電動(dòng)汽車直流牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)

嚴(yán)　俊

（1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院　株洲　412001）（2.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院　長沙　410075）

1　引言

目前，環(huán)境與資源因素已成為制約我國持續(xù)發(fā)展的瓶頸，因此，大發(fā)展電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。電動(dòng)車牽引直流電機(jī)的控制器是電動(dòng)車的核心部件之一，對(duì)其開展研究具有重要意義［1～3］。

為滿足電動(dòng)車的大轉(zhuǎn)矩、再生制動(dòng)、穩(wěn)定性、可靠性等要求，電動(dòng)車一般采用復(fù)合勵(lì)磁的直流電機(jī)作為牽引電機(jī)。傳統(tǒng)的控制器對(duì)增磁繞組進(jìn)行簡單的勵(lì)磁控制，當(dāng)車輛需要大轉(zhuǎn)矩時(shí)，利用接觸器閉合使增磁繞組得電從而增磁。此種方式存在兩個(gè)不足：一是無法實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車從低速到高速運(yùn)行過程中的自動(dòng)弱磁；二是控制器因使用接觸器而降低了其工作的可靠性［4～6］。針對(duì)傳統(tǒng)控制器的不足，本文設(shè)計(jì)了一種可依據(jù)電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)要求對(duì)復(fù)合勵(lì)磁直流電機(jī)進(jìn)行最優(yōu)控制的控制器。該控制器將增磁繞組接在電機(jī)控制系統(tǒng)的續(xù)流回路中，通過此種方式，滿足了電機(jī)的弱磁調(diào)速的要求。由于避免了接觸器的使用，提高了控制器的可靠性［7～10］。

2　直流牽引電機(jī)控制系統(tǒng)

電動(dòng)汽車直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡化電路如圖1所示，電池組電壓為384V，為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供電。SM為永磁加增磁繞組的復(fù)合勵(lì)磁直流電機(jī)，包括電樞、增磁繞組L1、永磁繞組L2；IGBT1、IGBT2為兩個(gè)功率模塊，VD1和VD2是他們的反向保護(hù)二極管，另外兩個(gè)功率模塊還并聯(lián)了一個(gè)R、C、VD浪涌電壓保護(hù)電路。VD6是再生制動(dòng)通路二極管模塊，它也并聯(lián)了一個(gè)R、C、VD浪涌電壓保護(hù)電路?？刂茊卧ㄟ^檢測(cè)IGBT1功率模塊的輸出電流，再根據(jù)加速度信號(hào)和制動(dòng)信號(hào)，決定功率模塊的脈沖寬度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制［11］。

圖1　電動(dòng)汽車直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)簡化圖

3　復(fù)合勵(lì)磁電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的建立

依據(jù)直流電機(jī)電樞電壓與電流之間的關(guān)系可得：

式中，L為電機(jī)電樞繞組電感，R為電樞繞組電阻值，i為電樞電流，u為電樞兩端外加電壓，E為電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

永磁加增磁復(fù)合勵(lì)磁的直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩M可視為與電樞電流i和轉(zhuǎn)速n兩個(gè)變量存在非線性關(guān)系的函數(shù)，M=f(i，n)。

為簡化分析，在工作點(diǎn)將函數(shù)線性化，可得：

綜合考慮式（1）～（7），永磁加增磁復(fù)合勵(lì)磁直流電機(jī)的線性化結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　帶增磁繞組的驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

4　電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的確定

已知某驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電樞電阻為0.03835Ω、電樞電感為5mH、電流增益為26；另已知電流傳感器輸出電壓為5V，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的保護(hù)電路及濾波器時(shí)間常數(shù)估算為0.02s。依據(jù)上述參數(shù)，可以構(gòu)建出圖1所示的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型如圖3所示。

圖3　電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真模型圖

依據(jù)圖3，寫出控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程：

5　控制系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)及仿真分析

根據(jù)矩陣A可求出特征值：

很明顯，在狀態(tài)反饋之前，控制系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

線性二次型指標(biāo)為

對(duì)Q取不同的值代入，進(jìn)而得到了控制系統(tǒng)相應(yīng)的階躍響應(yīng)仿真結(jié)果。通過比較這些模擬的結(jié)果，我們可以找出最佳的Q值。仿真圖如圖4所示。

圖4　最優(yōu)控制系統(tǒng)仿真圖

如圖4所示，圖（a）顯示控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此相應(yīng)的Q值不適合；如圖（b），系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)是穩(wěn)定的，但是控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量較大。

6　試驗(yàn)驗(yàn)證

采用圖1的控制系統(tǒng)，進(jìn)行突加速性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果波形如圖5所示。

當(dāng)采用普通控制時(shí)，從圖5（a）中可以看出，當(dāng)突然加大給定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速由最初的速度很難到達(dá)給定速度，系統(tǒng)不穩(wěn)定。當(dāng)采用最優(yōu)控制時(shí)，從圖5（b）中可以看出，調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量較小，系統(tǒng)很快達(dá)到了給定的速度并穩(wěn)定，控制性能好。

7　結(jié)語

本文針對(duì)傳統(tǒng)電動(dòng)汽車所存在的驅(qū)動(dòng)難題，采用帶增磁繞組的電機(jī)替代普通電機(jī)，以滿足電動(dòng)汽車的大扭矩要求；并運(yùn)用最優(yōu)控制思想對(duì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，大大提高了驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制性能。試驗(yàn)結(jié)果表明本文所采用的控制系統(tǒng)具有反應(yīng)快、超調(diào)量小、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。

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