新能源純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)研究

付亦凡

(河南省理工中等專業(yè)學(xué)校,鄭州 450008)

0 引言

近年來,隨著機(jī)械化技術(shù)和電子技術(shù)的高速發(fā)展,各式各樣的電機(jī)開始被應(yīng)用到這個(gè)控制領(lǐng)域。傳統(tǒng)的直流電機(jī)功耗大、效率低,若應(yīng)用在純電動(dòng)農(nóng)機(jī)上,會(huì)提高車輛耗電量;而直流無刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是效率高和壽命長,工作效率可以達(dá)到96%以上,比傳統(tǒng)電機(jī)高,且使用壽命在2萬h以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電機(jī)。為此,提出了一種基于直流無刷電機(jī)的純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng),對(duì)純電動(dòng)農(nóng)用車輛的發(fā)展具有積極意義。

1 建立農(nóng)機(jī)直流無刷電機(jī)模型

1.1 無刷直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型

為了充分考慮直流無刷電機(jī)分析的準(zhǔn)確性,假設(shè)以下條件都成立:

1)忽略該電機(jī)繞組電樞反應(yīng);

2)三相繞組完全對(duì)稱分布;

3)忽略該電機(jī)換相中的齒槽影響;

4)假設(shè)無刷直流電機(jī)內(nèi)部的電阻、電感和互感都相同。

根據(jù)這幾個(gè)假設(shè)條件,會(huì)存在以下表達(dá)式

La=Lb=Lc=L

(1)

Ra=Rb=Rc=R

(2)

Lab=Lac=Lbc=Lba=Lca=Lcb=M

(3)

其中,Li和Ri分別表示電機(jī)電阻和電感(i=a、b、c);Lab、Lac、Lbc、Lba、Lca、Lcb為電機(jī)之間的互感。

根據(jù)式(1)～式(3),可以求解出無刷直流電機(jī)相位電壓計(jì)算公式,即

(4)

其中,Vi和ii表示直流無刷電機(jī)三相定子繞組電壓和電流;L和M表示直流無刷電機(jī)繞組電感和繞組間的互感;ei表示電機(jī)反動(dòng)電勢(shì);R為無刷直流電機(jī)內(nèi)部電阻。

直流無刷電機(jī)內(nèi)部電路可以簡(jiǎn)化為如圖1所示。

圖1 直流無刷電機(jī)內(nèi)部簡(jiǎn)化電路Fig.1 The simplified internal circuit of brushless DC motor

直流無刷電機(jī)內(nèi)部電流關(guān)系為

ia+ib+ic=0

(5)

直流無刷電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)關(guān)系為

(6)

(7)

其中,Ω、B、J和Tl分別為其角速度、阻尼系數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

1.2 直流無刷電機(jī)工作原理

直流無刷電機(jī)是利用霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子信號(hào),對(duì)電機(jī)換相過程進(jìn)行準(zhǔn)確控制,也就是根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào),驅(qū)動(dòng)控制導(dǎo)通逆變器的MOS功率管,讓電機(jī)根據(jù)設(shè)定需求進(jìn)行工作,提高電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。直流無刷電機(jī)工作原理如圖2所示。

圖2 直流無刷電機(jī)工作原理圖Fig.2 The working principle diagram of brushless DC motor

直流無刷電機(jī)的工作方式分為兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通,是指在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)有2個(gè)或者3個(gè)MOS功率管同時(shí)導(dǎo)通。在實(shí)際應(yīng)用中,兩兩導(dǎo)通比三三導(dǎo)通能獲得更大的轉(zhuǎn)矩,穩(wěn)定性和功率輸出都是最好的狀態(tài),故采用兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)模式,比較簡(jiǎn)單,性能也很穩(wěn)定。

2 純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成

純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)是對(duì)4臺(tái)直流無刷電機(jī)進(jìn)行控制,TMS320F2812 ARM微處理器內(nèi)部是并行電路,可以通過多個(gè)控制單元對(duì)多個(gè)獨(dú)立電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)控制。以一個(gè)直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)為例,其主要包括控制和驅(qū)動(dòng)兩部分:控制部分主要是實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)的速度和位置信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)處理,并根據(jù)電機(jī)速度和旋轉(zhuǎn)方向?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行精確控制;驅(qū)動(dòng)部分是執(zhí)行單位,主要通過MOS功率管實(shí)現(xiàn)弱電對(duì)強(qiáng)電的驅(qū)動(dòng)控制。

基于TMS320F2812 ARM微處理器的直流無刷電機(jī)原理如圖3所示。其中,控制部分由TMS320F2812處理器、AD轉(zhuǎn)換電路和串口通信電路組成,主要包括電機(jī)速度、電流和位置等數(shù)據(jù)信息的采集及PWM控制信號(hào)的輸出;驅(qū)動(dòng)電路采用光電隔離電路、MOS功率管驅(qū)動(dòng)電路和由霍爾元件組成的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路。

2.2 純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)部分是純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),其功率驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)弱電對(duì)強(qiáng)電的隔離控制。驅(qū)動(dòng)電路主要由MOS功率管、光電隔離器件及霍爾元件等組成。

1)MOS功率管驅(qū)動(dòng)電路。為了保證對(duì)直流無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力,采用飛利浦公司的N型半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管IRF830,最高工作電壓為500V,最大允許電流為5.9A,導(dǎo)通時(shí)漏極和源極之間的電阻小于1.5Ω,且開關(guān)速度非?？?適合應(yīng)用在電機(jī)控制系統(tǒng)中。

