基于準(zhǔn)Z源逆變器的電動(dòng)汽車(chē)調(diào)速策略

張鎮(zhèn)東，杜 倩

(1.深圳大學(xué) 機(jī)電與控制工程學(xué)院，廣東 深圳 518000；2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司鄂州供電公司，湖北 鄂州 436000)

0 引 言

當(dāng)前，電機(jī)作為電動(dòng)汽車(chē)的核心部件，其驅(qū)動(dòng)控制原理和改進(jìn)方案是阻礙電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的一大難題。如何基于電機(jī)的特性，研究更加高效的控制策略，實(shí)現(xiàn)電驅(qū)系統(tǒng)更優(yōu)的驅(qū)動(dòng)性能和更大的調(diào)速范圍，是當(dāng)今一大研究熱點(diǎn)。

電動(dòng)汽車(chē)以其搭載的蓄電池作為動(dòng)力來(lái)源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和其他電路系統(tǒng)的運(yùn)作。在電動(dòng)汽車(chē)啟動(dòng)，加減速，爬坡等復(fù)雜工況時(shí)，蓄電池的輸出電壓會(huì)產(chǎn)生很大的電壓跌落，導(dǎo)致的電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩減少，進(jìn)而影響整個(gè)電驅(qū)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)性能。

準(zhǔn) Z 源逆變器具有實(shí)現(xiàn)直流端母線電壓的升降的特性，相較于傳統(tǒng) Z 源逆變器，同等升壓比系數(shù)下，準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械碾娙莴@得更小的電壓應(yīng)力，且能克服傳統(tǒng)Z源輸入側(cè)電流斷流的缺陷[1]。用準(zhǔn)Z源逆變器替代傳統(tǒng)的降壓逆變器，根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際狀況進(jìn)行調(diào)壓，能夠改善電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)性能。同時(shí)，直流母線電壓的提升，電機(jī)的基速上升，拓寬了電動(dòng)汽車(chē)的調(diào)速范圍。

本文對(duì)異步電機(jī)的特性和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)基于磁鏈的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)。同時(shí)，基于準(zhǔn)Z源逆變器具有直通狀態(tài)的特性，在傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制方法上進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)直通時(shí)間的插入。綜合異步電機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，在Plecs上完成基于準(zhǔn)Z源逆變器的異步電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的搭建，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 準(zhǔn)Z源逆變器的工作原理及SVPWM改進(jìn)

1.1 準(zhǔn)Z源逆變器的工作原理

如圖1為電壓型準(zhǔn)Z源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它由兩個(gè)電感和電容組合成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)作為阻抗源連接在逆變橋前端構(gòu)成[2-3]。作為一種用于能量變換的新型逆變器拓?fù)?，通過(guò)給予準(zhǔn)Z源逆變器一定的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)直流端直流電的逆變和升降壓功能。準(zhǔn)Z源逆變器可分成兩種工作狀態(tài)：直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)。其等效簡(jiǎn)化電路如圖2所示。將逆變器和負(fù)載等效成電阻和電感，分別用RL和LL表示。直通和非直通狀態(tài)的切換通過(guò)控制并聯(lián)開(kāi)關(guān)S實(shí)現(xiàn)。

圖1 準(zhǔn)Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 直通與非直通狀態(tài)等效電路

當(dāng)S開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，逆變器處于直通狀態(tài)，輸入端二極管反向截至，負(fù)載端短路輸出電壓為0：

(1)

當(dāng)S開(kāi)關(guān)打開(kāi)，逆變器處于非直通狀態(tài)，輸入端二極管導(dǎo)通：

(2)

設(shè)開(kāi)關(guān)周期為T(mén)，直通狀態(tài)時(shí)間為t0，D0=t0/T為直通時(shí)間占比。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，根據(jù)電感的伏秒平衡定則，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電感兩端的平均電壓為0，即：

(3)

將式(2)代入式(3)可得非直通狀態(tài)下的輸出電壓，即逆變器的接入端電壓udc為

(4)

1.2 SVPWM改進(jìn)

傳統(tǒng)SVPWM調(diào)制將一個(gè)開(kāi)關(guān)周期時(shí)間T分成有效矢量時(shí)間T1、T2和零矢量T0,從而合成期望的矢量電壓，為電機(jī)旋轉(zhuǎn)提供穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)[4-5]。根據(jù)平衡等效原則，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)，有效矢量時(shí)間和零矢量作用時(shí)間為

(5)

式中，Um和Udc分別為合成電壓和直流母線電壓的幅值。

本文基于準(zhǔn)Z源逆變器的SVPWM改進(jìn)的核心思想為僅在零矢量作用時(shí)間里抽取部分或則全部作為直通時(shí)間t0，在不影響有效矢量作用時(shí)間的情況下讓逆變器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)存在直通，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的升降。文獻(xiàn)[6-7]講述了基于7段式SVPWM調(diào)制基礎(chǔ)上插入直通時(shí)間的一些思想和方法。本文采取只在有效矢量和零矢量切換點(diǎn)之間插入直通時(shí)間的方法來(lái)對(duì)SVPWM調(diào)制進(jìn)行改進(jìn)，減少了插入直通時(shí)間的次數(shù)，保證了插入直通信號(hào)的均勻性，同時(shí)減小電感電流紋波，在開(kāi)關(guān)頻率不變的情況實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)Z源逆變器的控制。

