電傳動(dòng)裝甲車(chē)輛輪轂電機(jī)矢量控制策略仿真

廖自力， 趙其進(jìn)， 封 昊， 高 強(qiáng)

(1. 陸軍裝甲兵學(xué)院兵器與控制系， 北京 100072； 2. 陸軍裝甲兵學(xué)院學(xué)員七大隊(duì)， 北京 100072)

隨著全電化戰(zhàn)斗模式的提出，基于電傳動(dòng)、電磁武器、電磁裝甲于一身的裝甲車(chē)輛成為陸戰(zhàn)裝備未來(lái)的發(fā)展方向，各國(guó)相繼展開(kāi)深入研究[1]。電傳動(dòng)裝甲車(chē)輛采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)代替一系列傳動(dòng)裝置，動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)直接傳遞給車(chē)輪或履帶，相較于傳統(tǒng)的機(jī)械式傳動(dòng)車(chē)輛，其具有效率高、噪音小、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，得到國(guó)家的大力扶持。

作為電傳動(dòng)車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)核心，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制性能尤為關(guān)鍵。特別是對(duì)于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的裝甲車(chē)輛，因經(jīng)常工作在顛簸、泥濘、電磁干擾、炮火攻擊等極端條件下，其電機(jī)性能應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：1)良好的輸出特性，以滿(mǎn)足車(chē)輛加減速、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等工況需求；2)較快的轉(zhuǎn)矩跟隨，以滿(mǎn)足車(chē)輛快速啟動(dòng)的需求；3)較高的功率密度，使恒功率區(qū)能達(dá)到更高的速度；4)較高的可靠性，以滿(mǎn)足惡劣環(huán)境下的動(dòng)力輸出需求[2]。目前，民用電動(dòng)汽車(chē)中電機(jī)控制系統(tǒng)已相當(dāng)成熟，但對(duì)于大扭矩、高速度要求的裝甲車(chē)輛，輪轂電機(jī)運(yùn)用相對(duì)較少，且電機(jī)容量大，控制起來(lái)存在一定困難。

基于此，筆者以某電傳動(dòng)裝甲車(chē)輛永磁同步輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)為研究對(duì)象，在滿(mǎn)足其控制性能和控制量約束的基礎(chǔ)上，展開(kāi)基于轉(zhuǎn)矩給定的磁場(chǎng)定向矢量控制策略研究。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，為充分利用定子電流，采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，使車(chē)輛在單位電流條件下獲得最大轉(zhuǎn)矩；當(dāng)電機(jī)速度大于基速時(shí)，采用弱磁控制，以拓寬電機(jī)調(diào)速范圍。在變頻控制中，系統(tǒng)采用空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)技術(shù)，以達(dá)到降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和提高電壓利用率的目的。

1 永磁同步電機(jī)控制策略

1.1 電機(jī)數(shù)學(xué)模型

為便于理論分析，簡(jiǎn)化電機(jī)模型，進(jìn)行以下假設(shè)[3]：1) 忽略電機(jī)鐵芯飽和；2) 忽略磁滯及渦流損耗；3) 忽略永磁體和轉(zhuǎn)子的阻尼作用；4) 定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是對(duì)稱(chēng)的正弦波。

對(duì)于內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，其定子電壓方程為

(1)

轉(zhuǎn)矩方程為

(2)

運(yùn)動(dòng)方程為

(3)

式中：ud、uq分別為定子d、q軸電壓；id、iq分別為定子d、q軸電流；Rs為定子電阻；Ld、Lq分別為定子d、q軸電感；ωc為轉(zhuǎn)子電角速度；ψf為永磁體磁鏈；ψd、ψq分別為定子d、q軸磁鏈；Te為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；pn為極對(duì)數(shù)；J為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；B為摩擦因數(shù)；ωm為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度[4]。

電機(jī)選用某電傳動(dòng)裝甲車(chē)輛永磁同步輪轂電機(jī)，其主要參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 某電傳動(dòng)裝甲車(chē)輛永磁同步輪轂電機(jī)主要參數(shù)指標(biāo)

1.2 最大轉(zhuǎn)矩電流比控制

電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，即在基速以下時(shí)，為了在單位電流下得到最大轉(zhuǎn)矩，以提高車(chē)輛啟動(dòng)和加速性能，采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方法。在該控制方式下，電機(jī)直軸電流id和交軸電流iq應(yīng)滿(mǎn)足如下關(guān)系：

