電傳動車輛用永磁同步電動機快速控制原型仿真

劉春光，馬曉軍，曾慶含

(裝甲兵工程學院，北京100072)

0引 言

內置式永磁同步電動機(以下簡稱PMSM)具有較高的功率密度和過載能力，而且易于弱磁擴速，適合用作電傳動履帶式車輛的牽引驅動。

在車用PMSM的控制中，電機在恒轉矩區和弱磁區采取不同的控制結構和控制算法，不僅系統結構復雜，工作模式判斷算法復雜、切換不平滑，而且不能全局范圍內通過磁場對電流進行定向，電機瞬態響應不是最優。本文作者在文獻［1］中提出了一種基于磁鏈規劃曲線對定子電流進行定向控制的方法，即將定子磁鏈規劃為轉速的函數，任意轉速下根據給定的磁鏈確定定子電流控制分量，以獲得最優的瞬態響應。

實際上，履帶式電傳動裝甲車輛運行工況復雜，其電驅動系統是一個時變、非線性、強耦合系統，逆變器、電機等部件特性復雜，建模困難，給調速系統中控制器參數設計和調整帶來困難，難以快速驗證控制算法的有效性和控制效果。為此，本文基于dSPACE軟硬件平臺，構建了一種適用于PMSM的快速控制原型仿真系統，代替真實控制器嵌入電機試驗臺架，對控制算法進行了實時仿真驗證。試驗結果表明:該系統能夠進行多種運行工況的電機控制試驗，控制系統快速、無差地跟蹤速度給定信號，避免了恒轉矩控制和弱磁控制的變結構切換問題，實現電機平滑調速，驗證了上述算法的正確性和有效性。

1基于磁鏈規劃的定子電流控制

圖1 基于磁鏈的定子電流控制的矢量控制原理框圖

圖1為基于磁鏈的定子電流控制的矢量控制原理框圖。該系統采用轉速、電流雙閉環控制，外環為速度環，轉速調節器根據轉速給定與反饋的誤差輸出轉矩期望;內環采用電流環，相電流經濾波、坐標變換后的直、交軸電流分量(id，iq)作為電流反饋，電流調節器輸出經空間電壓矢量控制模塊生成PWM控制信號，控制逆變器開關器件的通斷。與一般雙環調速系統不同的是，控制器采用基于磁鏈規劃曲線的定子電流優化控制策略，由轉矩期望與規劃磁鏈共同計算定子電流直、交軸電流的控制量(，)，在全轉速范圍內進行統一的定子電流定向控制，避免了恒轉矩區和弱磁區的控制結構與算法的切換。

1．1全局范圍內的磁鏈歸一化

無論在恒轉矩區還是弱磁區內，對于任意轉速下的給定轉矩，總對應唯一的電流分量(id，iq)與定子磁鏈值ψs，滿足:

因此，可對全速范圍內定子磁鏈進行歸一化處理，由磁鏈規劃曲線和給定期望反解電流控制給定值。

為盡可能地拓寬恒轉矩區運行范圍，全速范圍內磁鏈規劃曲線可表示:

圖2為定子磁鏈與轉速之間的規劃曲線圖，恒轉矩磁鏈(水平直線)與弱磁磁鏈曲線的交點，即恒轉矩區與弱磁區兩種工作模式之間的分界點。由于磁鏈規劃曲線是連續的，基于式(1)計算定子電流分量時，系統由恒轉矩運行自然過渡到弱磁運行狀態，改變了恒轉矩區和弱磁區之間進行判斷與切換的控制結構，保證工作模式的平滑過渡。

圖2 全速范圍內的磁鏈規劃曲線圖

1．2基于磁鏈規劃曲線的轉矩優化控制算法實現

為使系統具有最優的動態響應，本文采用基于磁鏈規劃的最優轉矩控制的定子電流算法任意轉速下，結合轉矩期望動態確定磁鏈規劃值，計算磁鏈規劃值下電機的最大輸出轉矩值:

(1)若轉矩期望大于最大輸出能力，則電機按照最大輸出能力曲線進行控制。

(2)若轉矩期望小于最大輸出能力，則由磁鏈規劃橢圓與期望轉矩曲線的交點確定定子電流分量。

圖3為基于磁鏈規劃曲線的轉矩優化控制算法流程圖。實際上，無論按照最大轉矩輸出能力曲線，還是根據定子磁鏈與轉矩期望來確定電流分量，直、交軸電流的解析式都非常復雜。在實際的應用中，借助MATLAB軟件進行計算，通過神經網絡訓練形成以磁鏈、轉矩為輸入，以電流分量為輸出的計算模型，如圖4所示。在各種運行工況下，均可以通過查表獲取電流控制分量。

圖3 轉矩優化控制算法流程圖

圖4 定子電流計算模型

2基于dSPACE的驅動系統快速控制原型實時仿真

dSPACE系統是由德國dSPACE公司開發的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統開發的工作平臺，本文將其作為控制器原型連接實際的被控對象，構成半實物仿真系統，可在線調整控制器參數，快速驗證和觀測算法的控制效果。