以第一扇區(qū)為例，將直通時(shí)間t0分成4等份，分別插入有效矢量和零矢量切換的地方。由圖3我們可以看出，直通時(shí)間t0只占用了零矢量作用的時(shí)間，有效矢量作用時(shí)間不變，整個(gè)開(kāi)關(guān)周期T保持不變。設(shè)T0=T-T1-T2，則每等份的直通時(shí)間須滿足：t0/4≤T0/4。

圖3 直通時(shí)間t0四等分插入

如圖3為逆變器上橋臂S1,S3,S5和下橋臂S4,S6,S2在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的切換點(diǎn)時(shí)間分布。只在有效矢量和零矢量切換點(diǎn)插入直通時(shí)間目的是保證有效適量時(shí)間不變，即只在S1,S4和S5,S2這兩組橋臂上插入直通信號(hào)。根據(jù)圖3可以推算出上、下橋臂的切換點(diǎn)時(shí)間：

(6)

(7)

2 異步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)建

異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階，非線性，強(qiáng)耦合，多變量的系統(tǒng)，直接對(duì)這些變量進(jìn)行控制很難達(dá)到我們預(yù)期的要求[8]。實(shí)際中的異步電機(jī)可簡(jiǎn)化成以下模型。三相靜止坐標(biāo)A,B,C代表定子的三相繞組軸線。轉(zhuǎn)子的三相繞組軸線a,b,c以角速度ω隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子a軸和定子A軸間的電角度φ為空間角位移變量。

圖4 異步電機(jī)等效模型

將電機(jī)定子端的三相交電流進(jìn)行3s/2s變換，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行2s/2r變換，得到與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶客叫D(zhuǎn)的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系mt。m軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾?，且要保證m軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)冀K重合即：

(8)

從而實(shí)現(xiàn)定子電流分解為勵(lì)磁分量ism和轉(zhuǎn)矩分量ist。式(9)為mt坐標(biāo)系的狀態(tài)方程[9]：

(9)

通過(guò)式(9)我們可以推導(dǎo)出旋轉(zhuǎn)角速度ω1，電磁轉(zhuǎn)矩Te，勵(lì)磁分量ism，轉(zhuǎn)矩分量ist，轉(zhuǎn)子磁鏈ψr以及電機(jī)本身參數(shù)的之間的關(guān)系(其中p為微分因子)為

(10)

根據(jù)式(10)構(gòu)建轉(zhuǎn)子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩、旋轉(zhuǎn)角觀測(cè)器，內(nèi)含3s/2r的坐標(biāo)變換，通過(guò)輸入電流傳感器測(cè)得的定子電流iabc和編碼器測(cè)得的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速ω，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈ψr電磁轉(zhuǎn)矩Te和磁鏈旋轉(zhuǎn)角φ的實(shí)時(shí)觀測(cè),其控制原理圖如圖5。對(duì)異步電機(jī)的定子電流iabc按磁鏈方向(計(jì)算得的旋轉(zhuǎn)角φ)進(jìn)行坐標(biāo)變換得到勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量ism，對(duì)其分別進(jìn)行控制ist，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的調(diào)速控制。

本文結(jié)合準(zhǔn)Z源逆變器設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車(chē)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖6。由圖可看出該系統(tǒng)采取速度、磁鏈雙閉環(huán)進(jìn)行控制，其本質(zhì)是分別對(duì)轉(zhuǎn)矩分量ist和勵(lì)磁分量ism進(jìn)行控制。速度調(diào)節(jié)器ASR，磁鏈調(diào)節(jié)器AψR(shí), 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR，電流調(diào)節(jié)器ACMR和ACTR為相應(yīng)的 PI調(diào)節(jié)器。

圖5 轉(zhuǎn)子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩、旋轉(zhuǎn)角觀測(cè)器

工作原理如下：

電流傳感器和編碼器測(cè)得異步電機(jī)當(dāng)前得三相電流iabc和轉(zhuǎn)速ω，觀測(cè)器根據(jù)測(cè)得的電流和轉(zhuǎn)速預(yù)測(cè)出當(dāng)前的轉(zhuǎn)子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)角。

改進(jìn)的SVPWM控制器，以輸入的期望電壓為調(diào)制波，輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的調(diào)速控制。同時(shí)，通過(guò)給改進(jìn)的SVPWM控制器插入一定的直通時(shí)間t0，能夠?qū)崿F(xiàn)變直流端輸出電壓的升壓控制。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文選擇用110 V的直流電壓源串聯(lián)0.4電阻來(lái)代替實(shí)際的電動(dòng)汽車(chē)蓄電池，準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)：L1=L2=50 μH，C1=800 μF,C2=800 μF, 具體準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的元件參數(shù)設(shè)計(jì)以滿足電壓、電流紋波的要求為基準(zhǔn)，這里不做闡述，可參考文章[10]。