(4)

結(jié)合式(2)，可以得到給定電磁轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的電流值。通過(guò)MATLAB求出定子電流is、id、iq隨Te變化的曲線如圖1所示。

圖1 is、id、iq隨Te變化曲線

將上述電流與轉(zhuǎn)矩之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系制成表格。為了提高電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)跟隨精度，設(shè)置轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器，給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩的差值經(jīng)調(diào)節(jié)后可得到定子電流的控制量，而后通過(guò)查找電流表分別得到id、iq分量，以此作為電流PI調(diào)節(jié)器的給定值。

1.3 弱磁控制

電機(jī)在正常運(yùn)行情況下，電壓和電流會(huì)受到逆變器容量的限制，最大相電流矢量幅值Ilim和最大相電壓矢量幅值Ulim存在如下約束條件：

(5)

式中：us為定子電壓。

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)隨著轉(zhuǎn)速升高不斷增大，當(dāng)電機(jī)電壓達(dá)到逆變器輸出的極限電壓時(shí)，逆變器電流調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)，根據(jù)式(5)，若想繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速，則需要增大直軸去磁電流id，從而達(dá)到弱磁擴(kuò)速的目的。進(jìn)行弱磁控制時(shí)，使電流矢量沿著電流極限圓移動(dòng)[5-6]，弱磁電流計(jì)算公式為

(6)

根據(jù)式(5)、(6),得到弱磁調(diào)速過(guò)程中交、直軸電流變化關(guān)系,如圖2所示。圖中：T1、T2、T3、T4分別為不同的等轉(zhuǎn)矩線對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，且T1>T2>T3>T4；ω1、ω2、ω3、ω4分別為不同電壓極限橢圓對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，且ω1>ω2>ω3>ω4。

圖2 弱磁調(diào)速過(guò)程中交、直軸電流變化關(guān)系

從圖2可以看出：A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩T1為電機(jī)在轉(zhuǎn)速ω4時(shí)可以輸出的最大轉(zhuǎn)矩(電壓和電流均達(dá)到極限值，ω4即為電機(jī)最大恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行的轉(zhuǎn)折速度)；當(dāng)速度提高到ω3時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩電流比軌跡與電壓極限橢圓相交于C點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為T(mén)4，若此時(shí)定子電流矢量偏離最大轉(zhuǎn)矩電流比軌跡而移動(dòng)到B點(diǎn)，則電機(jī)可輸出的最大轉(zhuǎn)矩為T(mén)2，從而提高了電動(dòng)機(jī)超過(guò)轉(zhuǎn)折速度運(yùn)行時(shí)的輸出功率，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，將沿電流極限圓上的D、E點(diǎn)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)定子電流矢量從C點(diǎn)移至B點(diǎn)時(shí)，直軸去磁電流分量增大，削弱了永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)，從而達(dá)到弱磁擴(kuò)速的目的。

1.4 空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)

相比于常用的正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)技術(shù)，SVPWM技術(shù)能使磁鏈更加逼近于圓形，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速輸出波形更好，且電壓利用率可提高15%左右。在調(diào)制過(guò)程中，用6個(gè)空間上互差60°的電壓矢量加上2個(gè)零矢量作為基本矢量，通過(guò)控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，使其形成不同的線性組合，以滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的電壓矢量的要求[7-9]。SVPWM基本電壓矢量如圖3所示。

圖3 SVPWM基本電壓矢量

SVPWM技術(shù)算法實(shí)現(xiàn)步驟：1) 判斷電壓矢量所處扇區(qū)；2) 確定一個(gè)周期內(nèi)相鄰電壓矢量作用時(shí)間；3) 確定開(kāi)關(guān)順序及逆變器動(dòng)作的時(shí)刻。文獻(xiàn)[7-9]詳細(xì)介紹了其算法在MATLAB中的實(shí)現(xiàn)。

