樊登柱,崔敏超,周開俊

(1.南通職業(yè)大學(xué),南通226007;2.西安交通大學(xué),西安710049)

0 引 言

據(jù)公安部門統(tǒng)計(jì),截至2016年3月底,我國(guó)汽車保有量達(dá)到1.79億輛,并且還在保持著飛速增長(zhǎng)趨勢(shì)。然而,快速發(fā)展的汽車也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境和能源問(wèn)題,混合動(dòng)力汽車(Hybrid Electric Vehicle,以下簡(jiǎn)稱HEV)是目前解決這些問(wèn)題的主要方法之一。

HEV的發(fā)展也并非一帆風(fēng)順,由于受到純電動(dòng)汽車(Electric Vehicle,以下簡(jiǎn)稱EV)的影響,各大汽車廠商對(duì)HEV的研發(fā)投入均較保守,他們都希望能盡可能大限度地利用傳統(tǒng)汽車的結(jié)構(gòu),降低HEV的成本。在這種需求的驅(qū)動(dòng)下,有學(xué)者提出了在起動(dòng)發(fā)電一體化技術(shù)(Integration Startor and Generator,以下簡(jiǎn)稱ISG),它是在原有汽車起動(dòng)機(jī)的位置上安裝更為先進(jìn)的起動(dòng)發(fā)電一體機(jī),使其既可以作為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和輔助汽車運(yùn)行,又可以作為車載電源為整車電路和蓄電池提供電能[1-3]。

ISG技術(shù)的提出,使得傳統(tǒng)汽車實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力策略的成本直線下降,因此近年來(lái)吸引了大量學(xué)者和汽車廠商的研究興趣。實(shí)現(xiàn)ISG所采用的起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是決定整個(gè)系統(tǒng)性能和控制特點(diǎn)的主要因素,文獻(xiàn)[4]提出了一種磁通開關(guān)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)(Flux Switching Integration Starter Generator,以下簡(jiǎn)稱FSISG),并對(duì)其進(jìn)行了電磁場(chǎng)有限元分析,論證了該型起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)和電源功能的可行性。但是,要將FSISG應(yīng)用于實(shí)際車輛上,還需要一整套與之相適應(yīng)的控制電路的配合,本文將基于FSISG的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)的輸出性能。

1 FSISG運(yùn)行原理

從電機(jī)學(xué)的角度來(lái)看,FSISG是一種雙凸極開關(guān)磁通電機(jī),相關(guān)的電機(jī)學(xué)研究已經(jīng)證明開關(guān)磁通電機(jī)具備優(yōu)良的能量雙向轉(zhuǎn)換效率[4-7]。圖1為FSISG的結(jié)構(gòu)示意圖。定子鐵心、永磁體和集中繞組形成類似“三明治”的結(jié)構(gòu)為能量的雙向高效轉(zhuǎn)換提供了可能,本文研究的控制系統(tǒng)也是基于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的。

圖1 FSISG結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 是FSISG的系統(tǒng)運(yùn)行原理圖。在汽車驅(qū)動(dòng)運(yùn)行時(shí),FSISG是一種三相交流型起動(dòng)發(fā)電一體機(jī),使用車載蓄電池供電時(shí),FSISG控制系統(tǒng)需要進(jìn)行合理的DC-AC變換;而在倒拖發(fā)電時(shí),能量經(jīng)由傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到車載蓄電池,此時(shí)控制系統(tǒng)需要進(jìn)行AC-DC變換,將產(chǎn)生的三相交變電流轉(zhuǎn)換成恒壓直流電供給整車電路和車載蓄電池。因此FSISG的控制系統(tǒng)需要經(jīng)過(guò)專門的設(shè)計(jì)來(lái)完成上述功能,簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái),FSISG的運(yùn)行原理就是在電路控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下,使得能量能夠在汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)和車載蓄電池之間雙向傳遞。

圖2 FSISG系統(tǒng)運(yùn)行原理

2 FSISG的數(shù)學(xué)模型

2.1 在abc坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

FSISG的電角度和機(jī)械角度的滿足如下關(guān)系:

對(duì)于各相對(duì)稱的三相集中繞組,忽略鐵心和永磁體損耗,則電壓方程[8]:

式中:ω為電角速度;Ω為機(jī)械角速度;U為相電壓向量,U=[uaubuc]T;R為繞組電阻矩陣,R=[rarbrc]T;I為相電流向量,I=[iaibic]T;ΨPM為永磁磁鏈向量;ΨL為電樞磁鏈向量;θ為轉(zhuǎn)子位置角。

永磁磁鏈ΨPM只與轉(zhuǎn)子位置角θ有關(guān),可表示:

式中:k=a,b,c。

電樞磁鏈ΨL是電流I與轉(zhuǎn)子位置θ的復(fù)合函數(shù),若不考慮鐵心磁路飽和,可表示:

式中:L是電感矩陣,且L是位置角θ的函數(shù)。

將式(4)代入式(2)可得以相電流為狀態(tài)變量的電壓方程:

