電動輪車輛交流傳動控制系統設計分析

韓懷陽，段尊敬

1 引言

電傳動車輛以其巨大的裝載量，在工程機械、礦山開采運輸、大型建筑工程項目等應用越來月普遍。而且，隨著車輛噸位的不斷增加，車輛的功率等級也在不斷增長。目前直流驅動電傳動技術已經十分成熟，但是由于受相對高額的養護費用及驅動方式的局限，使得運輸成本大大增加，直流驅動電傳動已經沒有太多的效益潛能可供挖掘[1]。隨著大功率高集成度的GTO或IGBT逆變器的發展應用，交流驅動電傳動汽車成為發展趨勢，交流傳動使得牽引電機將擁有更快的速度、更高的功率密度、可靠性、效率和更低的維護成本。目前，國內外學者對交流傳動進行了一定的研究，文獻[2]基于晶閘管斬波調速技術，勻速調整動力傳遞系統終端電機的端電壓，從而控制其電流，實現對其的無極調速；文獻[3]采用查詢電壓矢量的方法來對定子磁鏈和電機轉矩同時進行調節，從電壓矢量表中直接查出應加的電壓矢量對應的開關信號，以此來控制逆變器；文獻[4]考慮了磁鏈飽和和電感線圈損耗等非線性條件，設計轉矩控制方法，由于采用砰砰不連續控制，系統在零誤差狀態下不能正常工作；文獻[5]借助于自適應控制方法可以降低矢量控制易受電機參數變化和各種擾動（負載擾動）的影響的缺點，提高系統的魯棒性。根據交流電傳動電動輪車輛的性能要求，分析交流電傳動系統的組成；運用電機學理論和變頻調速以及矢量控制理論，解決電傳動車輛交－直－交系統中交流電動機與柴油發動機扭矩－轉速曲線匹配的問題；設計基于TMS320LF2401A的硬件控制系統；并根據上述對交流電傳動系統的分析設計了等比例小功率交－直－交傳動試驗，對交流傳動控制系統進行驗證。

2 交流傳動系統

2.1 交流傳動原理

電動輪車輛柴油機輸出取決于車輛工作模式和載重。經發電機產生的交流電經大功率可控硅整流成為直流電，再經濾波，直流電被送到逆變器，每個逆變器為一臺電動機提供動力，如圖1所示。由圖1可知，逆變系統作為交流傳動的一個重要組成部分，其中交一交變頻器實現從交流到交流；GTO變流器實現交一直一交；IGBT變流器實現直-交-直流濾波輸出[6]。因為整流器是不可逆變的，因此，動力傳遞控制系統要將制動電能控制在需用的額定值內。驅動控制單元除了通過矢量算法控制逆變器和交流電動機以外，還要根據車輛的運行情況來優化發動機的性能。

圖1 交流傳動系統示意圖Fig.1 Schematic Diagram of AC Drive System

2.2 控制原理分析

由電機學原理可知，多相異步電機一相的等效電路，如圖2所示。可以看出異步電機的等效電路是分析穩態條件下異步電機性能的重要工具[7]。圖中，Us為定子電壓；Ls，Lr，Lm分別為定子的漏電感，折算到定子側的轉子漏電感和勵磁電感；Eg為氣隙感應電勢；s為轉差率。

圖2 三相異步電動機一相的等效電路Fig.2 Equivalent Circuit of Three-Phase Asynchronous Motor

式中：ms—電機的相數，cosφ—輸入功率因數。

因為輸出功率是電機轉矩Te和轉子機械角速度wm的乘積，所以電機轉矩Te可表示為：

式中：pn—電機的極對數；wm—轉子機械角速度；wr—轉子電氣角

速度；we—定子供電角頻率。

將式（6）帶入式（7）可得：

對式（8）進行求導，令d Te/ds=0，從而解出產生最大轉矩時的轉差率 Sm，即

可得電動機狀態時的最大轉矩Tem和發電機狀態時最大轉矩 Teg，即

每相定子繞組感應電動勢的有效值為：

式中：Φm—每極氣隙磁通量；Ns—定子繞組；kw—繞組系數，對于一個實際電機來說，Ns和kw—常數，因此氣隙磁通Φm與Eg/we成正比。

綜上分析可得，電機定子電壓、電流、轉差頻率和轉矩與速度的關系，如圖3所示。

圖3 電機定子電壓、電流、轉差頻率和轉矩與速度的關系Fig.3 Relationship Between Stator Voltage Current，Torque and Speed

由圖可知，在基頻以下運行于恒轉矩區，電壓隨頻率的增加而增加，為了實現額定轉矩不變需保持氣隙磁通恒定，因此在保持電壓頻率比一定時，加入了補償定子壓降的電壓；在恒轉矩區轉差頻率和定子電流保持一定，定子電流為額定電流，電機的電磁功率也隨頻率的增加而增加。在基頻處，定子電壓和頻率增長到額定值[8]。基頻以后，電壓保持額定不再增加，隨著系統頻率增大，其內的氣隙磁通將會減弱，而轉差頻率將呈現線性增加的趨勢，而系統的電流達到額定值并保持恒定，整機在在弱磁區內的恒功率區間。

