秦峻龍 蔣 林 劉梁鴻 袁 滿 鐘紅波

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電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)速估計(jì)器設(shè)計(jì)

秦峻龍 蔣 林 劉梁鴻 袁 滿 鐘紅波

（西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都 610500）

針對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)故障率高的問題，本文提出了一種基于無速度傳感器原理的新型測(cè)速系統(tǒng)。該測(cè)速系統(tǒng)的主拓?fù)洳捎弥?交結(jié)構(gòu)，通過檢測(cè)系統(tǒng)電流與電壓的瞬時(shí)值，采用矢量控制方式，使永磁同步電動(dòng)機(jī)模型等效為直流電動(dòng)機(jī)，根據(jù)反饋的電流、電壓信號(hào)利用DSP在軟件上產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，驅(qū)動(dòng)SVPWM模塊控制電動(dòng)機(jī)?；赥I公司的TMS320F28055控制芯片，搭建了轉(zhuǎn)速估計(jì)系統(tǒng)的控制平臺(tái)。仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速估計(jì)器能夠?qū)崿F(xiàn)估計(jì)轉(zhuǎn)速對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確跟蹤，理論上滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)。在開環(huán)條件下，實(shí)物也得到了驗(yàn)證。

永磁同步電動(dòng)機(jī)；矢量控制；DSP；全階磁鏈觀測(cè)器；無速度傳感器

近年來，隨著新能源政策陸續(xù)出臺(tái)，電動(dòng)汽車的發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁[1]。汽車使用過程中，轉(zhuǎn)速測(cè)量是必不可少的一部分。其能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速信號(hào)傳送到儀表盤，供駕駛員參考，有效提高汽車的行駛性能。而速度傳感器準(zhǔn)確的測(cè)速，就成了速度測(cè)量系統(tǒng)的重要問題[2]。目前國內(nèi)的速度傳感器基本上采用的是增量式編碼器測(cè)速，而由于安裝技術(shù)復(fù)雜，速度傳感器與電動(dòng)機(jī)軸很難達(dá)到完全同心，因此降低了測(cè)量精度，同時(shí)增加了故障率，影響汽車行駛性能。校正過程會(huì)導(dǎo)致更多粉塵進(jìn)入電動(dòng)機(jī)，并且頻繁的校正也會(huì)給電動(dòng)機(jī)造成不可修復(fù)的損傷。而無速度傳感器作為一種非接觸式的測(cè)速方式，運(yùn)用在汽車測(cè)速中，它無需直接測(cè)量轉(zhuǎn)速，只采集電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流和電壓信號(hào)，不存在同心度問題。無需增加設(shè)備，便于維護(hù)，這大大提高了汽車測(cè)速的可靠性與經(jīng)濟(jì)性[3]。

目前轉(zhuǎn)速估計(jì)方法有[4-6]直接計(jì)算法、模型參考自適應(yīng)法、滑膜觀測(cè)器法和全階狀態(tài)觀測(cè)器法等。直接計(jì)算法直接根據(jù)同步角速度與轉(zhuǎn)差角速度作差得到轉(zhuǎn)子電氣角速度，但是不存在任何誤差校正環(huán)節(jié)，嚴(yán)重依賴電動(dòng)機(jī)參數(shù)；模型參考自適應(yīng)法利用參考模型與可調(diào)模型輸出量的誤差構(gòu)成相應(yīng)的辨識(shí)機(jī)構(gòu)來辨識(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，但是轉(zhuǎn)速的辨識(shí)精度不高，對(duì)參數(shù)依賴性大；滑膜觀測(cè)器法采用估計(jì)電流偏差來確定滑?？刂茩C(jī)構(gòu)，并使控制系統(tǒng)的狀態(tài)最終穩(wěn)定在滑模超平面上，但是存在嚴(yán)重的抖振現(xiàn)象；全階狀態(tài)觀測(cè)器法引入了電流的誤差反饋量，形成了閉環(huán)觀測(cè)，辨識(shí)精度較高，且通過觀測(cè)器反饋增益矩陣合理配置觀測(cè)器極點(diǎn)，可使觀測(cè)器收斂速度較快，動(dòng)態(tài)性能較好。而本文所采用的方法為全階狀態(tài)觀測(cè)器法來辨識(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過配置合適的反饋增益矩陣，使系統(tǒng)具有辨識(shí)精度高，魯棒性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)；與傳統(tǒng)電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)速辨識(shí)相比較，通過全階觀測(cè)器法來辨識(shí)電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速的辨識(shí)精度得到了提高，電動(dòng)汽車穩(wěn)定運(yùn)行得到了充分保證。