在實(shí)際電機(jī)驅(qū)動(dòng)過程中,一般需要采用橋式電流對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),還需要將控制電路輸出的脈沖進(jìn)行放大,達(dá)到驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管IRF830的水平。因此,選擇IR2304 MOS管集成驅(qū)動(dòng)芯片,實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。MOS功率管驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖3 純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)原理框架圖Fig.3 The simplified internal circuit of brushless DC motor

圖4 MOS功率管驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.4 The schematic diagram of MOS power transistor drive circuit

2)電機(jī)電流采樣電路。電流采用包括電阻和電流傳感器兩種方法。在此,采用電阻檢測(cè)電流,是將采樣電流轉(zhuǎn)換成電壓轉(zhuǎn)給ADC模塊,實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的方法,邏輯簡(jiǎn)單,成本較低。

直流無刷電機(jī)的電壓較大,而微處理器和ADC器件工作電壓的較低,因此需要將電流轉(zhuǎn)換為0～5V范圍的電壓值。直流無刷電機(jī)電流采樣電路如圖5所示。

圖5 直流無刷電機(jī)電流采樣電路原理圖Fig.5 The schematic diagram of current sampling circuit of brushless DC motor

圖5中,通過采樣電阻和R51兩個(gè)電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電流的采樣,再將電壓值進(jìn)行放大處理后送給ADC轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行檢測(cè),最后digital的電壓信號(hào)被送給微處理器進(jìn)行分析和處理。

3)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路。直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)子位置采用霍爾傳感器進(jìn)行檢測(cè),該傳感器安裝在電機(jī)內(nèi)部,由電源和低和3條信號(hào)線組成。由于直流無刷電機(jī)內(nèi)部干擾嚴(yán)重,進(jìn)行霍爾傳感器采集到的信號(hào)需要進(jìn)行RC濾波;另外,電路增加了一個(gè)高速光耦6N137對(duì)霍爾傳感器進(jìn)行抗干擾處理?；诨魻杺鞲衅鞯霓D(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路如圖6所示。

圖6 基于霍爾傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路原理圖Fig.6 The schematic diagram of rotor position detection circuit based on Hall sensor

3 純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)電機(jī)控制策略研究

通過前面對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析,可以建立純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)電機(jī)控制模型,將純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)看做一個(gè)整體,將農(nóng)機(jī)車速作為控制對(duì)象,建立如圖7所示的農(nóng)機(jī)電機(jī)控制模型。

圖7 純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)電機(jī)控制模型Fig.7 The motor control model of pure electric four-wheel drive agricultural machinery

由圖7可以看出:該模型實(shí)際上需要對(duì)電機(jī)車速偏差采取控制策略。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方法很多,模糊PID控制技術(shù)應(yīng)用廣泛,且具有較好的穩(wěn)定性,故采用該方法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。

在此,采用基于純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)的增量式PI控制算法,將傳感器測(cè)量的實(shí)際車速和司機(jī)給定的目標(biāo)車速進(jìn)行對(duì)比,得到速度偏差e;電機(jī)控制系統(tǒng)依據(jù)e進(jìn)行增量式PI控制算法,得出速度增量信號(hào)△,并將其計(jì)算后進(jìn)行脈寬調(diào)制后輸出PWM波;驅(qū)動(dòng)功率電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整車速度的調(diào)整控制,達(dá)到司機(jī)操控目的。其控制流程如圖8所示。

圖8 電機(jī)控制流程圖Fig.8 The schematic diagram of current sampling circuit for brushless DC motor

在農(nóng)機(jī)作業(yè)過程中,司機(jī)通過“電門”裝置給電機(jī)控制系統(tǒng)一個(gè)與車速成正比的電壓信號(hào),并設(shè)置該電壓信號(hào)為控制量。增量控制的表達(dá)式為

u(k)=u(k-1)+Δu(k)

(8)

Δu(k)=K0e(k)+K1e(k-1)

(9)

其中,u(k)和e(k)分別為農(nóng)機(jī)第k采樣時(shí)刻的農(nóng)機(jī)車速信號(hào)值和偏差值;K0和K1為常量。

根據(jù)式(8)、式(9),假設(shè)農(nóng)機(jī)加速裝置給出的目標(biāo)信號(hào)為v0,車速傳感器測(cè)得車速為vk,第k次的車速偏差為e(k)=vk-v0(k);同理,計(jì)算出e(k-1)。在計(jì)算出e(k)前,先保留e(k-1),并以e(k)和e(k-1)作為輸入,計(jì)算出增量Δu(k),計(jì)算出脈寬調(diào)制計(jì)算值。純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)電機(jī)控制策略流程如圖9所示。

圖9 純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)電機(jī)控制策略流程圖Fig.9 The control strategy flow chart of pure electric four-wheel drive agricultural machinery motor

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了檢測(cè)純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際效果,將該系統(tǒng)移植到純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)上,并對(duì)控制速度進(jìn)行了實(shí)際的跟蹤實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中,駕駛員設(shè)定電機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r/min,保持一段時(shí)間后下降至1500r/min,主要是測(cè)試電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的實(shí)時(shí)性。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試后。測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10 轉(zhuǎn)速相應(yīng)測(cè)試結(jié)果圖Fig.10 The test result chart of revolution speed

由圖10可以看出:在駕駛員的控制下,純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速能實(shí)現(xiàn)不同數(shù)值的平穩(wěn)過渡,速度跟蹤效果良好,證明了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié)論

建立了農(nóng)機(jī)直流無刷電機(jī)模型,設(shè)計(jì)了純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件部分,采用增量式PI控制算法,實(shí)現(xiàn)了純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)電機(jī)控制策略。實(shí)際測(cè)試表明:在駕駛員的控制下,純電動(dòng)四驅(qū)農(nóng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速能實(shí)現(xiàn)不同數(shù)值的平穩(wěn)過渡,其速度跟蹤效果良好,證明了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。