石停停，葉樺，冒建亮

（東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210096）

電動(dòng)汽車［1-3］作為新一代交通工具，在節(jié)能減排、減少人類對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴方面具有傳統(tǒng)汽車所不可比擬的優(yōu)勢(shì)，為電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)一套性能優(yōu)良的調(diào)速系統(tǒng)成為汽車生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。直流調(diào)速系統(tǒng)具有較為優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能，在很長(zhǎng)一段歷史時(shí)期，處于調(diào)速領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位。然而，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電刷易于磨損，維護(hù)麻煩，對(duì)運(yùn)行環(huán)境的要求較高，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速、單機(jī)容量和最高電壓都受到一定的限制。而交流電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、運(yùn)行可靠、易維護(hù)、可用于大容量調(diào)速和能在惡劣環(huán)境中工作等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

最初的交流變頻調(diào)速采用開環(huán)V/f 恒壓頻比［4-6］控制方案，盡管能實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)一定范圍內(nèi)的調(diào)速，但只能用于調(diào)速要求不高的場(chǎng)合，如泵類、風(fēng)機(jī)等負(fù)載的拖動(dòng)。由于開環(huán)V/f 控制中，感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著擾動(dòng)變化，調(diào)速精度也會(huì)受到影響，因此轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率［7-8］控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。在這種控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速信號(hào)的誤差通過PI調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)差頻率給定值，用來補(bǔ)償電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而確保電機(jī)跟隨期望轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而解決了異步電機(jī)平滑調(diào)速的問題，而且結(jié)構(gòu)也不算復(fù)雜。

本文結(jié)合SVPWM 技術(shù)，在轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速的基礎(chǔ)上，增加轉(zhuǎn)速傳感器、相應(yīng)的檢測(cè)電路和測(cè)速軟件，實(shí)現(xiàn)了基于異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的電動(dòng)車輛轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)。利用Simuink 進(jìn)行仿真分析，在干擾信號(hào)作用下轉(zhuǎn)速迅速調(diào)節(jié)并最終保持不變，由此可知該閉環(huán)控制系統(tǒng)具有較好的抗擾動(dòng)的性能。進(jìn)而在實(shí)際電動(dòng)車輛控制器DSP［9］中進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證，轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率調(diào)速控制具有較高的轉(zhuǎn)速精度和穩(wěn)定性，可在干擾信號(hào)下實(shí)現(xiàn)較為精確的變頻調(diào)速。

1 轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制

1.1 轉(zhuǎn)差頻率控制

運(yùn)動(dòng)控制的根本問題是轉(zhuǎn)矩控制，由異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式［10］可以得到：

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Φm為每極氣隙磁通為折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻為折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感；ωs為轉(zhuǎn)差角頻率，ωs=sω1，s為轉(zhuǎn)差，ω1為電源角頻率；Km為電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，為電機(jī)極對(duì)數(shù)，Ns為定子每相繞組匝數(shù)，kNs為定子基波繞組系數(shù)。

當(dāng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差s較小，因而ωs也較小，可以認(rèn)為則轉(zhuǎn)矩可近似表示為

由此可知，若能保持氣隙磁通Φm不變，則在s值較小的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍內(nèi)，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差角頻率ωs成正比。也就是說，在保持氣隙磁通Φm不變的前提下，可以通過轉(zhuǎn)差角頻率ωs來控制轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本思想。

1.2 VVVF控制原理

為了保持氣隙磁通Φm恒定，可以采用變壓變頻（VVVF）控制，即V/f恒壓頻比控制方式。三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值為

由式（3）可知，只要控制好Eg和f，便可達(dá)到控制氣隙磁通Φm的目的，對(duì)此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況?；l以下時(shí)，磁通恒定，允許輸出轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，并且此時(shí)需在Us/f 為恒值的基礎(chǔ)上提高Us以補(bǔ)償定子電流壓降；基頻以上時(shí)，電壓不能超過額定電壓，轉(zhuǎn)速升高時(shí)磁通減小，允許輸出轉(zhuǎn)矩也隨之降低，屬于恒功率調(diào)速。