1 永磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化分析，在建立永磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型時(shí)，一般作以下假設(shè)：假設(shè)轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)在氣隙空間分布為正弦波；忽略定子鐵心飽和；不計(jì)鐵心的渦流與磁滯損耗；轉(zhuǎn)子上無繞組電阻。在dq坐標(biāo)下，永磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型為

式中，d、d分別為d軸上的電壓和電流分量；q、q分別為q軸上的電壓和電流分量；d、q分別為直、交軸電感；為電動(dòng)機(jī)的定子繞組電阻；為電動(dòng)機(jī)的電角速度；為永磁體與定子交鏈磁鏈；e為永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩；為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。

2 全階磁鏈觀測(cè)器（AFO）

該轉(zhuǎn)速估計(jì)系統(tǒng)是把永磁同步電動(dòng)機(jī)本身作為參考模型，構(gòu)造的全階磁鏈觀測(cè)器作為可調(diào)模型，如圖1所示。

圖1 基于AFO的轉(zhuǎn)速估計(jì)系統(tǒng)

2.1 AFO的數(shù)學(xué)模型

永磁同步電動(dòng)機(jī)可由以下的狀態(tài)方程來描述：

2.2 穩(wěn)定性分析

1）轉(zhuǎn)速自適應(yīng)律

定義李雅普洛夫函數(shù)如下：

對(duì)式（3）求一階導(dǎo)，得

自適應(yīng)率由下式給出：

轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)辨識(shí)算法為

2）反饋增益矩陣

滿足此條件的增益矩陣不止一組，但通常取其中一組較為簡(jiǎn)單的解[7]，即

此處取1.5。

3 仿真結(jié)果及實(shí)物驗(yàn)證

永磁同步電動(dòng)機(jī)的無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)如圖3所示[8]，主要包括單相整流、三相逆變、信號(hào)檢測(cè)、隔離驅(qū)動(dòng)、控制回路、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等幾個(gè)部分。其中控制回路包括全階磁鏈觀測(cè)器、PI調(diào)節(jié)器、坐標(biāo)變換、轉(zhuǎn)矩計(jì)算、SVPWM等模塊，采用TI公司主頻為60MHz的DSP28055控制芯片實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)開關(guān)設(shè)定為20kHz，即采用周期為50ms。中斷服務(wù)程序頻率10kHz。永磁同步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)為額定功率N=0.6kW，額定電壓N=220V，額定電流N=4A，頻率N=50Hz，額定轉(zhuǎn)速N=3000r/min，定子電阻s=0.985W，定子電感直軸分量d=2.96mH，定子電感交軸分量q=2.96mH，極對(duì)數(shù)p=1?？刂苹芈返闹鞒绦蛄鞒虉D如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

3.1 基于Simulink的永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì)仿真

1）電動(dòng)機(jī)在高速狀況下四象限的工作波形分析分別如圖3至圖7所示。

圖3 無速度傳感器（AFO）矢量控制系統(tǒng)

圖4 電動(dòng)機(jī)一象限運(yùn)行的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖5 電動(dòng)機(jī)一、二象限切換運(yùn)行的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖6 電動(dòng)機(jī)一、四象限切換運(yùn)行的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖7 電動(dòng)機(jī)二、三象限切換運(yùn)行的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

2）電動(dòng)機(jī)在低速狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的A相電流波形和轉(zhuǎn)速波形分別如圖8、圖9所示。

