車輛電氣牽引系統(tǒng)控制研究

程超，羅嘯，歐彥汐

（吉利學(xué)院，四川 成都 641402）

隨著車輛智能控制技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步提高車輛電氣牽引系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性和輸出可靠性，采用電機(jī)和電氣功率參數(shù)分析的方法，建立車輛電氣牽引系統(tǒng)控制的磁力損耗參數(shù)分析模型，結(jié)合模糊度特征匹配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車輛電氣牽引系統(tǒng)控制，提高車輛的電力驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)控制能力，相關(guān)的車輛電氣牽引系統(tǒng)控制方法研究具有重要意義[1]。車輛電氣牽引系統(tǒng)控制過(guò)程是一種多變量、非線性的控制過(guò)程，通過(guò)磁力損耗參數(shù)分析，建立PID控制律，結(jié)合強(qiáng)耦合的過(guò)程控制方法，采用阻尼控制，實(shí)現(xiàn)車輛電氣牽引系統(tǒng)控制，但傳統(tǒng)方法進(jìn)行車輛電氣牽引系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性不好[2]，對(duì)此，本文提出基于同步磁阻電機(jī)阻抗調(diào)節(jié)的車輛電氣牽引系統(tǒng)控制方法。首先采用鐵損電阻在線辨識(shí)的方法，建立車輛電氣牽引系統(tǒng)控制的參數(shù)分析模型，求解鐵損電阻的參數(shù)信息，建立車輛電氣牽引系統(tǒng)的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)車輛電氣牽引系統(tǒng)控制律優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試展示其優(yōu)越性。

1 控制模型對(duì)象和參數(shù)分析

為了實(shí)現(xiàn)車輛電氣牽引系統(tǒng)控制，采用基于擴(kuò)展卡爾曼濾波控制方法進(jìn)行車輛電氣牽引系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)，運(yùn)用變系數(shù)多項(xiàng)式控制方法，進(jìn)行車輛電氣牽引系統(tǒng)控制的參數(shù)解析，求解車輛IGBT的電流載荷[3]，車輛電氣牽引的輻射磁矩可以表示為：

其中，ω為車輛電氣牽引系統(tǒng)控制串聯(lián)閥系統(tǒng)參數(shù)，M˙為車輛牽引的力矩參數(shù)，R為電氣系統(tǒng)的阻抗，θ為吊掛載荷擺角，K為慣性力矩，j為自由度，使用非線性控制器，車輛電氣牽引系統(tǒng)的單質(zhì)點(diǎn)吊掛載荷控制目標(biāo)函數(shù)為：

結(jié)合上、下橋臂和閥基控制，在車輛電氣牽引的永磁無(wú)刷直流電機(jī)機(jī)組中，MMC中換流橋臂的電磁耦合模值為：

其中，χ表示旁路晶閘管的配置慣性參數(shù)，引入橋臂電抗器的可靠度函數(shù)，得到車輛電氣牽引系統(tǒng)的永磁無(wú)刷直流軸向相移為：

考慮到車輛電氣牽引系統(tǒng)控制的漏磁系數(shù)k1，得到車輛電氣牽引系統(tǒng)控制的過(guò)程傳動(dòng)模型，引入電機(jī)模型，得到傳動(dòng)控制的勵(lì)磁電感電流為：

其中，μ表示勵(lì)磁電感電流傳遞系數(shù)，e－χ表示轉(zhuǎn)子定向參數(shù)，引入轉(zhuǎn)差頻率檢測(cè)模型，得到了車輛電氣牽引的幾何參數(shù)模型，通過(guò)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的耦合控制方法，建立車輛電氣牽引系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析模型，在牽引控制模型中，把牽引控制區(qū)域分為三個(gè)區(qū)域，計(jì)算轉(zhuǎn)子電阻和轉(zhuǎn)子漏感，得到全磁場(chǎng)矢量為：