本文采取的異步電機(jī)額定線電壓110 V，額定頻率50 Hz，極對(duì)數(shù)np=2。

電機(jī)內(nèi)部參數(shù)見(jiàn)表1

表1 異步電機(jī)內(nèi)部參數(shù)

由表中參數(shù)可計(jì)算：

定子繞組自感Ls=Lm+L1s= 0.071H

轉(zhuǎn)子繞組自感Lr=Lm+L1r= 0.071H

根據(jù)上述異步電機(jī)閉環(huán)調(diào)速原理在Plecs上搭建異步電機(jī)閉環(huán)調(diào)速仿真。逆變器開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為10 kHz，仿真步長(zhǎng)設(shè)置為1e-6，且為固定步長(zhǎng)(Fixed Step)。

下面在Plecs上通過(guò)3個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證：

實(shí)驗(yàn)一：驗(yàn)證異步電機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)。如圖7自上而下分別為電機(jī)轉(zhuǎn)速n，轉(zhuǎn)子位置θ和電磁轉(zhuǎn)矩Te的仿真波形。圖8為定子電流iabc的仿真波形。在初始時(shí)刻，期望轉(zhuǎn)速n*=400 r/min，期望磁鏈ψ*=0.4 Wb，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=10 Nm。電機(jī)迅速起動(dòng)并達(dá)到期望的速度。在3 s時(shí)刻將期望轉(zhuǎn)速n*從400 r/min調(diào)至-200 r/min，系統(tǒng)迅速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

圖7 異步電機(jī)閉環(huán)控制仿真

圖8 電機(jī)定子電流iabc仿真波形

實(shí)驗(yàn)二：驗(yàn)證改進(jìn)的SVPWM控制器能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)Z源逆變器的可控升壓。如圖9，圖10分別為插入直通時(shí)間后準(zhǔn)Z源逆變器的直流端輸出電壓和電機(jī)輸入端(逆變器交流端)線電壓。由圖可讀出其值皆為137 V，基本與升壓比B=1.25所推算出的輸出電壓137.5 V相符。

圖9 升壓后的直流端輸出電壓udc

圖10 異步電機(jī)輸入線電壓udc

圖11 插入直通時(shí)間t0前后切換點(diǎn)時(shí)間比較

實(shí)驗(yàn)三：準(zhǔn)Z源逆變器提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能驗(yàn)證。設(shè)立一組對(duì)照組。系統(tǒng)1采用準(zhǔn)Z源逆變器并經(jīng)過(guò)升壓比B=1.25的升壓，系統(tǒng)2采用傳統(tǒng)電壓型逆變器。兩者都采用110 V的直流電壓源提供動(dòng)力，連接的異步電機(jī)型號(hào)和其他條件均相同。驗(yàn)證一為電機(jī)啟動(dòng)和反轉(zhuǎn)系統(tǒng)1和系統(tǒng)2的轉(zhuǎn)速響應(yīng)比較。在啟動(dòng)和反轉(zhuǎn)(t=3 s)，系統(tǒng)1都更快的達(dá)到期望的轉(zhuǎn)速，這表明裝載準(zhǔn)Z源逆變器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能更優(yōu)。驗(yàn)證二為突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)1和系統(tǒng)2轉(zhuǎn)速響應(yīng)的比較。在電機(jī)啟動(dòng)穩(wěn)定到期望轉(zhuǎn)速后，在t=2.6 s負(fù)載轉(zhuǎn)矩從4 Nm突增到10 Nm，兩系統(tǒng)轉(zhuǎn)速都有所下降并隨時(shí)間恢復(fù)期望轉(zhuǎn)速。但系統(tǒng)1在負(fù)載陡增情況下能提供更大的電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)轉(zhuǎn)速陡降減少，且更快恢復(fù)正常狀態(tài)。

圖12 準(zhǔn)Z源逆變器提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能驗(yàn)證

4 結(jié) 論

本文闡述了準(zhǔn)Z源逆變器的工作原理和異步電機(jī)閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)的構(gòu)建方法，并針對(duì)準(zhǔn)Z源逆變器對(duì)SVPWM調(diào)制進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)直通時(shí)間的插入。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)后SVPWM控制器可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)Z源逆變器升壓，結(jié)合異步電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)立對(duì)照，驗(yàn)證了準(zhǔn)Z源逆變器能提高電機(jī)在遭遇特殊工況(啟動(dòng)，加減速，突加負(fù)載等)的驅(qū)動(dòng)性能。接下來(lái)的工作是通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)設(shè)計(jì)控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)Z源逆變器輸出電壓的閉環(huán)調(diào)控。