采用TMS320F2812實(shí)現(xiàn)恒壓頻比調(diào)速，根據(jù)電動(dòng)車輛電機(jī)特性建立恒壓頻比控制特性曲線。

f 與Us的函數(shù)關(guān)系為

式中：Usmin，Usmax分別為補(bǔ)償電壓和電壓的最大幅值；f1為基頻率。

由于實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)為低壓大電流電機(jī)，定轉(zhuǎn)子電阻電感都較小，因此補(bǔ)償電壓很小，取1.5 V即可滿足要求。由實(shí)驗(yàn)得到V/f曲線如圖1所示。

圖1 V/f曲線Fig.1 V/f curve

圖1中，補(bǔ)償電壓幅值1.5 V，電壓最大幅值38 V，對(duì)應(yīng)基頻率120 Hz。

1.3 轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)速閉環(huán)的轉(zhuǎn)差頻率控制變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2 所示，系統(tǒng)共有2 個(gè)轉(zhuǎn)速反饋控制，內(nèi)環(huán)為正反饋，將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 的輸出信號(hào)給定轉(zhuǎn)差頻率與實(shí)際轉(zhuǎn)速ω相加，得到定子頻率給定信號(hào)即

圖2 轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)Fig.2 Closed-loop slip frequency speed control system

由于正反饋是不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，需設(shè)置轉(zhuǎn)速負(fù)反饋外環(huán)，才能使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，ASR 為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，一般選用PI調(diào)節(jié)器。

實(shí)際轉(zhuǎn)速ω由速度傳感器FBS測(cè)得。然后根據(jù)f=ω/2π和V/f 恒壓頻比，得到定子電壓U和定子電流頻率f，用U和f 控制SVPWM 變頻器，即得異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速所需的定子電壓和頻率。

在開環(huán)V/f控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加轉(zhuǎn)速傳感器，測(cè)量實(shí)際轉(zhuǎn)速，并與給定轉(zhuǎn)速（頻率）相比較，輸出轉(zhuǎn)差頻率對(duì)應(yīng)的輸出值，經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)，輸出轉(zhuǎn)速，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1.4 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

本文采用TMS320F2812 芯片實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制，圖3 為控制主程序流程圖，包括：1）系統(tǒng)初始化：定時(shí)器、中斷初始化及中斷使能；2）加速曲線計(jì)算；3）V/f曲線計(jì)算；4）轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)；5）SVPWM中斷。

圖3 轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制程序流程圖Fig.3 Closed-loop slip frequency control program flow chart

在開環(huán)V/f 控制系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，建立轉(zhuǎn)速單閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)模型如圖4 所示，依次包括：1）轉(zhuǎn)速n*給定；2）轉(zhuǎn)速PI 調(diào)節(jié)；3）V/f 曲線；4）SVPWM 波形調(diào)制；5）電機(jī)和測(cè)量模塊。

圖4 轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)模型Fig.4 Closed-loop slip frequency control system model

運(yùn)行該系統(tǒng)，得到空載啟動(dòng)時(shí)并在t=1 s時(shí)刻加速至2 000 r/min的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 空載定子A相電流、磁鏈、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速Fig.5 A-phase stator′s current，flux，torque and speed

2 系統(tǒng)仿真

本論文中仿真實(shí)驗(yàn)用異步電機(jī)參數(shù)為：功率P＝75 kW，線電壓51 V，頻率f＝120 Hz，定子電阻R1=0.738 4 Ω，電感L1＝0.003 045 H，轉(zhuǎn)子電阻R2＝0.740 2 Ω，轉(zhuǎn)子電感L2＝0.003 045 H，定轉(zhuǎn)子互感Lm＝0.124 1 H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J＝0.034 3 kg·m2，摩擦因子F=0.000 503 N·m·s，極對(duì)數(shù)Np=2。

