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引言

電動汽車以電能為能源,具有零排放、無污染的突出優點,開發前景十分廣闊。高密度、高效率、寬調速的車輛牽引電機及其控制系統,既是電動汽車的心臟,又是電動汽車研制的關鍵技術之一,是提高電動汽車的驅動性能、行駛里程及可靠性的根本保證。交流異步電機因具有結構簡單、價格低廉、堅固耐用、運行可靠、易于維護等優點,已成為動力驅動系統的主流。其中,異步電機直接轉矩控制技術控制思想新穎,結構簡單,控制手段直接,是一種具有良好的靜態與動態性能的交流調速方法,已成為交流調速傳動中的研究熱點,其作為電動汽車驅動電機的應用越來越普遍。

本文將直接轉矩控制技術應用于電動汽車,建立了異步電機數學模型,并搭建電動汽車用異步電機直接轉矩控制系統的仿真模型,詳細介紹了模型中各個子模塊的組成和功能,并進行電機運行仿真。仿真結果表明,控制系統動態響應迅速,調速性能良好,驗證了控制系統的正確性。

1異步電機數學模型

本文電動汽車的變頻調速系統采用交流鼠籠式異步電機作為驅動電機。異步電機是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統,因此在研究其數學模型時做些允許范圍內的假設。異步電機在兩相靜止α-8坐標系下的數學模型:

（1）磁鏈方程:

式中,wsα、ws8、wrα、wr8、isα、is8、irα、ir8分別為α-8坐標系下的定、轉子磁鏈和電流:Ls、Lr、Lm為α-8坐標系下的定、轉子電感和互感。

（2）電壓方程:

式中,usα、us8、urα、ur8分別為α-8坐標系下的定、轉子電壓。

（3）異步電機的電磁轉矩方程:

式中,7e為電磁轉矩:p為電機的極對數。

（4）異步電機的運動方程:

式中,7L為負載轉矩:J為電機的轉動慣量。

2直接轉矩控制系統原理與建模

異步電機直接轉矩控制系統結構如圖1所示,通過磁鏈和轉矩滯環輸出信息結合定子磁鏈所處扇區,由電壓矢量選擇表選出合適的空間電壓矢量驅動逆變器模塊,調節磁鏈與轉矩誤差,實現對定子磁鏈和電磁轉矩的直接控制。

2.1DTC系統建模

Matlab/Simulink是一個交互式的動態系統建模、仿真、分析集成環境,并帶有豐富的功能模塊。在其中搭建異步電機DTC系統仿真模型,仿真模型整體如圖2所示。

2.2轉速P1調節器模塊

系統中轉速調節器模塊將當前轉子速度or與給定值or*比較,將偏差作為PI調節器的輸入,PI調節器的輸出作為電磁轉矩的給定值7e*。通過不斷的仿真調試,選取適當的比例系數和積分系數,可以獲得較好的轉矩調節效果。轉速PI調節器的仿真模型如圖3所示。

2.3磁鏈和轉矩觀測模塊

系統中定子磁鏈觀測模塊采用電壓-電流模型,由式（2）中定子電壓方程變換得到:

電磁轉矩觀測值根據式（3）計算得到。磁鏈和轉矩的觀測仿真模型如圖4所示。

2.4磁鏈和轉矩滯環調節模塊

系統采用兩點式,即滯環比較器調節定子磁鏈,將定子磁鏈觀測值與實際值之間的誤差?Ψs限制在滯環比較器的容差?Ψ內,比較器的輸出磁鏈控制信號為0和1,分別對應減小磁鏈幅值和增大磁鏈幅值。磁鏈和轉矩滯環調節模塊如圖5所示。

2.5扇區判斷模塊

系統采用電壓型逆變器驅動電機運行,其結構如圖6所示。

逆變器三組橋臂分別接電機A、B、C三相,上下橋臂互補導通可以組合出8種電壓矢量,其中V0和V7是零電壓矢量,V1～V6為有效電壓矢量。以每個有效電壓矢量為矢量中線,將定子磁鏈空間復平面分為6個扇區,每個扇區所在區間為60О電角度,如圖7所示。通過編寫m函數,將定子磁鏈角度作為函數輸入進行扇區判斷。

2.6電壓矢量選擇模塊

系統中定子磁鏈觀測模塊采用電壓-電流模型,在忽略定子電阻壓降時有:

上式表明,定子電壓矢量與定子磁鏈矢量有相同的運動方向,可以通過選擇特定的電壓矢量調節定子磁鏈幅值與旋轉方向,達到控制轉矩的目的。

如圖8所示,以定子磁鏈處于扇區1且逆時針旋轉來說明電壓矢量選擇規律。當磁鏈和轉矩滯環比較器輸出為H變=1、HT=1時,表明此時需要增大磁鏈幅值和轉矩,應該選擇與定子磁鏈夾角為銳角且與磁鏈旋轉方向一致的電壓矢量。由圖8可以確定,此時應該選擇電壓矢量V2,一方面其與磁鏈之間夾角為銳角可以增大磁鏈幅值:另一方面其與磁鏈旋轉方向一致可以增大磁鏈角,從而增大轉矩。當磁鏈位于其他扇區時,采用上述分析方法,根據磁鏈和轉矩比較器輸出選擇合理的電壓矢量。由此可以獲得電壓矢量選擇表,如表1所示。

通過查表編寫了電壓矢量選擇模塊的m函數,其輸入為磁鏈滯環比較器輸出信號、轉矩滯環比較器輸出信號及扇區判斷模塊輸出信號,其輸出為選定的電壓矢量。

3仿真結果及分析

仿真中所選用的異步電機參數如表2所示。

仿真過程中,定子磁鏈幅值給定值為1wb,各仿真時間段轉速、負載轉矩設定值如表3所示。

得到的仿真結果如圖9所示。

從圖9(a）和(b）轉速和轉矩的仿真波形可以看出,直接轉矩控制對轉速和轉矩的突變均有很快的響應速度,有較好的穩態性能,且超調量較小。DTC系統在1s開始從800r/min加速到1600r/min過程中,能夠輸出設定的最大轉矩限值,實現轉速的最快調節。圖9(c）定子電流波形表明,DTC系統在穩定運行時電流基本保持為正弦波,并且在突加負載時無過流現象。圖9(d）表明定子磁鏈幅值在動態加速和穩態運行時,都能基本保持恒定幅值1,在磁鏈滯環容差范圍內波動,磁鏈軌跡接近圓形。

4結語

本文將直接轉矩控制技術應用于電動汽車,建立了異步電機數學模型,搭建了電動汽車用異步電機DTC系統的仿真模型,并進行電機運行仿真。仿真結果表明,控制系統轉矩和轉速的動態響應迅速,靜態性能良好,磁鏈幅值基本能夠保持恒定,驗證了DTC系統的有效性。但DTC技術也存在不足之處,如穩態運行時轉矩脈動較大、磁鏈軌跡不規則等,需要進一步的研究。