電動拖拉機驅動控制系統建模與仿真分析

趙崇付，司金冬，龔立嬌

（石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子832000）

0 引言

農業機械化是實現農業現代化的重要一環，目前我國農業機械整體還是以燃油動力農機為主。然而燃油動力農機產生的尾氣會嚴重污染環境，且尾氣中含有的氮氧化物會給農作物生長帶來危害，降低農作物產量[1-2]。因此，為完成國家“十四五”規劃“加快推動綠色低碳發展”這一重點任務，研發綠色動力農機意義重大。

拖拉機作為最主要的農業動力機械，其技術發展水平在很大程度上可以體現出一個國家的農業現代化程度[3]。電動拖拉機作為一款新型農機，因具有低噪音、零排放、高效率、操作方便、適合大棚作業等諸多優點[4]，可廣泛應用于多種農業生產環節。

1 電動拖拉機驅動控制系統模型建立

永磁同步電機相比于其他類型電機有很多優點，如啟動轉矩大、體積小、噪音低、效率高、調速范圍寬、過載能力強等[5]，適合作為電動拖拉機的驅動電機。對于永磁同步電機的主要控制策略可分為直接轉矩控制和矢量控制，由于矢量控制在電機動態運行過程中轉矩響應快，低速控制性能較好，而直接轉矩控制在低速時轉矩脈動大[6]，所以電動拖拉機的驅動控制系統采用矢量控制更適合。

1.1 永磁同步電機矢量控制原理

矢量控制技術最開始應用于感應電機，其基本思想是將直流電動機控制方法應用于三相交流電動機，在磁場定向坐標上，將電流矢量分解成相互垂直，彼此獨立的勵磁電流分量和轉矩電流分量，使控制系統的數學模型變得簡單，便于計算[7]。PMSM矢量控制系統的結構框圖如圖1。

圖1 PMSM矢量控制框圖

1.2 MTPA控制策略的實現

為使電動拖拉機工作過程中的控制效果更好，本文采用矢量控制中的最大轉矩電流比（MTPA）控制策略對PMSM進行控制。要實現MTPA控制，首先需要求解最大轉矩電流比軌跡上的id、iq的解析值，將問題轉化為求解如下極值問題[8-9]：

對任一給定轉矩Te，都可以根據式（6）和式（7）求得對應的最小電流id、iq分量，把此值作為電流環控制的指令值，便可實現PMSM的最大轉矩電流比控制。式（6）和（7）均為一元四次方程，直接計算較為復雜，工程實現困難，本文采用查表法，通過提前制作轉矩電流對應的表格供處理器查詢來實現MTPA控制策略。

查表法具體實現步驟如下：借助MATLAB中的ezploy函數畫出id、iq與Te的關系曲線，之后提取曲線中的對應數據關系并對數據進行處理，再將處理后數據導入1-D Lookup Table模塊中，從而得到MTPA控制的查找表。將表1電機參數代入式（6）和式（7），并將下列語句輸入在MATLAB命令行窗口。

h=ezplot('0.0001.*iq.^4+8.*Te.*0.276/12.*iq-16.*Te.^2/144=0'，[-100，100]);

將處理后數據制成一維查找表，如圖2。

圖2 MTPA控制原理實現圖

如圖3，在Simulink中將上述模塊整合在一起就得到基于MTPA控制的PMSM矢量控制系統仿真模型。

圖3 基于MTPA控制的PMSM矢量控制系統仿真模型

2 基于MTPA控制策略的控制系統仿真分析

為探究MTPA控制策略的優越性，與傳統矢量控制方法id=0進行了對比。在同等的條件下進行仿真，設置仿真時間為0.5 s，SVPWM采樣周期Ts設置為0.00005s，轉速指令和負載變化如圖4。

基于id=0和MTPA控制策略的永磁同步電機驅動控制系統的轉速、轉矩及dq軸電流仿真波形如圖5、圖6。

由圖5可以看出兩種控制策略均能按給定條件實現速度的快速跟隨且均沒有穩態誤差，由截取的波形圖可以看出基于MTPA控制策略的控制系統的電機動態響應更快。

圖4 轉速指令和負載變化

圖5 MTPA與id=0控制速度波形

圖6 MTPA與id=0控制轉矩波形

圖7 MTPA與id=0控制交、直軸電流波形

由圖6可看出在電機起動過程中采用MTPA控制策略的啟動轉矩比id=0控制啟動轉矩大，并且在速度變化時MTPA控制策略的輸出轉矩也更大。由此可知，MTPA控制更適合對輸出轉矩要求高的場合。

由圖7可知，id=0控制在仿真過程中，直軸電流id只在速度和負載指令突變時出現波動，在穩態階段保持為0，交軸電流始終大于MTPA控制的交軸電流，并且MTPA控制的直軸電流id始終為負值，起到了弱磁作用，使磁阻轉矩為正，增大電機輸出電機轉矩。MTPA控制策略合成電流要小于id=0控制的合成電流，所以在同樣的電流限制條件下MTPA控制輸出轉矩更大，MTPA控制策略的效率更高。

3 控制系統的實際應用

電動拖拉機除了要進行運輸作業，還要完成田間作業如犁耕、旋耕、開溝、除草、鋪膜、播種等[3，11]。拖拉機在實際作業過程中受到的負載轉矩與作業時路面坡度、田間土壤阻力變化、耕種，開溝作業的寬度和深度等多種因素有關，所以電動拖拉機在實際應用中應具有作業負荷能力強，輸出轉矩大等特點。

為驗證所設計電動拖拉機驅動控制系統可以進行不同田間作業，進行了如下仿真分析。電機功率選用10 kW，可應用于小型電動拖拉機的PMSM。為了有效利用MTPA控制，選用內置式PMSM，其為凸極機，存在磁阻轉矩，PMSM參數如表1。

表1 電機參數

對電機加不同負載轉矩，觀察轉速是否可以快速恢復到穩定狀態。設置電機啟動時的負載轉矩為5 N·m，每0.2 s增加10 N·m負載轉矩，轉速設置為恒定轉速1 000 r/mim，總仿真時間設置為1 s，仿真結果如圖8。

圖8 負載轉矩對轉速的影響

仿真表明：本文設計的基于MTPA控制的電動拖拉機驅動控制系統的電機輸出轉矩符合動力性能的需求。由仿真圖可以看出負載變化時，電機轉速可以在很短時間內恢復到穩定運行狀態，可以滿足多種不同負載要求的作業，并且可以滿足負載不斷波動的作業要求。

4 總結

相比于id=0矢量控制策略，電動拖拉機驅動控制系統采用MTPA控制策略更合適，其電流分配更合理，充分利用了內置式永磁電機的磁阻轉矩，動態響應效果更好，在轉矩相同條件下，輸出電流更小，可以減小電機損耗，提高系統的效率。仿真實驗證明了在各類對電機轉矩輸出能力有要求的工程應用場合中，MTPA控制比id=0控制有著更大的應用價值，本文所設計的基于10 kW小型電動拖拉機的控制系統可以完成實際應用中多種類型作業。