電動(dòng)汽車負(fù)載模擬加載電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫柯楠 李若楠 寇恒慶 韓 帥 李彥林

（泰州學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

在電動(dòng)化、智能化、共享化、網(wǎng)聯(lián)化的趨勢(shì)下，以及對(duì)環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，電動(dòng)化是汽車未來的發(fā)展方向。近兩年，隨著技術(shù)進(jìn)步和燃油車禁售等相關(guān)政策的推進(jìn)，純電動(dòng)汽車成為各大車企的研發(fā)重點(diǎn)[1]。由于其對(duì)環(huán)境的影響小于傳統(tǒng)汽車，其前景普遍看好。因此，用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的負(fù)載模擬器也成為研究熱點(diǎn)。通過電力負(fù)載仿真模擬實(shí)際負(fù)載的動(dòng)靜態(tài)特性，替代以往整車物理測(cè)試的做法，可以節(jié)省成本和資源，達(dá)到測(cè)試目的，解決實(shí)際問題。所以如何更好設(shè)計(jì)負(fù)載模擬系統(tǒng)，更方便的解決電動(dòng)汽車試驗(yàn)時(shí)所遇到的問題也成了國(guó)內(nèi)研究的一大熱點(diǎn)[2-4]。

1 負(fù)載模擬系統(tǒng)原理

負(fù)載模擬系統(tǒng)又稱轉(zhuǎn)矩伺服加載系統(tǒng)，是利用電機(jī)作為電能與機(jī)械能之間的自建能量交換裝置，以轉(zhuǎn)矩的形式加載軸承設(shè)備，進(jìn)而模擬實(shí)際的軸承對(duì)象。該系統(tǒng)主要分為五個(gè)部分：速度控制模塊、牽引電機(jī)模塊、機(jī)械軸連接裝置模塊、負(fù)載電機(jī)模塊和負(fù)載轉(zhuǎn)矩加載模塊。機(jī)械軸連接模塊連接兩個(gè)實(shí)驗(yàn)電機(jī)，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)速度和扭矩之間的關(guān)系。

上位機(jī)與嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)線通信，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)與負(fù)載模擬電機(jī)通過聯(lián)接軸連接，實(shí)現(xiàn)兩者的轉(zhuǎn)速一致。聯(lián)接軸上附帶轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩傳感器，實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)速和扭矩信息傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)通過反饋的電壓和電流信號(hào)，控制負(fù)載模擬電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，對(duì)加載電機(jī)進(jìn)行控制，模擬汽車在運(yùn)行時(shí)的情形。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 負(fù)載模擬系統(tǒng)與車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸連接示意圖

汽車在行駛時(shí)會(huì)受到各種各樣的阻力，路況的不同，風(fēng)阻的差異，輪胎的摩檫力等都會(huì)是汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變。所以分析汽車行駛時(shí)的運(yùn)動(dòng)模型就顯得很有必要，圖2 為汽車行駛時(shí)的受力示意圖。

圖2 車輛受力示意圖

其中，阻尼載荷在實(shí)際仿真中容易實(shí)現(xiàn)，加速度阻力體現(xiàn)為慣性載荷，其計(jì)算與速度微分項(xiàng)有關(guān)。在實(shí)際電氣仿真中，速度的測(cè)量會(huì)導(dǎo)致慣性負(fù)載項(xiàng)的擾動(dòng)較大，因此可以采用負(fù)載模擬加載系統(tǒng)來解決上述問題。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車負(fù)載模擬系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)在于對(duì)加載電機(jī)的控制，本質(zhì)上就是通過電流和轉(zhuǎn)速環(huán)的聯(lián)合控制，電流環(huán)是一個(gè)矢量控制，我們采用pi 調(diào)節(jié)器控制，達(dá)到控制電機(jī)的目的。該系統(tǒng)主要包括以下模塊：永磁同步電動(dòng)機(jī)部分、速度控制部分、電流控制部分、坐標(biāo)變換部分、SVPWM部分和逆變器部分。整個(gè)控制過程如下：首先將給定轉(zhuǎn)速信號(hào)與轉(zhuǎn)速位置檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行比較，在轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)作用下，將輸出的交軸電流分量作為電流調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)，然后使用其與反饋信號(hào)之差作為電流控制回路的輸入。α、β 坐標(biāo)系中的電壓通過park變換得到，逆變器的作用是產(chǎn)生把直流變換成三相頻率相同幅值大小可變的交流電。逆變器由SVPWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)，控制逆變器IGBT 管的通斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。隨著高性能處理器的普及，上述這些步驟都可以在DSP 開發(fā)板內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，為實(shí)驗(yàn)提供了便利。這里主要介紹電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)。

2.1 電流環(huán)的設(shè)計(jì)

