電動(dòng)汽車直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模與控制仿真

王 鵬

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程系，山西 長治 046011)

0 引言

近些年，為了保護(hù)環(huán)境，國家大力提倡使用新能源技術(shù)，純電動(dòng)汽車就在這樣的大背景下快速發(fā)展起來。純電動(dòng)汽車直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)著重解決電動(dòng)機(jī)在過載能力允許的條件下快速啟動(dòng)的問題和提高系統(tǒng)抗干擾的問題。本文通過可視化的編程軟件Matlab建立雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行仿真計(jì)算，通過仿真曲線分析得出系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素并加以改進(jìn)。

1 純電動(dòng)汽車動(dòng)力性計(jì)算理論基礎(chǔ)

本文以江淮iev6e車型為例進(jìn)行分析。依據(jù)汽車?yán)碚?，純電?dòng)汽車在水平路面上以最高車速行駛所消耗的功率為：

(1)

其中：η為傳動(dòng)效率，η=0.92；g為重力加速度；m為汽車滿載質(zhì)量，m=1 850 kg;f為路面滾動(dòng)阻力系數(shù),f=0.005;vmax為設(shè)計(jì)最高車速,vmax=60 km/h;Cd為空氣阻力系數(shù),Cd=0.49;A為迎風(fēng)面積,A=3.8 m2。

電動(dòng)汽車以最大爬坡度車速爬坡時(shí)所消耗的功率為：

(2)

其中：vi為最大爬坡度車速，vi=15 km/h；i為最大爬坡度，i=0.1。

將數(shù)值代入式(1)與式(2)計(jì)算得：PV=7.55 kW，Pi=8.86 kW。選擇兩者中的較大者初步確定電動(dòng)機(jī)額定功率，確定的直流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)見表1。

表1 直流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

在額定磁通下的電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)為:

電動(dòng)機(jī)電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)為:

2 調(diào)速系統(tǒng)整流觸發(fā)裝置的數(shù)學(xué)建模與仿真分析

直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整流觸發(fā)裝置近似于一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，工程中近似于一階慣性環(huán)節(jié)，觸發(fā)開關(guān)頻率為15 kHz，周期T=0.066 7 ms，故觸發(fā)整流平均延遲時(shí)間Ts=0.066 7 ms。

整流環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為：

(3)

電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為：

(4)

其中：Ki為電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；τi為積分時(shí)間常數(shù)。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為：

(5)

其中：Kn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)比例系數(shù)；τn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù)。

完成了理論計(jì)算工作之后，直接在仿真軟件中建立具有雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，如圖1所示。

圖1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)simulink仿真模型

新建一個(gè)M文件，自動(dòng)進(jìn)行上述直流電動(dòng)機(jī)調(diào)整系統(tǒng)各環(huán)節(jié)控制參數(shù)的計(jì)算，同時(shí)調(diào)用MATLAB自帶的linmod()函數(shù)直接將系統(tǒng)的simulink結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)狀態(tài)空間模型，再調(diào)用ss()及tf()函數(shù)生成系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型。運(yùn)行程序后可以得到以下結(jié)果：電動(dòng)汽車需求功率為8.67 kW，系統(tǒng)最大超調(diào)量mp=37.072%，系統(tǒng)峰值時(shí)間tp=0.122 s，系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間tr=0.243 s。

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線如圖2所示。由以上仿真結(jié)果及圖2可以得出：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)品質(zhì)指標(biāo)總體較好，系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間僅為0.122 s，可以滿足工程要求，不足的是系統(tǒng)最大超調(diào)量達(dá)到37.072%，不利于系統(tǒng)的整體穩(wěn)定，應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。

這里采用在原系統(tǒng)的最外環(huán)再加一個(gè)轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：

(6)

改進(jìn)后的帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)simulink仿真模型如圖3所示。

圖2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線

圖3 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)simulink仿真模型

再次運(yùn)行程序即可以得到改進(jìn)后的性能指標(biāo)及帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線，如圖4所示。改進(jìn)后的系統(tǒng)最大超調(diào)量mp=2.701%，系統(tǒng)峰值時(shí)間tP=0.431 s，系統(tǒng)調(diào)整時(shí)間tr=0.544 s。

圖4 帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線

3 結(jié)論

改進(jìn)后的轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋系統(tǒng)最大超調(diào)量?jī)H為2.701%，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性能，同時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)速度稍有滯后，但也能滿足系統(tǒng)需要，較好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)改進(jìn)的目的。