基于開關(guān)磁阻電機(jī)的電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)策略

吳慎華，孫建忠，溫洪彬

（大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧大連116024）

1 引言

當(dāng)前，由于能源和環(huán)境問題，電動(dòng)汽車受到廣泛的重視，電動(dòng)車行業(yè)具有非常大的發(fā)展前景。相對于其他電機(jī)而言，開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)電流小、適用于頻繁的起停、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，被越來越廣泛應(yīng)用在電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)中［1-7］。

近年來，許多文獻(xiàn)都在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)用SRM方面做出了一系列的研究。文獻(xiàn)［2］利用轉(zhuǎn)速、母線電壓以及給定轉(zhuǎn)矩來查詢電流環(huán)給定、開通角和關(guān)斷角的查表法來提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)的效率。但是此方法需要建立大量準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)表格，增加了計(jì)算量和復(fù)雜程度。文獻(xiàn)［3］通過在線仿真得出效率最高時(shí)的開通角和關(guān)斷角。文獻(xiàn)［4］在文獻(xiàn)［3］的基礎(chǔ)上，結(jié)合電流滯環(huán)控制，采用電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)策略來提高低速啟動(dòng)的轉(zhuǎn)矩和電機(jī)的效率。文獻(xiàn)［6］首先來建立一個(gè)數(shù)據(jù)表，利用繞組電流、轉(zhuǎn)子位置查詢磁鏈和轉(zhuǎn)矩，然后結(jié)合轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)來抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、提高電機(jī)的運(yùn)行效率。盡管在抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和提高電機(jī)效率上已經(jīng)提出了許多方法，但是電動(dòng)車快速啟動(dòng)的問題還沒有得到很好的解決，并且這些方法都是采用固定開通角和關(guān)斷角進(jìn)行控制，其效率相對而言較低。針對這一問題，本文對SRM的驅(qū)動(dòng)策略提出了進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。

2 SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢

2.1 SRM原理

SRM 的運(yùn)轉(zhuǎn)過程遵循“磁阻最小原理”，即磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合。當(dāng)定子的某相繞組通電時(shí)，會產(chǎn)生一定走向的磁場，從而產(chǎn)生切向磁拉力，帶動(dòng)相離最近的轉(zhuǎn)子極旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子軸線與定子極軸線相重合的位置。根據(jù)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性，當(dāng)SRM 的繞組按照一定順序通電時(shí)，所產(chǎn)生的磁場就會使電機(jī)按照一定的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；按照一定方式改變SRM 的繞組通電順序，電機(jī)又會按照相反的方向進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

SRM 的電磁轉(zhuǎn)矩可以通過其磁共能（WC）對轉(zhuǎn)子位置角（θ）的偏導(dǎo)數(shù)進(jìn)行求得，即：

其中

式中：Wc(i’θ)為繞組的磁共能。

盡管該數(shù)學(xué)模型從理論上能夠完整并準(zhǔn)確地描述SRM的電磁及力學(xué)的關(guān)系，但由于磁路的非線性，該模型的計(jì)算變得十分困難。在本文的轉(zhuǎn)矩計(jì)算分析中，假設(shè)不計(jì)磁路的飽和影響、繞組的電感與電流大小無關(guān)等因素，將電機(jī)模型理想線性化，從而可以得到電磁轉(zhuǎn)矩方程為

從式（2）可以得出電磁轉(zhuǎn)矩的大小與電流的平方成正比，所以SRM在電流較小的時(shí)候就可以產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩；當(dāng)轉(zhuǎn)子初始位置在電感上升區(qū)（dL/dθ ＞0）時(shí)，給定子繞組通電，繞組電流會產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩（電動(dòng)轉(zhuǎn)矩）；當(dāng)轉(zhuǎn)子初始位置在電感下降區(qū)（dL/dθ ＜0）時(shí)，給定子繞組通電，繞組電流會產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩（制動(dòng)轉(zhuǎn)矩）。

2.2 SRM與其他驅(qū)動(dòng)電機(jī)的對比

電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由控制器、電動(dòng)機(jī)、電池管理系統(tǒng)3大部分組成，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。目前市場上電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能比較結(jié)果如表1所示。

表1 電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的比較Tab.1 The comparison of electric vehicle drive motor

