電動輪驅動系統設計與控制策略研究

孫會來，金 純，張文明，田海勇，鄭舒陽

(1.北京科技大學，北京100083;2.中國北車股份有限公司，北京100083)

0 引 言

電動輪驅動控制系統是電傳動車輛的運行核心，當在牽引工況運行時，能量從柴油機、發電機傳遞到輪邊牽引電機，行駛路況復雜多變對牽引電機的控制提出了更高的要求，這種電傳動的方式廣泛應用于裝甲車、工程車輛、機車等領域［1～3］。牽引電機驅動系統與整車綜合性能匹配及合理控制策略的實施成為電傳動系統需解決的重要問題。

近年來，在廣泛應用的異步電動機控制中，各種智能方法得到了廣泛的應用。磁場定向控制始終是調速的基礎。基于自適應全階觀測器的轉子磁鏈觀測技術已經成為了一個熱門的研究課題。基于電機模型的開環磁鏈觀測，以及觀測器的閉環磁鏈觀測也被廣泛的采用和研究［4］。車輛行駛作為一個多工況的復雜驅動系統，電機設計及控制研究往往沒有很好結合在一起。

本文基于車輛牽引控制，從建立異步電機物理模型入手，建立了基于轉子磁場定向矢量控制方法的數學模型及實現方法。論述了基于Simulink 軟件的交流異步電機矢量控制算法與基于轉子磁場定向的矢量控制。針對行駛路況復雜多變的特點，提出了以功率為外環并通過斜坡給定的矢量控制策略，來控制車用異步牽引電機，硬件系統以數字處理器DSP 與CPLD 為核心，搭建了牽引異步電機實驗平臺，通過實驗驗證電機靜止加速起動工況，及車輛先加速行駛后減速行駛工況。實驗數據結果表明采用該控制算法的逆變器能夠適應負載的各種變化，滿足對路況復雜多變的要求。

1 基于轉子磁鏈的異步電機矢量控制方法

1.1 基于轉子磁場定向的異步電機數學模型

通常，交流異步電機在兩相旋轉坐標系d、q 下的數學模型時，只規定d、q 軸的相互垂直關系，并未確定交流異步電機旋轉磁場的相對位置。取d 軸與轉子磁鏈矢量ψr重合，而q 軸相對于d 軸逆時針旋轉了90°，成垂直關系，則轉子磁鏈矢量ψr與q 軸互相垂直，q 軸上的分量為零［5］。即:

將d 軸稱之為M 軸，垂直于d 軸的q 軸稱之為T 軸。這樣就用旋轉的M、T 坐標來代替d、q 坐標，稱之為按轉子磁鏈定向的旋轉坐標系。可以推出在M、T 坐標系下的異步電機電壓方程表達式:

1.2 M、T 旋轉坐標系下的矢量控制方程

由簡化的鼠籠型交流異步電機的電壓方程式可以推出轉子磁鏈的M 軸分量［6］:

由式(3)可以看出，轉子磁鏈只與電機定子電流的M 軸上投影分量iMs有關，稱其為定子電流的勵磁電流。同時，由式(3)可以看出，勵磁電流iMs和轉子磁鏈ψMr兩者之間存在一階慣性環節，與直流電機的勵磁繞組慣性相同，即當勵磁電流iMs變化時，轉子磁鏈ψMr的變化受勵磁慣性的影響。由式(2)第四行可以推出穩態時電機轉差:

轉矩方程:

在具體的控制電路中，可在轉速閉環后增加轉矩控制內環，可抑制磁鏈的擾動，提高轉速的響應速度。給定轉速nref與檢測轉速反饋量nfk的偏差經轉速PI［7］調節器輸出用于控制轉矩電流T 軸的給定分量iTref。電路中的磁鏈調節器用于對電機定子磁鏈的控制，并設置了電流變換和磁鏈觀測環節。電流反饋量的偏差經過電流PI 調節器，分別輸出M、T旋轉坐標系下的電壓分量再經過Park 逆變換［8］得到α、β 坐標系下的定子電壓矢量分量，經過SVPWM 技術，產生PWM 控制信號，最終控制電機定子的三相輸入電流。

2 基于功率外環的電傳動驅動系統設計

采用以速度為外環的控制策略，電機可以被控制在設定的轉速下平穩運行，但在程序仿真運行初始階段，由于速度的反饋量比較小，則會引起其與給定值偏差較大，從而導致電機在起動的瞬時電流波動較大，這樣會對車輛在起動的時候造成較大沖擊，可能引起逆變器的過流保護，使車輛無法起動。

基于以上分析，采用以功率為外環并通過斜坡給定的控制策略，實現對交流異步電動機的轉矩控制，控制系統總體設計如圖1 所示。由于在實際的車上速度傳感器一般采用光電式或磁電式，在低速時或是速度波動比較大時，速度信號的采集會受到很大影響。因此，本文采用功率為外環的矢量控制方法，功率的給定由油門踏板來控制，功率的反饋通過采集直流母線的電壓和電流信號得出。顯然電壓和電流信號的反饋要比速度信號精確、可靠，可以實時反應系統的實際功率。功率斜坡給定用于給定回路，限制給定信號的變化率，減小其與反饋值的偏差，從而限制電機轉矩變化率，減小電動機起動電流，保護機械結構。