2.3 控制器選擇

矢量控制和直接轉矩控制框圖，如圖4所示。

圖4 控制系統框圖Fig.4 Block Diagram of Control System

由圖可知，二種策略均以電機模型為基礎，速度和轉矩分別作為控制的內外環，達到加快轉矩響應的目的[9]。二者的差異主要體現在，前者通過坐標變換，使用解耦方法對模型進行簡化處理，采用間接控制，通過控制電流和磁鏈以實現對轉矩的控制，過程相對復雜，響應速度慢；而后者，直接對轉矩進行控制調節，將其測試值與設定值進行滯環比較，并將對比結果的波動幅度控制在一定范圍內。二者控制需要使用轉子的電阻和電感，造成系統易受參數影響，此處選用現場可編程門陣列（FPGA）的硬件實現技術實現對電機的控制。電機速度控制器系統的集成化結構，如圖5所示。既可以實現速度控制，又可以對電流單獨控制，可以與其他系統結合使用。

圖5 異步電機速度控制器系統的集成化結構Fig.5 Integrated Structure of the Speed Controller for Induction Motor

3 交流傳動控制系統硬件設計

根據控制理論、超大規模集成電路技術的發展和電傳動控制系統的需要，硬件選用TI公司的數字電機專用控制芯片系列TMS320F24X，芯片內安裝有DSP內核，可進行高速運算，并可以實現對電機控制。采用TMS320LF2401A為控制芯片的主控制電路設計圖，如圖6所示。

圖6 主控制電路設計Fig.6 Main Control Circuit Design

交流傳動控制系統采用電流跟蹤型PWM控制算法，分為主程序和中斷服務程序，前者主要解決程序的初始化，后者用于產生PWM[10]，流程，如圖7所示。

4 交流傳動試驗

基于實驗室等比例小功率交流電傳動實驗臺，實現對交流電傳動車輛不同工況下的運行情況進行分析，并對所設計控制系統進行研究。試驗測試系統電路圖，如圖8所示。以一臺成品變頻器帶動一臺15kW變頻電機，模擬一臺柴油發動機，可通過調節速度來模擬柴油發動機的怠速、加速、勻速和減速過程；以一臺11.5kW三相交流發電機模擬裝車的大功率三相交流發電機；對三相交流發電機的勵磁電流進行全波調相控制，對三相交流輸出進行全波整流，形成電壓可調的直流電源；以直流電源為輸入，同時連接二組逆變器，分別驅動二臺4kW的三相交流異步電動機；二臺4kW的三相交流異步電動機分別通過減速機帶動二個飛輪，模擬實際的負載（車的自重及裝載）；根據矢量控制技術，結合嵌入式實時控制系統的特點和驅動電路的特性，實現對驅動電機的控制；通過轉速、轉矩傳感器以及功率測量設備，實現系統的實時數據采集。所采集的數據送邏輯控制單元。

圖7 程序流程圖Fig.7 Program Flow Chart

圖8 交流驅動試驗臺Fig.8 AC Drive Test Rig

圖9 實驗結果Fig.9 Test Result

給定不同的轉速，通過調節測功機勵磁電流給電機加載，繪制機械特性曲線，如圖9（a）所示。電機有較硬的機械特性，隨著負載扭矩的增大，電機速降小于5%。說明此類電機對復雜路況的適應性較強。電機外特性曲線，如圖9（b）所示。基頻以下，電機為恒轉矩工作區；基頻以上，處于恒功率工作區；黃線為通過堵轉試驗得到的電機啟動特性。圖9（c）為電機調頻特性曲線，在低頻區間通過電壓補償，提高電機輸出轉矩，實現基頻以下恒轉矩輸出；基頻以上保持電壓為額定值，使磁通與頻率成反比例降低，實現弱磁恒功率調速。圖9（d）為不同負載功率工況下電機的輸出轉矩特性，即T=f（p），f為電機頻率，電機輸出轉矩與輸出功率呈線性正比關系。效率特性包括系統效率和電機效率。交流電機系統效率達到91%左右，效率隨著功率等級的提高有增大趨勢，體現了交流系統的效率優勢。經過穩態運行測試，從發動機飛輪到輪邊電機的交流電傳動系統效率達到79%，隨著傳動系統功率等級的增加，系統效率還將進一步提升，相比于傳統的機械傳動系統和直流傳動系統來說，采用交流傳動具有更高的系統效率。

5 結論

根據交流電傳動電動輪車輛的性能要求，分析交流電傳動系統的組成及控制原理；運用電機學理論和變頻調速以及矢量控制理論，對就流傳動控制系統進行設計，解決電傳動車輛交－直－交系統中交流電動機與柴油發動機扭矩－轉速曲線匹配的問題；設計基于TMS320LF2401A的硬件控制系統；并根據上述對交流電傳動系統的分析設計了等比例小功率交－直－交傳動試驗，對交流傳動控制系統進行驗證。結果表明，輪邊電機表現出良好的動力性能，且其效率達到91%左右，從發動機飛輪到輪邊電機的交流電傳動系統效率達到79%，體現了交流系統的效率優勢，交流傳動具有更高的系統效率，表明，交流電動機與柴油發動機扭矩－轉速曲線匹配良好，為下一步實車檢測提供參考基礎。