在伺服系統(tǒng)中，主觀目的是達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)矩的精確控制，使控制系統(tǒng)有一定的快速響應(yīng)性能，因此反饋環(huán)節(jié)就顯得極為重要。電流調(diào)節(jié)器一般采用比列積分（PI）控制。其電流控制部分如圖3 所示。

圖3 電流控制部分框架圖

PWM 逆變器和電機(jī)的電樞回路是電流控制部分的控制對(duì)象。KPWM表示逆變器的放大倍數(shù)，在控制系統(tǒng)中，PWM 環(huán)節(jié)也可以被認(rèn)為是慣性環(huán)節(jié)，只不過慣性較小。設(shè)其為10KHZ 時(shí)，我們可以將延時(shí)環(huán)節(jié)和PWM環(huán)節(jié)組合成一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)將得到極大簡(jiǎn)化。記延時(shí)時(shí)間常數(shù)為td=TS，而逆變器的放大倍數(shù)KPWM取值也很重要，為簡(jiǎn)化分析這里將其設(shè)為1 來處理。于是電流環(huán)簡(jiǎn)化得到：

圖4 簡(jiǎn)化后的電流環(huán)框架

2.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)

速度環(huán)的主要作用是為了抑制負(fù)載擾動(dòng)，轉(zhuǎn)速環(huán)作為矢量控制的外環(huán)一樣決定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)速外環(huán)傳遞函數(shù)框架圖如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)速環(huán)框架圖

電流環(huán)都可以用等效成一階慣性環(huán)節(jié)來代替，由于外部速度環(huán)有延時(shí)環(huán)節(jié)，可以結(jié)合延時(shí)小慣性環(huán)節(jié)。由于外部速度環(huán)的采樣時(shí)間Ts2遠(yuǎn)大于電流環(huán)的采樣時(shí)間Ts，簡(jiǎn)化整定后的電流環(huán)與延時(shí)環(huán)節(jié)進(jìn)行合并處理得：

ASR 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)一步簡(jiǎn)化整定見圖6。

圖6 簡(jiǎn)化后的轉(zhuǎn)速環(huán)框架圖

將轉(zhuǎn)速環(huán)按二階典型環(huán)節(jié)整定，當(dāng)Ki 的值比較小，可得其傳遞函數(shù)：

對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)的二階系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

針對(duì)上一章設(shè)計(jì)的加載電機(jī)控制系統(tǒng)于MATLAB 中搭建相關(guān)模塊，在此基礎(chǔ)上，通過實(shí)物與上位機(jī)的有機(jī)結(jié)合搭建半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。從MATLAB/Simulink 生成針對(duì)特定處理器芯片產(chǎn)品級(jí)嵌入式代碼，完成目標(biāo)代碼的生成，再快速地植入目標(biāo)軟件系統(tǒng)。對(duì)加載電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，來達(dá)到模擬電動(dòng)汽車行駛時(shí)情形的目的。

通過實(shí)驗(yàn)得到輸出的SVPWM波形如圖7 所示。

由圖7 可以看出得到電壓波形呈正弦波狀。簡(jiǎn)單來說，占空比越大，電壓越高；占空比越小，電壓越低。讓占空比呈正弦變化，電壓值自然也是呈正弦變化了。

圖7 輸出SVPWM 波形

U-V 兩相之間的線電壓如圖8 所示。

圖8 U-V 兩相之間的線電壓

U-W 兩相之間的線電壓如圖9 所示。

圖9 U-W 兩相之間的線電壓

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，通過調(diào)節(jié)給定電壓的大小，控制給定轉(zhuǎn)速的高低，實(shí)際轉(zhuǎn)速接近給定的轉(zhuǎn)速信號(hào)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)平滑。輸出SVPWM波形呈正弦狀，U V W 三相中兩相之間的線電壓穩(wěn)定，產(chǎn)生三相正弦變頻電壓能夠穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)逆變器工作，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。證明該模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠，跟隨性能良好。

4 結(jié)論

本文從研究電動(dòng)汽車負(fù)載模擬的角度出發(fā)，提出一種有實(shí)物參與的半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過控制加載電機(jī)來模擬汽車行駛的實(shí)時(shí)負(fù)載。由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，模擬負(fù)載系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的平滑調(diào)節(jié)，負(fù)載電機(jī)實(shí)時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能；且給電機(jī)施加變化負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)能夠很快的糾正偏差使轉(zhuǎn)速在很短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。說明該負(fù)載模擬系統(tǒng)具備很好的抗負(fù)載擾動(dòng)性能。通過不同的負(fù)載模擬了汽車在行駛過程中遇到的不同情況。具有較強(qiáng)的可移植性，為以后電動(dòng)汽車電機(jī)的選型和設(shè)計(jì)提供了一種更簡(jiǎn)潔有效的方法。