FSISG的繞組采用三相Y型連接方式,則電流有如下關(guān)系:

機(jī)械方程:

式中:J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Kw為摩擦系數(shù);TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

用磁共能虛位移方法,可得到FSISG瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩方程:

FSISG的場(chǎng)能量:

式中:Wcoenergy為磁功能;WPM為永磁體內(nèi)的場(chǎng)能量。

FSISG總磁鏈:

磁共能滿足:

將式(12)代入式(9)得到:

式中:TPM為永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量;Trm為電感變化引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)分量;Tcogging為齒槽轉(zhuǎn)矩分量。

由式(13)可知,電磁轉(zhuǎn)矩包括永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量、電感變換引起的波動(dòng)轉(zhuǎn)矩分量、齒槽轉(zhuǎn)矩分量3部分。其中永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量占主要部分,齒槽轉(zhuǎn)矩對(duì)FSISG的運(yùn)行不利會(huì)造成轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

2.2 在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

FSISG工作在電動(dòng)模式下,是永磁電機(jī)的一種,矢量控制是目前在永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域被廣泛采用的一種控制方法,它具有效率高,精度高,調(diào)速范圍廣,動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)FSISG在電動(dòng)模式下進(jìn)行矢量控制,給出了其在旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。

在d-q坐標(biāo)系下,電機(jī)的d軸,q軸電流Id,Iq,與靜止坐標(biāo)系下三相電流Ia,Ib,Ic的變換關(guān)系[9]:

式中:p為微分算子;p為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)。

由式(20)可以看出,電機(jī)轉(zhuǎn)矩是由永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩(因d,q軸電感不同產(chǎn)生)組成的。

3 FSISG控制系統(tǒng)仿真研究

根據(jù)上述理論推導(dǎo)得到的FSISG數(shù)學(xué)模型,本文設(shè)計(jì)了在汽車上應(yīng)用的全時(shí)控制系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)模式繼電器的控制下在電動(dòng)和電源模式下切換,電動(dòng)模式下根據(jù)前面的數(shù)學(xué)模型對(duì)FSISG應(yīng)用矢量控制算法;電源模式下采用三相整流濾波和DC/DC變換對(duì)FSISG產(chǎn)生的電能進(jìn)行處理使之可以為車載蓄電池充電。整車的直流電壓采用48 V的新一代汽車電路標(biāo)準(zhǔn)[11]。

圖3 FSISG全時(shí)控制系統(tǒng)

3.1 電源模式仿真

為了研究FSISG控制系統(tǒng)在電源模式下的輸出響應(yīng)和穩(wěn)定性,本文在Simulink平臺(tái)下建立了該模式下的仿真模型,如圖4所示,其中DC/DC功能由CUK升降壓模塊實(shí)現(xiàn)。

圖4 FSISG電源模式仿真模型

FSISG工作在電源模式時(shí),汽車的動(dòng)能被轉(zhuǎn)換為電能,汽車速度逐漸降低,此時(shí)FSISG主機(jī)產(chǎn)生的電壓也將逐漸降低。仿真過(guò)程的輸入通過(guò)三相可控電壓源來(lái)模擬,為了更真實(shí)地反映汽車實(shí)際運(yùn)行時(shí)的回饋制動(dòng)過(guò)程,輸入電壓的幅值設(shè)定為隨時(shí)間逐漸減小,在這樣的輸入條件下得到的控制系統(tǒng)輸出性能具有實(shí)際意義。

根據(jù)FSISG在abc坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型,給定系統(tǒng)參數(shù),并分別設(shè)定輸出電壓為48 V和12 V(標(biāo)準(zhǔn)汽車電路系統(tǒng)輸入電壓)進(jìn)行仿真,輸出電壓波形分別如圖5和圖6所示。仿真參數(shù):步長(zhǎng)0.000 01 s,求解器 ode23tb。

圖5 設(shè)定電壓為48 V時(shí)的輸出電壓

圖6 設(shè)定電壓為12 V時(shí)的輸出電壓

由圖5知,當(dāng)設(shè)定輸出電壓為48 V時(shí),控制系統(tǒng)約在0.2 s達(dá)到穩(wěn)定值,峰值電壓為49 V,最大超調(diào)量約為2.1%,穩(wěn)態(tài)誤差為0;由圖6知,當(dāng)設(shè)定輸出電壓為12 V時(shí),系統(tǒng)在約0.13 s達(dá)到輸出穩(wěn)定值,整個(gè)過(guò)程中無(wú)超調(diào),穩(wěn)態(tài)誤差為0。在理想的仿真環(huán)境下,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性滿足使用要求,并且在較寬范圍內(nèi),可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)壓,為回饋制動(dòng)時(shí)的電源采取多種充電控制策略提供了可能。