由表1 可以看出，SRM 具有可靠性高、效率高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大和啟動(dòng)電流小等優(yōu)勢，更符合車用電機(jī)啟動(dòng)迅速和節(jié)能的要求。當(dāng)然SRM 也有一些不足之處，主要是存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，振動(dòng)和噪聲比一般電機(jī)大一些。但是由于電動(dòng)車的運(yùn)行路況比較復(fù)雜，電動(dòng)車運(yùn)行過程中就會產(chǎn)生顛簸和噪聲，所以SRM的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲也就可以忽略不計(jì)。

3 驅(qū)動(dòng)策略

電動(dòng)車用SRM 的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略：SRM 的啟動(dòng)采用電流和加速度雙閉環(huán)控制策略；在正常調(diào)速過程中，采用電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制策略。具體的控制框圖如圖1所示。

圖1 車用SRM驅(qū)動(dòng)策略控制框圖Fig.1 The control diagram for switched reluctance motor for electric vehicle

3.1 啟動(dòng)控制策略

由于路況復(fù)雜，電動(dòng)車啟動(dòng)時(shí)負(fù)載變化特別大，普通的線性疊加給定轉(zhuǎn)速的軟啟動(dòng)策略不能滿足不同路況下快速啟動(dòng)的要求。針對這一問題，本文提出了基于加速度反饋的啟動(dòng)策略，其控制流程圖如圖2所示。

圖2 基于加速度反饋的啟動(dòng)策略流程圖Fig.2 The starting strategy based on acceleration feedback

在定時(shí)器中斷中進(jìn)行加速度計(jì)算，并采集啟動(dòng)初時(shí)加速度的數(shù)值。判斷是否過流，如果是，保護(hù)動(dòng)作；否則繼續(xù)判斷是否處在啟動(dòng)狀態(tài)。如果SRM 不在啟動(dòng)過程，直接進(jìn)入電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)進(jìn)行控制；否則，進(jìn)入啟動(dòng)程序。為了使SRM 具有快速的啟動(dòng)性能，在啟動(dòng)過程中采用電流和加速度雙閉環(huán)控制，用給定加速度與實(shí)際加速度的差值作為加速度外環(huán)的輸入，然后經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)后作為電流內(nèi)環(huán)的電流給定。在電流內(nèi)環(huán)中，電流斬波限值是根據(jù)初始加速度的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣既能保證啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，又能防止電流峰值過大、造成電能的浪費(fèi)。SRM啟動(dòng)結(jié)束后，采用電流和速度雙閉環(huán)控制，電機(jī)進(jìn)入正常的調(diào)速過程。

3.2 節(jié)能控制策略

為了提高車用SRM的效率，使其在節(jié)能上更具有優(yōu)勢，本文主要從兩個(gè)方面進(jìn)行控制：控制電流斬波的限值和進(jìn)行自適應(yīng)的角度控制。

當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電壓不變，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢引起的壓降小，電感上升期的時(shí)間長，這時(shí)候di/dt的值比較大，為了防止電流峰值過大和增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，采用單限幅電流斬波控制，限值設(shè)為額定電流的2.5 倍，啟動(dòng)結(jié)束后再降斬波限值設(shè)置為額定電流的2 倍。具體斬波思路是：設(shè)置一個(gè)電流上限值iref，當(dāng)實(shí)際電流i ＞iref時(shí)，關(guān)斷功率開關(guān)；當(dāng)實(shí)際電流i ＜iref時(shí)，則開通功率開關(guān)。如此通過控制功率開關(guān)的關(guān)斷，使得實(shí)際電流在給定電流附近上下浮動(dòng)，從而獲得足夠的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。具體的理想相電流斬波波形如圖3所示。

圖3 電流斬波的理想波形Fig.3 The ideal waveform of current chopping control

為了滿足車用SRM 省電的性能要求和保證程序簡單可靠的運(yùn)行，本文對角度控制進(jìn)一步的優(yōu)化控制。SRM電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，相電流是在圖4中θ1到θ3這段電感最小區(qū)域迅速建立的，在這一段的開通角計(jì)算公式為

式中：Lmin為最小電感；U為直流母線電壓；ω為實(shí)際轉(zhuǎn)速；i為實(shí)際電流。

令θadv代表著角度控制中開通角的變化量，為了計(jì)算方便和簡化模型，用電流環(huán)的給定值icmd代替實(shí)際電流，其公式為

圖4 一相繞組電感曲線Fig.4 The inductance curve of a phase winding

在負(fù)載一定和母線電壓一定的情況下，SRM的繞組電流與轉(zhuǎn)速成正比的關(guān)系，再結(jié)合式（4）可得，當(dāng)在負(fù)載和母線電壓一定的前提下，轉(zhuǎn)速最大時(shí)，繞組電流最大，此時(shí)對應(yīng)的θadv應(yīng)該最大，反之對應(yīng)的θadv最小，從而可將繞組電流和實(shí)際轉(zhuǎn)速看成一個(gè)整體，建立一個(gè)線性模型：