圖1 基于功率外環的控制系統總體設計

3 交流異步電機矢量控制仿真

根據以上電機驅動系統的控制思路，建立MATLAB/Simulink 仿真框圖，其中選用軟件自帶的電機以及逆變器模塊，并根據具體實驗設備加以參數更改和匹配，最終組成交流異步電動機矢量控制仿真系統，如圖2 所示。

根據Simulink 模擬車輛由靜止到勻速行駛工況，系統的仿真模型結果如圖3 ～圖4 所示。圖3為電機轉速隨時間曲線，由圖中所示的波形可以看出，在轉子磁鏈矢量控制技術下，電機轉速平穩上升，有部分時間出現超調現象，但很快恢復最終穩定到目標轉速380 r/min。圖4 為電機扭矩隨時間變化輸出仿真曲線，由于電機本身的慣性，在起動的最初1 s 內電機出現超調，逆變器輸出三相電流在起動的時候偏大，但很快降到平穩狀態。通過上述仿真分析可知，采用矢量控制技術可以使電機快速平穩地達到一個平穩狀態，有利于車輛安全行駛。

圖2 交流異步電動機矢量控制仿真框圖

圖3 靜止起動電機轉速模擬曲線圖

圖4 靜止起動電機輸出扭矩模擬波形圖

4 試驗驗證

根據異步電動機矢量控制系統實驗原理框圖搭建實驗平臺，現場實驗平臺搭建如圖5 所示。在實驗中采用交流380 V 電網供電，通過可調變壓器將電壓調到所需要的數值上，然后通過整流器將交流整成直流電，采用功率為外環的矢量控制算法來控制牽引異步電機的動態特性。

圖5 異步電動機牽引實驗平臺

異步電機與直流發電機中間軸接一轉速轉矩傳感器，轉速信號作為反饋信號經過調理作為矢量控制系統的輸入信號，轉矩信號可反映電機的動態響應特性。通過調節發電機的勵磁來實現對不同負載工況的模擬，實驗中產生的能量可以由電阻散熱消耗。

該實驗平臺上可以完成模擬電機靜止加速起動工況，模擬車輛先加速行駛后減速行駛工況。在牽引實驗時功率給定由電位器調節，電壓、電流、轉速以及轉矩由相應的傳感器檢測采用CAN 總線與上位機和其它控制單元進行通信。通過軟件可以獲得功率給定與反饋、id給定與反饋、iq給定與反饋、逆變器輸出電流、直流母線電壓和電流、轉速、PI 控制器輸出量等參數。

(1)實驗模擬自卸車空載起動過程

當車輛由靜止起動時，為保證車輛的平穩起動，則逆變器不能出現超調、振蕩以及過流保護現象。基本空載實驗時首先通過電位器調節功率給定值，設定好勵磁調節初始值，然后起動異步電動機，待電機運行平穩時停止實驗。圖6 為實驗過程中電機輸出轉速變化曲線，從圖中可以看到電機轉子由靜止很快上升到380 r/min 左右，由于內部PI 控制器作用，開始時轉速有稍許波動，但經過大約10 s 左右逐漸穩定，系統運行平穩。從圖7 的電機輸出扭矩波形可以看出，沒有出現較大波動，在接受范圍內。電流在起動的瞬時也沒有出現過流、超調現象，隨著轉速升高，電流波形變化頻率逐漸變快，最后趨于穩定。通過空載起動實驗可以看出，電機動態響應良好，說明采用功率外環矢量控制的異步電動機可以平穩地實現靜止加速起動。

圖6 電機輸出轉速變化曲線

圖7 電機輸出扭矩變化曲線

(2)實驗模擬自卸車加速減速過程

車輛在平直路面行駛時，假設路面摩擦系數不發生變化，當駕駛員想加速行駛，通常加大油門，這時發動機輸出的功率會提高，同時扭矩也會相應提高，車輛將獲得一定的加速度。減速行駛過程正好相反。實驗時通過控制功率電位器給定，讓給定功率先逐漸提高后逐漸減小，則電機輸出功率也會隨著時間先增加再減小。

圖8 為電機輸出轉速變化曲線，電機轉子轉速呈現先升高再降低變化趨勢。圖9 為電機輸出扭矩變化曲線，在實驗過程中扭矩響應迅速，沒有出現太大的波動。從圖10 的逆變器輸出三相電流變化曲線也可以看出，實驗過程中電流波形變化平穩，沒有過流、逆變器保護等現象。通過車輛先加速行駛后減速行駛工況實驗可知，該控制策略能較好地完成車輛加減速要求系統運行平穩。

圖8 電機輸出轉速變化曲線

圖9 電機輸出扭矩變化曲線

圖10 電機輸出扭矩變化曲線

5 結 語

本文根據車輛牽引控制，建立異步電動機物理模型，并建立了基于轉子磁鏈的電機控制策略模型。提出了以功率為外環的系統矢量控制策略，基于Simulink 進行了交流異步電動機矢量控制算法建模與仿真。搭建了異步電動機實驗平臺，模擬了電機靜止加速起動工況，車輛先加速行駛后減速行駛工況。結果表明，基于轉子磁場定向的矢量控制可以解決礦用電動輪自卸車輪邊交流牽引電機在動態運行過程中對輸出扭矩實時控制的問題，能夠適應負載的各種變化，該方法具有響應速度快、魯棒性強、穩態性良好等優點。

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