Simuink 仿真設(shè)定參數(shù)為：給定轉(zhuǎn)速n*=1 000 ～2 000 r/min，直流母線電壓80 V，采樣頻率10 kHz。

由圖5可以看出，空載啟動(dòng)時(shí)，在0～0.2 s內(nèi)，定子電流由起始的40 A穩(wěn)定到10 A以內(nèi)，轉(zhuǎn)矩由起始的40 N·m 逐漸降至0，同時(shí)轉(zhuǎn)速上升至1 000 r/min，之后系統(tǒng)保持穩(wěn)定；在t=1 s 時(shí)刻加速過程中，電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都相應(yīng)上升，經(jīng)過0.3 s 后，電流和轉(zhuǎn)矩回復(fù)到初始狀態(tài)，轉(zhuǎn)速逐漸穩(wěn)定在給定的轉(zhuǎn)速值。

需指出的是，電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩有一定幅度的變化，這是因?yàn)殡姍C(jī)啟動(dòng)時(shí)磁場(chǎng)有一個(gè)建立過程，在建立過程中磁場(chǎng)變化是不規(guī)則的，但在0.1 s后磁場(chǎng)逐漸穩(wěn)定，且加速過程中磁場(chǎng)也是穩(wěn)定的，使得轉(zhuǎn)矩能夠穩(wěn)定上升和下降。

由圖6可以看出，啟動(dòng)時(shí)刻曲線與圖5相同，但在t=1 s 時(shí)刻施加10 N·m 干擾信號(hào)，使得電流和轉(zhuǎn)矩相應(yīng)上升，轉(zhuǎn)速下降；在t=1.1 s 時(shí)刻干擾消除后，電流和轉(zhuǎn)矩回降至初始值，轉(zhuǎn)速上升至初始值并保持不變。由此可知該閉環(huán)控制系統(tǒng)有較好的抗擾動(dòng)的性能。

圖6 加干擾定子A相電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速Fig.6 A-phase stator′s current，torqueand speed with disturbance

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)論

本文采用Sevcon 控制器（內(nèi)含TMS320-F2811 芯片）、USB to CAN 收發(fā)器、XDS510-USB2.0仿真器、穩(wěn)壓電源和測(cè)試臺(tái)。

結(jié)合圖3 程序流程圖，用CCS3.3 軟件編程，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的加減速控制。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存至.txt文件中，通過Matlab軟件繪制得到圖7。圖7 為電機(jī)啟動(dòng)時(shí)給定轉(zhuǎn)速400 r/min，并在t=3.6 s時(shí)刻加速至800 r/min的加速曲線，以及期望轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的誤差曲線。由圖7 可知，該系統(tǒng)較好地跟蹤了期望轉(zhuǎn)速曲線，并使轉(zhuǎn)速誤差最終趨向于0。

圖7 啟動(dòng)和加速曲線Fig.7 Start and acceleration time curves

電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，在t=2.6 s時(shí)刻施加一干擾信號(hào)，得到擾動(dòng)轉(zhuǎn)速曲線如圖8 所示。由圖8 可以看出，轉(zhuǎn)速開始有一定程度的下降，但經(jīng)過0.3 s 后又逐漸趨于穩(wěn)定。由此可知，該系統(tǒng)能對(duì)擾動(dòng)信號(hào)起到一定的抑制作用，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有較好的抗擾動(dòng)的性能。

圖8 抗擾動(dòng)曲線Fig.8 Anti-disturbance curves

本文在轉(zhuǎn)速開環(huán)變壓變頻調(diào)速的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車輛轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)。利用Simuink仿真和實(shí)際電動(dòng)車輛控制器DSP中的實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有較高的抗擾動(dòng)性能和穩(wěn)定性。

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