2．1驅動系統半實物仿真總體結構

圖5為基于dSPACE的電傳動車輛驅動系統半實物仿真原理圖。它主要由三部分構成:逆變器和電機以實物形式出現在閉環中，省去了復雜的建模過程，并采用真實的電傳動車輛操縱裝置輸入控制給定，完全模擬控制器應用環境;MATLAB軟件、RTI接口和Control Desk虛擬試驗軟件等被裝在dSPACE宿主機上，以完成控制器功能設計、算法調試，軟硬件接口聯接以及代碼生成、下載等功能;基于磁鏈的優化轉矩控制算法被下載在dSPACE處理器中，通過DS2202的豐富接口采集電機轉速、三相電流，并輸出PWM控制信號，經過驅動電路提供實際的開關信號驅動逆變器進而控制電機調速。

圖5 基于dSPACE的驅動系統半實物仿真原理圖

2．2控制算法實時仿真模型

快速控制原型仿真的核心是建立控制器實時仿真模型，目的是在線調整控制器參數，快速驗證控制算法。在MATLAB/Simulink環境下，基于磁鏈的定子電流定向控制的實時仿真模型如圖6所示。

仿真模型主要包括dSPACE系統的I/O接口和控制算法兩部分。

圖6 基于磁鏈的定子電流定向控制的實時仿真模型

(1)I/O接口模塊:配置DS4302的CAN通信模塊，采集操縱控制器分配給右側電機的加速信號，作為控制給定。采用DS2202的4路并行AD實時轉換接口，得到三相電流 ia、ib、ic和母線電壓 VDC。通過DS2202F2D接口對增量式光電碼盤輸出脈沖的采集，轉速/位置模塊解算出當前電機轉子位置θ與轉速 n。空間矢量脈寬調制信號經過DS2202PWM接口送外圍驅動電路。

(2)控制算法模塊:速度調節器輸出轉矩期望，并根據磁鏈規劃曲線查表計算當前允許磁鏈。轉矩優化模塊根據上述算法計算得到直軸、交軸電流分量的控制給定，經過電流調節以及電壓前饋控制，得到交直軸控制電壓，再經過空間矢量PWM模塊計算逆變器上橋PWM控制信號。

3實時仿真試驗與分析

實驗用牽引電機參數:PN=100 kW，ψf=0．296 Wb，Ld=1．332 ×10-3H，Lq=3．966 ×10-3H，Rs=0．4 Ω，電機極對數 p=4，母線電壓 VDC=750 V。

圖7、圖8分別為采用本文提出的基于磁鏈規劃的控制算法與傳統的變結構矢量控制時轉矩、轉速響應曲線的對比圖。實驗給定目標轉速200 rad/s，電機帶200 N·m負載起動。采用傳統的變結構矢量控制時，在0．6 s時電機轉矩由最大值1 080 N·m突降至300 N·m并出現明顯振蕩回升，2．4 s后進入穩定弱磁狀態，相應地，電機轉速在轉矩波動過程中上升緩慢，進入穩定弱磁狀態后實現擴速，2．8 s達到200 rad/s。其中轉矩、轉速響應波動是由恒轉矩區向弱磁區切換時控制結構和算法的變換引起的，這與理論分析一致。采用本文提出的基于磁鏈規劃的轉矩優化控制后，1．2 s時由恒轉矩區自然過渡到弱磁區，轉矩變化平滑并遠大于傳統弱磁控制下的轉矩輸出能力，系統動態性能明顯優于傳統控制算法。

圖9、圖10分別為電機帶180 N·m負載起動過程中直、交軸分量變化曲線以及轉速響應曲線。低速時，電機恒轉矩運行，電流分量id=-186．4 A、iq=232．5 A基本保持恒定;隨轉速增加進入弱磁區后，直軸電流id進行弱磁，而后在磁鏈規劃曲線的作用下自動進行轉矩優化控制，電流減小，而交軸電流持續減小，直到最后穩定運行。圖11、圖12分別為加速過程中電機轉速響應曲線和轉扭-轉速關系曲線。可見，電機轉速平穩上升，電磁轉矩波動較小，實現了恒轉矩區和弱磁區之間的平滑過渡。

實驗結果表明，采用本文提出的基于磁鏈的定子電流定向控制算法，有效解決了PMSM在弱磁區和恒轉矩區控制切換的難題，算法簡單，運行穩定。

4結 語

在常規的履帶式電傳動車輛用電驅動系統的控制中，通常在恒轉矩區和弱磁區采用不同的控制算法，系統調速過程中需要進行變結構切換，切換過程中轉矩脈動較大。本文首次提出一種基于磁鏈規劃曲線的定子電流定向控制算法，在全速范圍內根據磁鏈規劃曲線和轉矩期望確定直交軸電流分量，進行電機轉矩優化控制和平滑調速，并借助于dSPACE和相關物理部件進行了快速控制原型仿真。結果表明該控制算法有效解決了上述問題，具有良好的控制效果，同時，為實際控制器的開發打下了基礎，為驅動控制系統的設計和開發提供了新思路和方法。

［1］ 劉春光．基于多平臺聯合的電傳動裝甲車輛建模與仿真研究［D］．裝甲兵工程學院，2008．

［2］ Enrico C．Design of solar high altitude long endurance aircraft for multi pay load＆ operations［J］．Aerospace Science and Technology，2006(10):541-550．

［3］ Alexander R．Diagonally implicit Runge-Kutta methods for stiff O．D．Es［J］．SIAM Journal on Numerical Analysisi(S0036-1429)，1977，14(6):1006-1021．

［4］ 盧子廣．電力驅動系統實時控制虛擬實驗平臺［J］．中國電機工程學報，2003，23(4):119-123．