車輛電氣牽引系統控制研究

程超，羅嘯，歐彥汐

（吉利學院，四川 成都 641402）

隨著車輛智能控制技術的發展，進一步提高車輛電氣牽引系統控制的穩定性和輸出可靠性，采用電機和電氣功率參數分析的方法，建立車輛電氣牽引系統控制的磁力損耗參數分析模型，結合模糊度特征匹配技術，實現車輛電氣牽引系統控制，提高車輛的電力驅動和傳動控制能力，相關的車輛電氣牽引系統控制方法研究具有重要意義[1]。車輛電氣牽引系統控制過程是一種多變量、非線性的控制過程，通過磁力損耗參數分析，建立PID控制律，結合強耦合的過程控制方法，采用阻尼控制，實現車輛電氣牽引系統控制，但傳統方法進行車輛電氣牽引系統控制的穩定性不好[2]，對此，本文提出基于同步磁阻電機阻抗調節的車輛電氣牽引系統控制方法。首先采用鐵損電阻在線辨識的方法，建立車輛電氣牽引系統控制的參數分析模型，求解鐵損電阻的參數信息，建立車輛電氣牽引系統的電機數學模型，根據參數自適應調節結果，實現車輛電氣牽引系統控制律優化設計。最后進行實驗測試展示其優越性。

1 控制模型對象和參數分析

為了實現車輛電氣牽引系統控制，采用基于擴展卡爾曼濾波控制方法進行車輛電氣牽引系統的參數設計，運用變系數多項式控制方法，進行車輛電氣牽引系統控制的參數解析，求解車輛IGBT的電流載荷[3]，車輛電氣牽引的輻射磁矩可以表示為：

其中，ω為車輛電氣牽引系統控制串聯閥系統參數，M˙為車輛牽引的力矩參數，R為電氣系統的阻抗，θ為吊掛載荷擺角，K為慣性力矩，j為自由度，使用非線性控制器，車輛電氣牽引系統的單質點吊掛載荷控制目標函數為：

結合上、下橋臂和閥基控制，在車輛電氣牽引的永磁無刷直流電機機組中，MMC中換流橋臂的電磁耦合模值為：

其中，χ表示旁路晶閘管的配置慣性參數，引入橋臂電抗器的可靠度函數，得到車輛電氣牽引系統的永磁無刷直流軸向相移為：

考慮到車輛電氣牽引系統控制的漏磁系數k1，得到車輛電氣牽引系統控制的過程傳動模型，引入電機模型，得到傳動控制的勵磁電感電流為：

其中，μ表示勵磁電感電流傳遞系數，e－χ表示轉子定向參數，引入轉差頻率檢測模型，得到了車輛電氣牽引的幾何參數模型，通過磁鏈和轉矩的耦合控制方法，建立車輛電氣牽引系統的穩態分析模型，在牽引控制模型中，把牽引控制區域分為三個區域，計算轉子電阻和轉子漏感，得到全磁場矢量為：

在磁鏈控制滿足收斂條件的情況下，得到輸出的轉矩參數是一定的，對磁鏈和轉矩的控制出現了耦合，為了使得電感達到最小，計算穩態時轉子磁鏈，得到勵磁電感電流觀測參數，計算控制系統的電樞反應和定／轉子鐵芯磁阻，通過勵磁電感電流，可以估算為：

其中，μ0為滑模控制量，h為濾波傳遞函數，α為坐標軸分量，當時，Hrc＝0。采用串并聯方法建立子模塊，對垂直磁偶極子輻射反射磁場的徑向分量進行特征分解，直至串聯閥組中子模塊旁路數輸出最小，使得牽引系統的轉矩最小化，計算橋臂電抗器的可靠度參數，得到假設電機的永磁體剩余磁密 Br，通過 k／n（G）模型來計算磁密，由此，建立車輛電氣牽引系統控制的MMC物理結構可靠性分析模型，根據車輛電氣牽引系統控制參數解析，進行車輛電氣牽引系統控制過程優化設計[4]。

2 車輛電氣牽引系統控制律優化設計

建立車輛電氣牽引系統的穩態分析模型，通過系統的穩態及動態性能，實現同步磁阻電機阻抗調節，構建車輛電氣牽引整個橋臂的可靠性分析模型，依據車輛電氣牽引橋臂分布，考慮電流載荷影響，得到電磁轉矩計算式表達為：

