基于DPWMMIN調(diào)制策略的感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

陳紅巖，郭 強(qiáng)，陳 佳，黃 敏

(1.國(guó)網(wǎng)常德供電公司，湖南 常德415000；2.重慶理工大學(xué) 重慶市能源互聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)研究中心，重慶400054)

0 引 言

隨著傳統(tǒng)能源的減少與全球環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，發(fā)展純電動(dòng)汽車是解決環(huán)境與污染問題的有效手段之一[1]。而由電池、電力電子裝置以及電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心動(dòng)力來源，電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為電壓源型逆變器(Voltage Source Inverter, VSI)與電流源型逆變器(Current Source Inverter, CSI)[2]，其中VSI可靠性高，調(diào)制策略簡(jiǎn)單，因此被廣泛應(yīng)用與研究。

在當(dāng)前的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，SVPWM具有電壓利用率高，數(shù)字實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，也是應(yīng)用最廣泛的調(diào)制策略，該調(diào)制方法一共包括7段矢量序列，一個(gè)載波周期內(nèi)每個(gè)開關(guān)管均會(huì)開關(guān)一次[3-4]。為了降低開關(guān)損耗，提高VSI的逆變效率，近些年很多學(xué)者對(duì)不連續(xù)PWM(DPWM)調(diào)制策略展開研究，其中文獻(xiàn)[5]闡述了幾種不連續(xù)PWM調(diào)制策略的實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)幾種調(diào)制策略的諧波進(jìn)行比較分析。文獻(xiàn)[6]提出基于開關(guān)損耗函數(shù)與死區(qū)效應(yīng)的損耗分析方法，實(shí)現(xiàn)最小損耗不連續(xù) PWM 算法。文獻(xiàn)[7]針對(duì)兩個(gè)60°開關(guān)不動(dòng)作區(qū)間超前輸出電壓30° 的調(diào)制理論與實(shí)現(xiàn)方法展開研究，文獻(xiàn)[8]研究了DPWM的統(tǒng)一化實(shí)現(xiàn)方法，探討了各種DPWM的內(nèi)在聯(lián)系。對(duì)于感應(yīng)電機(jī)的控制策略，主要有恒壓頻比控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制方法，其中矢量控制策略具有轉(zhuǎn)矩輸出穩(wěn)定、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[9]。本文在以上研究基礎(chǔ)上，對(duì)DPWMMIN調(diào)制理論展開研究，并將其應(yīng)用到VSI感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，與感應(yīng)電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)合，最后通過仿真與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行可行性與正確性驗(yàn)證。

1 有效狀態(tài)矢量作用時(shí)間的計(jì)算

采用VSI的感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。udc表示直流側(cè)電池組電壓，S1-S6表示逆變橋的6個(gè)開關(guān)器件，ia、ib、ic分別表示感應(yīng)電機(jī)的定子三相電流。

圖1 VSI感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 電壓矢量與扇區(qū)分布

表1 有效矢量及其占空比

表1中，D的表達(dá)式為

(1)

2 DPWMMIN的調(diào)制策略的實(shí)現(xiàn)

120°不連續(xù)PWM調(diào)制策略分為兩種，一種是上橋臂直流母線被用作箝位參考電壓(DPWMMAX調(diào)制)，另一種則是下橋臂直流母線被箝位(DPWMMIN調(diào)制)，兩者均將SVPWM調(diào)制的序列數(shù)量由7段減小至五段，采用DPWMMAX策略時(shí)，零矢量放置于中間，有效矢量位于兩邊，這樣在扇區(qū)切換時(shí)，容易產(chǎn)生誤差，而本文采用的DPWMMIN調(diào)制策略依然保持零矢量分布在兩邊，將第2個(gè)有效矢量合成為一段，減小開關(guān)次數(shù)。

采用二值邏輯開關(guān)函數(shù)pa、pb、pc描述圖1中VSI的三相橋臂開關(guān)信號(hào)，以a相開關(guān)函數(shù)說明其具體定義：

(2)

pb、pc的定義與pa的定義方法一致。在一個(gè)載波周期內(nèi)，無論目標(biāo)電壓矢量位于任何扇區(qū)，采用DPWMMIN調(diào)制策略時(shí)，均存在一路橋臂不動(dòng)作，具體示意圖如圖3所示。

圖3 不同扇區(qū)下二值邏輯開關(guān)函數(shù)波形

d0=1-d1-d2，表示零矢量的占空比，根據(jù)圖3，可以得到三相橋臂的參考調(diào)制信號(hào)ma、mb、mc與每個(gè)占空比的分區(qū)間表達(dá)式：

(3)

(4)

(5)

再將表1中不同扇區(qū)的有效矢量占空比解析式依次代入式(3)、式(4)、式(5)，可以得到ma、mb、mc關(guān)于θ的分扇區(qū)解析式：

(6)

(7)

(8)

M為調(diào)制比，即調(diào)制信號(hào)基波U與直流母線電壓udc的比值，根據(jù)式(6)、式(7)、式(8)，在Matlab上生成a、b、c三相調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)，當(dāng)調(diào)制比M=0.6時(shí)，DPWMMIN的信號(hào)波形如圖4所示。