3.2 電動(dòng)模式Ansoft聯(lián)合仿真

Ansoft是一款功能強(qiáng)大的電磁場(chǎng)有限元分析軟件,目前在電機(jī)設(shè)計(jì)和控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文利用Ansoft Maxwell平臺(tái)提供的電磁場(chǎng)和電路模塊對(duì)FSISG在電動(dòng)模式下進(jìn)行了聯(lián)合仿真研究。根據(jù)圖3的控制系統(tǒng)在Circuit模塊中建立了相應(yīng)的激勵(lì)發(fā)生電路。同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)[4]中的FSISG結(jié)構(gòu)參數(shù)在電磁場(chǎng)模塊中建立相應(yīng)的物理模型,將Circuit模塊輸出的三相激勵(lì)電流鏈接到物理模型上。

運(yùn)行求解,得到一個(gè)電周期4個(gè)關(guān)鍵位置,對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子角度 0°,7.5°,15°,22.5°的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖,如圖7所示。

圖7 不同轉(zhuǎn)子位置磁通密度云圖

圖8 轉(zhuǎn)矩-時(shí)間曲線仿真結(jié)果

從圖中可知,除了定轉(zhuǎn)子齒部磁通密度較大外,其余部分磁感應(yīng)強(qiáng)度在1.5 T以下,表明電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)合理。圖8是仿真得到的轉(zhuǎn)矩-時(shí)間曲線,FSISG輸出的電磁轉(zhuǎn)矩在22 N·m上下小幅波動(dòng),而現(xiàn)在市場(chǎng)上同尺寸的汽車起動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩僅5～10 N·m,因此FSISG在電動(dòng)模式下的仿真輸出轉(zhuǎn)矩較現(xiàn)有直流電機(jī)有顯著提升。

4 試驗(yàn)研究

在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路板,同時(shí)與起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)樣機(jī)一起搭建了綜合試驗(yàn)臺(tái),如圖9所示。

圖9 FSISG試驗(yàn)裝置

通過(guò)模擬汽車實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工況,在電動(dòng)模式下FSISG在控制電路的驅(qū)動(dòng)下能夠平穩(wěn)拖動(dòng)伺服電機(jī)(模擬汽車負(fù)載)倒拖運(yùn)轉(zhuǎn);在電源模式下,FSISG的輸出電壓隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系如圖10所示,在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),輸出電壓均穩(wěn)定在48 V(設(shè)定值)左右。因此,所設(shè)計(jì)的控制電路可使FSISG作為車載電源回收汽車制動(dòng)和減速過(guò)程的動(dòng)能,在減輕制動(dòng)系統(tǒng)負(fù)荷的同時(shí)為整車電路和蓄電池提供電能。

圖10 電源模式下試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

1)介紹了FSISG的運(yùn)行原理,并通過(guò)數(shù)學(xué)建模,得到了FSISG在abc和dq0坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,為該型起動(dòng)發(fā)電機(jī)的矢量控制提供了參考。

2)提出并設(shè)計(jì)了FSISG的控制電路,并分別在Simulink和Ansoft Maxwell平臺(tái)下對(duì)控制系統(tǒng)在電源模式和電動(dòng)模式下的輸出性能進(jìn)行了仿真研究,結(jié)果表明設(shè)計(jì)的控制電路能夠滿足FSISG的功能要求。

3)試驗(yàn)研究中,在搭建的FSISG綜合試驗(yàn)臺(tái)上分別進(jìn)行了電動(dòng)和電源模式的模擬試驗(yàn),結(jié)果表明在電動(dòng)模式下FSISG能夠拖動(dòng)伺服電機(jī)倒拖運(yùn)轉(zhuǎn);在電源模式下,輸出電壓在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)定在設(shè)定值左右,能夠達(dá)到整車電路和蓄電池輸入要求。

[1]尹安東,李領(lǐng)領(lǐng).車用ISG技術(shù)及其國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀[J].汽車科技,2011(5):1-6.

[2]李鵬,左建令.ISG型輕度混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)概述[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2007(1):3-6.

[3]路興國(guó).汽車發(fā)電/起動(dòng)一體化技術(shù)[J].交通科技與經(jīng)濟(jì),2006(1):74-76.

[4]樊登柱,郝靜,吳朝陽(yáng),等.磁通開關(guān)型汽車起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)的設(shè)計(jì)與分析[J].微電機(jī),2015,48(7):85-89.

[5]AMARA Y,HOANG E,GABSIM,et al.Design and comparison of different flux-switch synchronous machines for an aircraft oil breather application[J].European Transactionson Electrical Power,2005,15(6):497-511.

[6]HUA W,CHENG M.Optimal design of flux switching permanent magnetmachine based on FE analysis[C]//The 12th Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation.Miami,USA,2006:333.

[7]HUA W,ZHU Z Q,HOWE D.Analysis and optimization of back emf waveform of a flux-switching permanentmagnet motor[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2008,23(3):727-733.

[8]張志強(qiáng).基于開關(guān)磁通永磁同步電機(jī)的控制器研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.

[9]張少華.永磁同步電機(jī)矢量控制策略研究與控制器實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2008.

[10]王正,常浩.永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007(3):307-312.

[11]FAHIMI B.On the suitability of switched reluctance drives for starter/generator application[C]//IEEE Vehicular Technology Conference,Birmingham,England,2002(4):2070-2075.