圖8 低速段運(yùn)行時(shí)A相電流波形

圖9 低速段運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速波形

仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速估計(jì)器能夠在四個(gè)象限內(nèi)都能對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)[9-10]。且在轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩突變時(shí)，估計(jì)誤差較小。轉(zhuǎn)速估計(jì)誤差在2%以內(nèi)，滿足永磁同步電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行轉(zhuǎn)速的變化要求。電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與全階磁鏈觀測(cè)器（AFO）的估計(jì)轉(zhuǎn)速在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、加載、加速、減速和各個(gè)穩(wěn)態(tài)過程中，響應(yīng)速度快，估計(jì)轉(zhuǎn)速都能夠較精確地跟蹤實(shí)際轉(zhuǎn)速，驗(yàn)證了AFO自適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速估計(jì)的適用性[10]。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低速段時(shí)，0.03s時(shí)，A相電流即恢復(fù)穩(wěn)定接近正弦波，轉(zhuǎn)速超調(diào)量較小。0.8s時(shí)，轉(zhuǎn)速由150r/min下降為100r/min，電磁轉(zhuǎn)矩能夠快速恢復(fù)，A相電流波形保持穩(wěn)定。由以上分析，滿足設(shè)計(jì)的要求。

3.2 實(shí)物驗(yàn)證

基于圖3所示的系統(tǒng)框圖搭建硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示。圖10至圖12為本實(shí)驗(yàn)的逆變模塊的觸發(fā)脈沖波形。圖13為經(jīng)系統(tǒng)矢量控制技術(shù)后，所產(chǎn)生的兩相靜止坐標(biāo)系下的波形。圖14為正、反轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速與估計(jì)轉(zhuǎn)速波形。圖15為突加負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速波形（橫軸5s/格，縱軸500r/min）。

圖10 觸發(fā)脈沖波形1

圖11 觸發(fā)脈沖波形2

圖12 觸發(fā)脈沖波形3

圖13 兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓波形

圖14 實(shí)際轉(zhuǎn)速與估計(jì)轉(zhuǎn)速正反轉(zhuǎn)波形

圖15 突加負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波形

4 結(jié)論

基于永磁同步電動(dòng)機(jī)的全階磁鏈觀測(cè)器模型，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速估計(jì)器，完成了對(duì)轉(zhuǎn)速自適應(yīng)律和反饋增益矩陣的設(shè)計(jì)，基于Matlab仿真平臺(tái)，搭建了基于全階磁鏈觀測(cè)器的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明了該轉(zhuǎn)速估計(jì)器能夠在全速范圍內(nèi)各種工況下穩(wěn)定運(yùn)行，估計(jì)轉(zhuǎn)速能夠準(zhǔn)確的跟蹤實(shí)際轉(zhuǎn)速，且轉(zhuǎn)速誤差在2%以內(nèi)?；诜抡嫦到y(tǒng)構(gòu)建了基于DSP28055調(diào)速系統(tǒng)平臺(tái)，完成了對(duì)轉(zhuǎn)速估計(jì)器的開環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠準(zhǔn)確觀測(cè)出電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)速信息，且轉(zhuǎn)速估計(jì)精度高。

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Design of speed estimator for electric vehicle

Qin Junlong Jiang Lin Liu Lianghong Yuan Man Zhong Hongbo

(School of Electrical and Information Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500)

A new speed measuring system based on speed sensorless principle is presented to solve the problem of high rate of faults in the existing electric vehicle speed measurement system. The main topology of the speed measuring system adopts the DC-AC structure, the instantaneous current and voltage value of the detecting system, the vector control strategy, the equivalent model of permanent magnet synchronous motor is a DC motor, according to the feedback of current and voltage signal using the DSP trigger pulse is generated in the software, control motor driver module SVPWM. Based on the TMS320F28055 control chip of TI company, the control platform of the speed estimation system is built. The simulation results show that the speed estimator can realize the accurate tracking of the estimated speed to the actual speed, and meets the design index in theory. In open-loop conditions, the physical object has also been verified.

PMSM; vector control; DSP; full order flux observer; speed sensorless

2017-11-27

秦峻龍（1993-），男，四川成都人，本科，主要從事電機(jī)及其控制工作。

四川省創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201610615008）