上式中，x為車輛電氣牽引橋臂的載荷分量，M為車輛電氣牽引橋臂的電機電磁轉矩，r為車輛電氣牽引橋臂的漏磁系數，K為電流載荷的實時變化損耗，z為非正弦磁密，車輛牽引控制系統的磁矩M和系統的工作頻率ω成反比關系，由此得到MMC交流側電流的N個隨機樣本，令：

其中，Po為功率變化的實時參數，Msr為不斷變化的電流載荷，得到車輛電氣牽引系統控制在最大功率傳輸目標下的互感值為：

其中，Rp表示滑模等效控制量為飽和參數，計算下標α、β表示對應的坐標軸分量。根據上述模型及算法設計，引入解耦補償方案，得到勵磁電感電流的觀測結果，計算定子電流誤差項，在電－氣綜合能源系統電力側的直驅控制下，建立信息節點的耦合關系分析模型，得到電動汽車有序充放電PVDCO直流側輸出表達式分別為：

其中，N為整個系統的設備控制參數分布序列長度，即1024；ti為第i個車輛電氣牽引系統控制采樣時刻點的時間序列長度；；yi為第 i個采樣值；oi和oi′分別為車輛電氣牽引系統控制的部采樣值均值，表示線路ik電流幅值平方，在N個發電單元串聯機構中，得到納維葉-斯托克斯動量參數估計值y′，計算車輛電氣牽引橋臂的動力電控制參數，得到符號參數值根據上述模型設計，構建運行模型通過充放電過程參數，根據參數自適應調節結果，實現車輛電氣牽引系統控制律優化設計。

3 實驗測試分析

為了驗證本文方法在實現車輛電氣牽引系統控制的實際應用效能，進行了實驗測試分析，設定車輛電氣牽引的負荷量為1278KN．s，牽引控制的持續時間段數為16，電氣牽引測試節點的參數配置見表1。

表1 電氣牽引測試節點的參數配置

根據表1的參數配置，進行車輛電氣牽引系統控制，得到控制階躍指令分布曲線如圖1所示。

圖1 控制階躍指令分布曲線

根據控制指令參數輸入，建立車輛電氣牽引系統的穩態分析模型，進行系統的穩態及動態性能分析，得到控制性能參數見表2。

表2 控制性能參數解析結果

測試點 功率增益／d B損耗／K W力矩／K N．m輸出功率／K W測試點 6 1 2 5 3 2．1 3 1 8 4 1 6．1 0 7 1 1 6 7 0．3 0 6 5 2 3 6．1 9測試點 7 1 3 2 2 4．7 4 0 1 4 9 9．2 6 2 4 1 6 6 7．7 5 4 7 2 4 0．5 2測試點 8 1 3 3 3 1．8 4 5 7 4 3 0．6 3 5 8 1 6 2 7．6 6 7 6 2 7 2．3 7測試點 9 1 3 2 4 2．1 0 7 6 4 7 9．8 0 0 9 1 6 3 8．4 1 7 6 2 1 8．0 2測試點 1 0 1 2 4 0 2．3 7 0 7 4 4 2．5 9 6 0 1 6 2 1．2 9 2 3 2 1 0．2 3測試點 1 1 1 3 2 5 8．1 5 9 7 4 5 2．6 3 8 4 1 6 4 5．9 6 9 2 2 6 6．9 5測試點 1 2 1 3 3 3 9．3 0 7 8 4 9 0．5 8 5 2 1 6 2 6．6 6 4 1 2 6 3．8 3測試點 1 3 1 3 0 0 0．8 4 1 2 4 2 2．7 7 4 4 1 6 3 9．2 2 1 4 2 8 8．9 6測試點 1 4 1 2 4 9 2．0 8 6 5 4 5 7．6 1 1 2 1 6 6 0．3 9 8 3 2 7 2．2 5

分析表2得知，本文方法進行車輛電氣牽引系統控制的自適應性能較好，參數穩態調節能力較強，測試控制收斂性，對比結果如圖2所示。

圖2 收斂性測試對比

分析圖2得知，本文方法進行車輛電氣牽引系統控制的收斂性較好。

4 結論

本文建立了車輛電氣牽引系統控制的磁力損耗參數分析模型，結合模糊度特征匹配技術來實現車輛電氣牽引系統控制，提高車輛的電力驅動和傳動控制能力。提出基于同步磁阻電機阻抗調節的車輛電氣牽引系統控制方法，從而實現車輛電氣牽引系統控制律優化設計。通過分析得知，本文的方法收斂性較好，提高了車輛電氣牽引系統的穩態工況能力。