在磁鏈控制滿足收斂條件的情況下，得到輸出的轉(zhuǎn)矩參數(shù)是一定的，對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的控制出現(xiàn)了耦合，為了使得電感達(dá)到最小，計(jì)算穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子磁鏈，得到勵(lì)磁電感電流觀測(cè)參數(shù)，計(jì)算控制系統(tǒng)的電樞反應(yīng)和定／轉(zhuǎn)子鐵芯磁阻，通過(guò)勵(lì)磁電感電流，可以估算為：

其中，μ0為滑?？刂屏浚琱為濾波傳遞函數(shù)，α為坐標(biāo)軸分量，當(dāng)時(shí)，Hrc＝0。采用串并聯(lián)方法建立子模塊，對(duì)垂直磁偶極子輻射反射磁場(chǎng)的徑向分量進(jìn)行特征分解，直至串聯(lián)閥組中子模塊旁路數(shù)輸出最小，使得牽引系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩最小化，計(jì)算橋臂電抗器的可靠度參數(shù)，得到假設(shè)電機(jī)的永磁體剩余磁密 Br，通過(guò) k／n（G）模型來(lái)計(jì)算磁密，由此，建立車輛電氣牽引系統(tǒng)控制的MMC物理結(jié)構(gòu)可靠性分析模型，根據(jù)車輛電氣牽引系統(tǒng)控制參數(shù)解析，進(jìn)行車輛電氣牽引系統(tǒng)控制過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]。

2 車輛電氣牽引系統(tǒng)控制律優(yōu)化設(shè)計(jì)

建立車輛電氣牽引系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析模型，通過(guò)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)同步磁阻電機(jī)阻抗調(diào)節(jié)，構(gòu)建車輛電氣牽引整個(gè)橋臂的可靠性分析模型，依據(jù)車輛電氣牽引橋臂分布，考慮電流載荷影響，得到電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算式表達(dá)為：

上式中，x為車輛電氣牽引橋臂的載荷分量，M為車輛電氣牽引橋臂的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，r為車輛電氣牽引橋臂的漏磁系數(shù)，K為電流載荷的實(shí)時(shí)變化損耗，z為非正弦磁密，車輛牽引控制系統(tǒng)的磁矩M和系統(tǒng)的工作頻率ω成反比關(guān)系，由此得到MMC交流側(cè)電流的N個(gè)隨機(jī)樣本，令：

其中，Po為功率變化的實(shí)時(shí)參數(shù)，Msr為不斷變化的電流載荷，得到車輛電氣牽引系統(tǒng)控制在最大功率傳輸目標(biāo)下的互感值為：

其中，Rp表示滑模等效控制量為飽和參數(shù)，計(jì)算下標(biāo)α、β表示對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)軸分量。根據(jù)上述模型及算法設(shè)計(jì)，引入解耦補(bǔ)償方案，得到勵(lì)磁電感電流的觀測(cè)結(jié)果，計(jì)算定子電流誤差項(xiàng)，在電－氣綜合能源系統(tǒng)電力側(cè)的直驅(qū)控制下，建立信息節(jié)點(diǎn)的耦合關(guān)系分析模型，得到電動(dòng)汽車有序充放電PVDCO直流側(cè)輸出表達(dá)式分別為：

其中，N為整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備控制參數(shù)分布序列長(zhǎng)度，即1024；ti為第i個(gè)車輛電氣牽引系統(tǒng)控制采樣時(shí)刻點(diǎn)的時(shí)間序列長(zhǎng)度；；yi為第 i個(gè)采樣值；oi和oi′分別為車輛電氣牽引系統(tǒng)控制的部采樣值均值，表示線路ik電流幅值平方，在N個(gè)發(fā)電單元串聯(lián)機(jī)構(gòu)中，得到納維葉-斯托克斯動(dòng)量參數(shù)估計(jì)值y′，計(jì)算車輛電氣牽引橋臂的動(dòng)力電控制參數(shù)，得到符號(hào)參數(shù)值根據(jù)上述模型設(shè)計(jì)，構(gòu)建運(yùn)行模型通過(guò)充放電過(guò)程參數(shù)，根據(jù)參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)車輛電氣牽引系統(tǒng)控制律優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