1.5 整體控制方案

綜合上述各種控制方法,得到電機(jī)矢量整體控制框圖如圖4所示。

圖4 電機(jī)矢量控制整體框圖

為使輪轂電機(jī)能夠較好地跟隨需求轉(zhuǎn)矩，采用電流、轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制模式。其中:外環(huán)為轉(zhuǎn)矩控制環(huán)，通過(guò)比較實(shí)際轉(zhuǎn)矩Te與給定轉(zhuǎn)矩Te*，將差值送給轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，得出最大轉(zhuǎn)矩電流比控制模式下需要的電流矢量，然后經(jīng)過(guò)電流查表法得到d、q軸給定電流值id*和iq*；內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，根據(jù)最終給定電流id*、iq*和實(shí)際電流id、iq的差值，經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)器得到給定電壓目標(biāo)值ud*和uq*。最終經(jīng)坐標(biāo)變換和SVPWM產(chǎn)生6路PWM波[10]，控制逆變器IGBT管的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓矢量。

2 基于MATLAB的仿真模型

根據(jù)圖4，在MATLAB/Simulink中搭建各控制模塊模型。系統(tǒng)運(yùn)用離散控制仿真模式，采用Ode4算法，選取仿真步長(zhǎng)為0.05 ms，整體仿真模型如圖5所示。系統(tǒng)仿真子模塊主要包括最大轉(zhuǎn)矩電流比控制模塊、矢量變化模塊、PI調(diào)節(jié)模塊、弱磁調(diào)速控制模塊、空間矢量脈寬調(diào)制模塊等。仿真中永磁同步輪轂電機(jī)采用Simulink模型庫(kù)中自帶的電機(jī)模型，輸入表1中電機(jī)參數(shù)。轉(zhuǎn)矩輸入采用滑動(dòng)增益模塊，模仿車(chē)輛油門(mén)開(kāi)度，提供動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩輸入。

圖5 基于MATLAB/Simulink的電機(jī)仿真控制模型

3 仿真試驗(yàn)

3.1 穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)

為驗(yàn)證基于轉(zhuǎn)矩給定的永磁同步輪轂電機(jī)矢量控制方案的有效性，首先進(jìn)行電機(jī)穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)，設(shè)定負(fù)載輸入TL=300 N·m。持續(xù)輸入最高轉(zhuǎn)矩指令Te=1 100 N·m，觀察電機(jī)的外特性曲線以及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電壓、電流等物理量隨時(shí)間變化情況，驗(yàn)證在最大轉(zhuǎn)矩電流比及弱磁擴(kuò)速2種控制模式之間的動(dòng)態(tài)切換。仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6(a)可以看出：在持續(xù)最大轉(zhuǎn)矩給定下，電機(jī)首先在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩在1 100 N·m上下浮動(dòng)；隨著轉(zhuǎn)速提高，電壓達(dá)到逆變器容量極限，即當(dāng)轉(zhuǎn)速大約為1 200 r/min時(shí)，工作狀態(tài)切換到弱磁調(diào)速區(qū)域，直軸去磁電流開(kāi)始增加，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩開(kāi)始下降，而轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高，進(jìn)入電機(jī)恒功率運(yùn)行區(qū)，直至達(dá)到最高轉(zhuǎn)速。由圖6(b)可以看出：電機(jī)定子d、q軸電流在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)保持恒定，提供最大輸出轉(zhuǎn)矩，隨著電機(jī)運(yùn)行到弱磁區(qū)，d軸去磁電流開(kāi)始增加，為了保證電樞電流不超過(guò)極限值，q軸電流相應(yīng)減小，實(shí)現(xiàn)弱磁擴(kuò)速。由圖6(c)可以看出：電機(jī)在轉(zhuǎn)速不斷上升的過(guò)程中，母線電壓基本穩(wěn)定在750 V，波動(dòng)較小。由圖6(d)可以看出：通過(guò)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，實(shí)際轉(zhuǎn)矩對(duì)給定轉(zhuǎn)矩有良好的跟隨性，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小。

圖6 穩(wěn)態(tài)特性仿真結(jié)果

3.2 動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)

為驗(yàn)證電機(jī)在負(fù)載運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)跟隨性，保持負(fù)載轉(zhuǎn)矩200 N·m不變，模擬油門(mén)開(kāi)度輸入隨時(shí)間連續(xù)階躍變化的轉(zhuǎn)矩信號(hào)，觀察實(shí)際轉(zhuǎn)矩電流、電壓、轉(zhuǎn)速等物理量的變化情況。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 動(dòng)態(tài)特性仿真結(jié)果

