuǎn)矩把轉(zhuǎn)矩控制在滯環(huán)內(nèi),降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),從仿真結(jié)果來(lái)看其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電流斬波控制產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),非常適合具有高性能電子系統(tǒng)的電動(dòng)汽車控制。

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