圖4 DPWMMIN調(diào)制策略的示意圖

圖5 DPWMMIN調(diào)制策略的實(shí)現(xiàn)流程

3 感應(yīng)電機(jī)電流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型依次進(jìn)行Clarke變換和基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向后的Park變換，轉(zhuǎn)矩與磁鏈可以單獨(dú)控制，對(duì)d、q軸方程中的耦合項(xiàng)進(jìn)行解耦后，整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)可以等效為一階環(huán)節(jié)，采用PI控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)定子d、q軸系電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，整個(gè)環(huán)路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 電流閉環(huán)控制框圖

圖6中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將電流采樣延遲時(shí)間Ts與逆變橋的小慣性特性時(shí)間常數(shù)0.5Ts合并為一個(gè)小時(shí)間常數(shù)1.5Ts，kp為PI控制器比例系數(shù)，i為積分系數(shù)，σ為感應(yīng)電機(jī)的漏磁系數(shù)，Ls為定子等效電感，Rs為定子電阻。對(duì)定子電流d、q軸給定量、與采樣值進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，得到VSI的輸出電壓給定量經(jīng)過調(diào)制后，VSI為感應(yīng)電機(jī)輸出實(shí)時(shí)定子電壓ud、uq。令i=σLs/Rs，可以抵消極點(diǎn)，此時(shí)電流環(huán)路增益G(s)為

(9)

根據(jù)典型I型系統(tǒng)的參數(shù)整定關(guān)系，令系統(tǒng)阻尼比為0.707，應(yīng)滿足：

(10)

求得kp的取值為

(11)

將式(11)代入式(9)，開關(guān)周期Ts為66.7 μs，繪制系統(tǒng)的Bode圖，如圖7所示。相角裕度為65°，滿足穩(wěn)定性要求，截止頻率為732 Hz，能夠有效濾除逆變器產(chǎn)生的高次諧波，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 系統(tǒng)環(huán)路Bode圖

4 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證本文提出的DPWMMIN調(diào)制策略的實(shí)現(xiàn)方法以及電流控制器參數(shù)設(shè)計(jì)方法的可行性與正確性，在Matlab的Simulink平臺(tái)搭建了帶有電動(dòng)汽車負(fù)載模型的VSI感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，調(diào)制模型采用 DPWMMIN的調(diào)制模型與電流控制器模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真模型中感應(yīng)電機(jī)參數(shù)為：額定功率15 kW，峰值功率45 kW，最大輸入電流650 A，額定輸入電流350 A，額定電壓72 VDC，可變頻率0～300 Hz。定子d、q軸電流，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速波形依次如圖8(a)、8(b)、8(c)所示。

圖8 仿真波形

電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl為110 Nm，起動(dòng)時(shí)，電機(jī)定子電流勵(lì)磁分量isd調(diào)整至110 A，轉(zhuǎn)矩分量isq調(diào)整至390 A，電磁轉(zhuǎn)矩Te為122 Nm，電機(jī)加速運(yùn)行，22 s時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2200 r/min時(shí)，電機(jī)同步轉(zhuǎn)速達(dá)到基速2200 r/min，此時(shí)降低isd實(shí)現(xiàn)弱磁控制，最終Te下降至110 Nm，電機(jī)勻速運(yùn)行，轉(zhuǎn)速為2785 r/min。整個(gè)仿真過程說明本文采用的DPWMMIN的調(diào)制策略能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正常運(yùn)行，以及設(shè)計(jì)的電流控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)定子電流的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的控制。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)樣車上對(duì)本文設(shè)計(jì)的DPWMMIN調(diào)制策略以及電流控制算法進(jìn)行測(cè)試，電動(dòng)汽車采用力帆EV330，電機(jī)參數(shù)與仿真電機(jī)參數(shù)相同。電機(jī)控制芯片選擇德州儀器生產(chǎn)的TMS320F28069芯片。在控制芯片留有專門的模擬量輸入輸出通道來采集數(shù)據(jù)，再通過實(shí)驗(yàn)組成員內(nèi)部開發(fā)的行車記錄儀軟件，將采集到的數(shù)據(jù)顯示到電腦上。由于該車是自動(dòng)擋電動(dòng)車，通過加速踏板直接給定電機(jī)定子轉(zhuǎn)矩分量isq來使汽車加速，即速度只有動(dòng)態(tài)值，沒有固定工作點(diǎn)。定子電流轉(zhuǎn)矩分量與轉(zhuǎn)速的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)波形

圖9(a)說明本文設(shè)計(jì)的電流控制器能夠?qū)Χㄗ与娏鬓D(zhuǎn)矩分量進(jìn)行可靠控制，能夠滿足電動(dòng)汽車的性能需求，圖9(b)中的轉(zhuǎn)速觀測(cè)器是基于電流模型與電壓模型實(shí)現(xiàn)的，其中定子電壓需要DSP根據(jù)式(3)～式(5)計(jì)算重構(gòu)得到的，轉(zhuǎn)速觀測(cè)器的觀測(cè)值與正交編碼器的測(cè)量值十分接近，說明本文采用的DPWMMIN調(diào)制策略是正確可行的，在此基礎(chǔ)上重構(gòu)的相電壓可以用于轉(zhuǎn)速觀測(cè)。

6 結(jié) 語(yǔ)

DPWMMIN調(diào)制策略與傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制相比，能夠有效減小開關(guān)次數(shù)，降低開關(guān)損耗。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電動(dòng)汽車用VSI感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用DPWMMIN調(diào)制策略是可行的。采用I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電流控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)感應(yīng)電流的快速精確調(diào)節(jié)，具有良好的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能。