由圖7(a)可以看出：當(dāng)給定轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間不斷變化時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)矩能夠?qū)崿F(xiàn)良好的跟隨性，在6.5～9 s階段，隨著轉(zhuǎn)矩增大，電機(jī)運(yùn)行在弱磁調(diào)速區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了2種工作模式的平滑切換。由圖7(b)可以看出：電流隨時(shí)間相應(yīng)發(fā)生改變，但始終不會(huì)超過(guò)其最大限制，并能快速調(diào)節(jié)到穩(wěn)定狀態(tài)。由圖7(c)可以看出：隨著轉(zhuǎn)矩突加減，母線電壓隨時(shí)間略有波動(dòng)，基本穩(wěn)定在(750±10)V范圍內(nèi)，對(duì)電路及元器件不會(huì)造成大的沖擊。由圖7(d)可以看出：電機(jī)加速度響應(yīng)較快，速度變化平穩(wěn)，基本沒(méi)有脈動(dòng)。

4 結(jié)論

筆者針對(duì)大扭矩車(chē)用電機(jī)控制較難的問(wèn)題，以某電傳動(dòng)裝甲車(chē)輛永磁同步輪轂電機(jī)為研究對(duì)象，進(jìn)行了控制策略的建模與仿真。通過(guò)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩電流比和弱磁擴(kuò)速2種控制模式下的穩(wěn)定運(yùn)行，并且表現(xiàn)出良好的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)跟隨性能，驗(yàn)證了控制算法的有效性。但仿真結(jié)果顯示直流母線電壓仍存在10 V左右的波動(dòng)，且在系統(tǒng)建模過(guò)程中未考慮電機(jī)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，與電機(jī)真實(shí)狀態(tài)存在一定偏差。在下一步研究中，將針對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)壓性能進(jìn)一步完善仿真模型，以得到更佳的控制效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張運(yùn)銀，劉春光，馬曉軍，等. 裝甲車(chē)輛電傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)構(gòu)建[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2017(1)：107-114.

[2] 張朋，廖自力，王雙雙，等. 輪式裝甲車(chē)輛電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模及動(dòng)力性能仿真[J]. 裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，23(2)：61-66.

[3] 趙晨，周潔敏，李小明. PMSM變頻調(diào)速系統(tǒng)的建模仿真與分析[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，30(1)：93-98.

[4] 唐任遠(yuǎn). 現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016：255-262.

[5] 宋建國(guó)，林強(qiáng)強(qiáng)，牟蓬濤，等. 內(nèi)置式永磁同步電機(jī)MTPA和弱磁控制[J]. 電力電子技術(shù)， 2017(5)：84-86.

[6] KIM J M，SUL S K. Speed control of interior permanent magnet synchronous motor drive for the flux weakening operation[J].IEEE transactions on industry applications，2002，33(1)：43-48.

[7] LIU H, LI S. Speed control for PMSM servo system using predictive functional control and extended state observer[J]. IEEE transactions on industrial electronics，2011,59(2)：1171-1183.

[8] 沈夢(mèng)怡. 電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制器在全調(diào)制范圍內(nèi)空間矢量脈寬調(diào)制的研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2017：18-22.

[9] 王桂榮， 李太峰. 基于SVPWM的PMSM矢量控制系統(tǒng)的建模與仿真[J]. 大電機(jī)技術(shù)，2012(2)：9-12.

[10] 樊英杰，張開(kāi)如，馬慧，等. 基于模糊PI永磁同步電機(jī)優(yōu)化矢量控制系統(tǒng)的研究[J]. 電氣傳動(dòng)，2016，46(3)：15-19.

[11] 呂廣強(qiáng)，倪俊杰，沈婷婷. 基于SVPWM的永磁同步電機(jī)弱磁控制[J]. 微電機(jī)，2016，49(10)：41-45.

[12] 李永曠，林立，袁旭龍，等. 車(chē)用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)弱磁控制研究[J]. 邵陽(yáng)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，13(2)：71-74.

[13] 康勁松，蔣飛，鐘再敏，等. 電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)弱磁控制策略綜述[J]. 電源學(xué)報(bào)，2017，15(1)：15-22.