經(jīng)過試驗(yàn)總結(jié)出SRM 額定負(fù)載下開通角變化量的最大值θmax和最小值θmin，帶入到式（5）求得斜率K 和常數(shù)b，再根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測到的轉(zhuǎn)速和電流環(huán)給定，進(jìn)一步求得開通角，計(jì)算公式為

4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 硬件電路

本系統(tǒng)采用DSPIC作為主控芯片，處理各種輸入信號、輸出PWM控制功率電路、響應(yīng)各種保護(hù)信號，其硬件如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件圖Fig.5 The control diagram of hardware

4.2 軟件設(shè)計(jì)

本文采用C 語言進(jìn)行編寫，實(shí)現(xiàn)以下功能：實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停車功能；能夠在0～2 800 r/min內(nèi)任意調(diào)速；實(shí)現(xiàn)欠壓過流等保護(hù)功能。軟件程序主要由主程序和中斷服務(wù)程序組成。主程序主要完成系統(tǒng)初始化、轉(zhuǎn)速計(jì)算、堵轉(zhuǎn)檢測、欠壓檢測和鍵盤掃描等功能；中斷程序主要完成位置信號捕獲、加速度計(jì)算、A/D采集、速度顯示、確定換相邏輯、雙閉環(huán)調(diào)節(jié)等功能。具體的程序流程設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 軟件程序設(shè)計(jì)Fig.6 The design of software

5 實(shí)驗(yàn)與測試

對開發(fā)的一臺額定電壓60 V、額定功率4 kW、額定轉(zhuǎn)速2 800 r/min 的12/8 極SRM 進(jìn)行了試驗(yàn)。

電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速2 800 r/min，在不同的啟動(dòng)策略下，測試了電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線，基于加速度反饋啟動(dòng)控制方式和普通軟啟方式的轉(zhuǎn)速變化曲線如圖7所示。

圖7 兩種控制策略的轉(zhuǎn)速曲線Fig.7 The speed curves of the two control strategies

從圖7 中可以看出，在基于加速度反饋啟動(dòng)策略的條件下，電機(jī)啟動(dòng)快速平穩(wěn)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)速的超調(diào)量小，未超過5%。而在普通軟啟方式的情況下，電機(jī)啟動(dòng)較緩慢、超調(diào)量大，并且調(diào)節(jié)時(shí)間長。所以，基于加速度反饋的啟動(dòng)策略能更好地滿足車用SRM快速啟動(dòng)且舒適的要求。

圖8 是轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，負(fù)載為半載條件下測得的相電流波形，可以看出，自適應(yīng)角度控制下的電流波形的峰值和電流寬度都要比固定開通角控制下的小。所以，基于自適應(yīng)角度控制系統(tǒng)的效率更高，省電效果更明顯。

圖8 2種角度控制方式的電流波形Fig.8 The current curves of the two control of angle

最后進(jìn)行了裝車試驗(yàn)，用開發(fā)的SRM系統(tǒng)替代原有的60 V，4 kW 直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，用于某電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)，并與原直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了對比，測試結(jié)果如表2所示。

表2 裝車測試結(jié)果Tab.2 The results of actual vehicle test

從表2可以看出，開發(fā)的SRM系統(tǒng)的啟動(dòng)電流顯然比直流電動(dòng)機(jī)小，并且行駛里程比直流電動(dòng)機(jī)提高了11%。裝車試驗(yàn)充分證明，開發(fā)的SRM系統(tǒng)具有非常高的節(jié)電性能，適用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

6 結(jié)論

本文針對車用SRM 的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析，采用DSPIC 為主控芯片，開發(fā)了電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，并開展了一系列的試驗(yàn)測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，SRM采用基于加速度反饋的啟動(dòng)策略與電流斬波相結(jié)合的控制方式，控制方便、啟動(dòng)平穩(wěn)快速；SRM 采用自適應(yīng)角度控制電動(dòng)運(yùn)行，在獲得足夠轉(zhuǎn)矩的情況下，其運(yùn)行效率更高，用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)可有效提高一次充電行駛里程。

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