車用異步電機(jī)效率優(yōu)化控制策略研究

林立+朱赟駿+趙海艷

摘 要：為了提高車用異步電機(jī)系統(tǒng)的效率，增加一次充電續(xù)行里程，本文基于異步電機(jī)損耗模型，將異步電機(jī)損耗列為目標(biāo)函數(shù)，得出輸入功率與轉(zhuǎn)子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系，基于偏微分理論，獲得最優(yōu)控制磁鏈，實(shí)現(xiàn)基于損耗模型的異步電機(jī)最優(yōu)磁鏈控制。建立系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明基于損耗模型最優(yōu)磁鏈控制的異步電機(jī)系統(tǒng)效率獲得了一定程度的提升。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；異步電機(jī)；效率優(yōu)化；損耗最小控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.234

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境污染和能源危機(jī)成為不可忽略的問題，發(fā)展新能源電動(dòng)汽車具有廣闊的前景[1-2]。異步電機(jī)因結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在軌道交通、電動(dòng)汽車、暖通空調(diào)、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在電池大量儲(chǔ)能沒有根本解決的情況下，提高車用異步電機(jī)系統(tǒng)效率，增大一次充電續(xù)行里程，成為目前研究熱點(diǎn)[3-4]。本文基于異步電機(jī)損耗模型，將異步電機(jī)損耗列為目標(biāo)函數(shù)，得出輸入功率與轉(zhuǎn)子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系，基于偏微分理論，獲得最優(yōu)控制磁鏈，實(shí)現(xiàn)基于損耗模型的異步電機(jī)最優(yōu)磁鏈控制。依據(jù)模型損耗最優(yōu)磁鏈控制原理，建立系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明基于損耗模型最優(yōu)磁鏈控制的異步電機(jī)系統(tǒng)效率獲得了一定程度的提升，從而可以增加一次充電續(xù)航里程，對(duì)于電動(dòng)汽車的推廣具有重要的意義。

1 計(jì)及鐵損的異步電機(jī)仿真模型

常規(guī)異步電機(jī)控制一般不考慮鐵損，影響了異步電機(jī)的控制性能[5]。本文考慮計(jì)及鐵損的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，開展鐵損和銅損平衡時(shí)效率優(yōu)化控制研究，以提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。本文在靜止坐標(biāo)系上建立考慮鐵損的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，計(jì)及鐵損的異步電機(jī)模型，用一個(gè)純電阻代替定子鐵損，據(jù)此建立考慮鐵損的異步電機(jī)的仿真模型為：

2 損耗最小效率優(yōu)化控制策略

2.1 損耗最小效率優(yōu)化最優(yōu)磁鏈

異步電機(jī)的損耗主要包括定子銅損、定子鐵損、轉(zhuǎn)子銅損、機(jī)械損耗和雜質(zhì)損耗。本文主要是優(yōu)化定子銅損、定子鐵損和轉(zhuǎn)子銅損，因此，根據(jù)電機(jī)原理和計(jì)及鐵損的異步電機(jī)模型將總損耗計(jì)算出來，得到一個(gè)關(guān)于轉(zhuǎn)子磁鏈的凹函數(shù)，具體如下：

2.2 損耗最小效率優(yōu)化控制系統(tǒng)

損耗模型法控制策略是用求得的最優(yōu)磁鏈去控制異步電機(jī)從而達(dá)到效率優(yōu)化的一種算法。首先根據(jù)異步電機(jī)原理和計(jì)及鐵損的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型將異步電機(jī)損耗列成目標(biāo)函數(shù)，得出輸入功率與轉(zhuǎn)子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系；然后對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行分析，得出在電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的前提下，目標(biāo)函數(shù)是轉(zhuǎn)子磁鏈的凹函數(shù)。基于偏微分理論，求得函數(shù)最小值的最優(yōu)磁鏈。最后將最優(yōu)磁鏈作為系統(tǒng)設(shè)定去控制異步電機(jī)，從而達(dá)到效率優(yōu)化的目的。損耗模型法控制策略的框圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

仿真參數(shù)如下：異步電機(jī)額定參數(shù)：電壓380V、頻率50Hz、極對(duì)數(shù)2，鐵損等效電阻Rm=5，定子電阻Rs=0.435，定子漏感Lls=0.002mH，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.816，轉(zhuǎn)子漏感Llr=0.002mH，互感Lm=0.069mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.19kg·m2 定子繞組自感Ls=Lm+Lls=0.069+0.002=0.071mH，轉(zhuǎn)子繞組上的自感為Lr=Lm+Llr=0.071mH，

控制參數(shù)：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的參數(shù)：比例放大器放大倍數(shù)為3.8，積分放大器放大倍數(shù)為0.8；轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR的參數(shù)：比例放大器放大倍數(shù)為4.5，積分放大器放大倍數(shù)為12；磁鏈調(diào)節(jié)器AR的參數(shù)：比例放大器放大倍數(shù)為1.8，積分放大器放大倍數(shù)為100。

將上述參數(shù)代入系統(tǒng)模型，1.5秒后切入基于損耗模型法的控制策略。電機(jī)給定轉(zhuǎn)速為100r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為5N·m，仿真時(shí)間設(shè)為5s，仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

由仿真結(jié)果可知，經(jīng)過1s后，電機(jī)穩(wěn)定在100r/min，系統(tǒng)能夠按照轉(zhuǎn)速給定運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩能夠維持穩(wěn)定，電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩為5N·m。由圖3可知，磁鏈由最初的1.5Wb經(jīng)過尋優(yōu)后下降到0.51Wb，跟理論值相吻合。

由以上分析可知：切入控制策略后，功率由最初的120W下降到112W，效率由最初的43.6%提高到47.0%，效率提高了3.4%。

4 結(jié)論

從仿真結(jié)果可以得到：將電機(jī)的轉(zhuǎn)速給定為100r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為5N·m時(shí)，基于損耗模型最優(yōu)磁鏈控制的異步電機(jī)系統(tǒng)效率提高了3.4%，說明損耗模型法控制策略可以提高異步電機(jī)的效率，從而增加一次充電續(xù)航里程，對(duì)于電動(dòng)汽車的推廣具有重要的意義。

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