為了驗(yàn)證本文方法在實(shí)現(xiàn)車輛電氣牽引系統(tǒng)控制的實(shí)際應(yīng)用效能，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，設(shè)定車輛電氣牽引的負(fù)荷量為1278KN．s，牽引控制的持續(xù)時(shí)間段數(shù)為16，電氣牽引測(cè)試節(jié)點(diǎn)的參數(shù)配置見(jiàn)表1。

表1 電氣牽引測(cè)試節(jié)點(diǎn)的參數(shù)配置

根據(jù)表1的參數(shù)配置，進(jìn)行車輛電氣牽引系統(tǒng)控制，得到控制階躍指令分布曲線如圖1所示。

圖1 控制階躍指令分布曲線

根據(jù)控制指令參數(shù)輸入，建立車輛電氣牽引系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析模型，進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)性能分析，得到控制性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 控制性能參數(shù)解析結(jié)果

測(cè)試點(diǎn) 功率增益／d B損耗／K W力矩／K N．m輸出功率／K W測(cè)試點(diǎn) 6 1 2 5 3 2．1 3 1 8 4 1 6．1 0 7 1 1 6 7 0．3 0 6 5 2 3 6．1 9測(cè)試點(diǎn) 7 1 3 2 2 4．7 4 0 1 4 9 9．2 6 2 4 1 6 6 7．7 5 4 7 2 4 0．5 2測(cè)試點(diǎn) 8 1 3 3 3 1．8 4 5 7 4 3 0．6 3 5 8 1 6 2 7．6 6 7 6 2 7 2．3 7測(cè)試點(diǎn) 9 1 3 2 4 2．1 0 7 6 4 7 9．8 0 0 9 1 6 3 8．4 1 7 6 2 1 8．0 2測(cè)試點(diǎn) 1 0 1 2 4 0 2．3 7 0 7 4 4 2．5 9 6 0 1 6 2 1．2 9 2 3 2 1 0．2 3測(cè)試點(diǎn) 1 1 1 3 2 5 8．1 5 9 7 4 5 2．6 3 8 4 1 6 4 5．9 6 9 2 2 6 6．9 5測(cè)試點(diǎn) 1 2 1 3 3 3 9．3 0 7 8 4 9 0．5 8 5 2 1 6 2 6．6 6 4 1 2 6 3．8 3測(cè)試點(diǎn) 1 3 1 3 0 0 0．8 4 1 2 4 2 2．7 7 4 4 1 6 3 9．2 2 1 4 2 8 8．9 6測(cè)試點(diǎn) 1 4 1 2 4 9 2．0 8 6 5 4 5 7．6 1 1 2 1 6 6 0．3 9 8 3 2 7 2．2 5

分析表2得知，本文方法進(jìn)行車輛電氣牽引系統(tǒng)控制的自適應(yīng)性能較好，參數(shù)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，測(cè)試控制收斂性，對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 收斂性測(cè)試對(duì)比

分析圖2得知，本文方法進(jìn)行車輛電氣牽引系統(tǒng)控制的收斂性較好。

4 結(jié)論

本文建立了車輛電氣牽引系統(tǒng)控制的磁力損耗參數(shù)分析模型，結(jié)合模糊度特征匹配技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛電氣牽引系統(tǒng)控制，提高車輛的電力驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)控制能力。提出基于同步磁阻電機(jī)阻抗調(diào)節(jié)的車輛電氣牽引系統(tǒng)控制方法，從而實(shí)現(xiàn)車輛電氣牽引系統(tǒng)控制律優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)分析得知，本文的方法收斂性較好，提高了車輛電氣牽引系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工況能力。