0 引言電動(dòng)車的關(guān)鍵技術(shù)之一是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括電機(jī)的選擇與控制器的設(shè)計(jì)。基于系統(tǒng)成本及可靠性等方面的考慮，感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢(shì)。目前高性能的感應(yīng)電機(jī)控制方法有磁場(chǎng)定向矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等幾種。
傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制法對(duì)電機(jī)參數(shù)有較強(qiáng)的依賴性，而用于電動(dòng)車的電機(jī)，其功率密度大，工作環(huán)境惡劣，電機(jī)參數(shù)在運(yùn)行時(shí)變化較大，這就限制了磁場(chǎng)定向方法的使用。為此，近幾年出現(xiàn)了多種在線參數(shù)辨識(shí)方法，其中最為典型的是卡爾曼濾波器方法。雖然在理論上這些方法是可行的，但它們往往運(yùn)算量較大，不利于進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；另外參數(shù)辨識(shí)的精度與信號(hào)檢測(cè)的精度相關(guān)，要求系統(tǒng)具有較高的電流、電壓、轉(zhuǎn)速檢測(cè)精度。本文對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制法進(jìn)行了深入研究，采用了一種對(duì)感應(yīng)電機(jī)參數(shù)變化具有較好魯棒性的控制方法。該方法運(yùn)算量小、控制精度較高、對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化不敏感，能較好地滿足電動(dòng)車用高速電動(dòng)機(jī)的動(dòng)靜態(tài)性能要求。
1 矢量控制方法分析對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的矢量控制一般采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的方式。該方法中需要對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行估算。
通常的磁鏈觀測(cè)器大多利用電流模型完成。電流模型的狀態(tài)方程為：
式中，ψrα、ψrβ分別為轉(zhuǎn)子磁鏈在靜止坐標(biāo)系α一β下的分量，isαis β分別為定子電流在靜止坐標(biāo)系α一β下的分量；ωr為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；M、τr分別為互感和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)。
由式(1)及式(2)可知，轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的變化將影響磁鏈的計(jì)算結(jié)果，影響對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈方向的準(zhǔn)確 跟蹤，若控制系統(tǒng)中缺乏針對(duì)電機(jī)參數(shù)變化的在線辨識(shí)控制算法，將降低系統(tǒng)的控制效果，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)的振蕩。為減少電機(jī)參數(shù)變化對(duì)控制系統(tǒng)的影響，本文采用如下磁鏈觀測(cè)模型：
 
控制系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。圖1中虛框里的為算法的核心，其中勵(lì)磁控制部分由式(3)完成，轉(zhuǎn)矩控制部分由式(4)完成，磁鏈估算部分由式(5)和式(6)完成。
2 仿真分析
本文利用Matlab進(jìn)行了仿真。仿真所用的電機(jī)參數(shù)為：額定功率37．3 kW，額定頻率50 Hz，額定線電壓3 80 V，定子電阻O．087，轉(zhuǎn)子電阻O．228 Ω，定子電感O．8 mH，轉(zhuǎn)子電感O．8 mH，極對(duì)數(shù)為2。系統(tǒng)的給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩為70 N·m，給定轉(zhuǎn)速為1 OO r／min，給定磁鏈為O．96 Wb。
圖2為電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)子磁鏈ψr的變化曲線。其中圖2(a)為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)正常條件下的仿真結(jié)果，圖2(b)為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)減小一半時(shí)的仿真結(jié)果。在電機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，圖2(a)中ψr=O．96Wb，圖2(b)中ψr=O．92 Wb。此時(shí)磁鏈ψr僅僅下降了4．2％，說(shuō)明電機(jī)的穩(wěn)態(tài)磁鏈ψr受轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的影響較小。
圖3為電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)速n的變化曲線。其中圖3(a)為電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)正常條件下的仿真結(jié)果，圖3(b)為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)減小一半時(shí)的仿真結(jié)果。通過(guò)圖3可以看到：轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的不同，會(huì)影響電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化率；正常情況下，由于磁場(chǎng)定向的方向準(zhǔn)確，電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速提升非常迅速。盡管轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的變化影響了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，但電機(jī)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)速未受影響。仿真結(jié)果說(shuō)明，電機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)速基本不受轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的影響。
3 實(shí)驗(yàn)研究
本文將上述控制方法用于電動(dòng)車的感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)中。系統(tǒng)所用的籠型三相感應(yīng)電機(jī)的參數(shù)為：額定輸出功率23 kW，額定輸入線電壓1 90 V，額定電源頻率200 Hz，極對(duì)數(shù)2，額定轉(zhuǎn)速6 000 r／min，轉(zhuǎn)子電阻O．O 11 9508 Ω，轉(zhuǎn)子漏抗O．1 9 1 763 Ω，定子電阻O．O 1 24973 Ω，定子漏抗O．0914579 Ωo控制系統(tǒng)以DSP-F2407A作為控制核心，如圖4所示。以下實(shí)驗(yàn)波形中的數(shù)據(jù)是在電機(jī)空載情況下通過(guò)DSP采集的，經(jīng)繪圖軟件處理后形成了圖示曲線。
在實(shí)際電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，要保持其轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)不變是不可能的。為了盡量減小溫升的影響，以下實(shí)驗(yàn)波形是在電機(jī)繞組未發(fā)熱的短時(shí)間內(nèi)測(cè)得的，可以近似認(rèn)為在這段時(shí)間里轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)是不變的。由于實(shí)驗(yàn)條件所限，實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為電機(jī)空載情況下的特性。
由于電機(jī)轉(zhuǎn)子是鼠籠式的，實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)法改變電機(jī)的真實(shí)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，只能人為地改變電機(jī)模型中用于計(jì)算的時(shí)間常數(shù)，但該時(shí)間常數(shù)變化產(chǎn)生的控制效果可間接地體現(xiàn)實(shí)際時(shí)間常數(shù)變化引起的控制結(jié)果。由于實(shí)際電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，其轉(zhuǎn)子電阻會(huì)有所變化，可能使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值之間存在一定的誤差，但該誤差的影響較小。
圖5為電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的變化曲線，圖6為電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化曲線。
其中圖(a)為電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)正常條件下的實(shí)驗(yàn)波形，圖(b)為參與計(jì)算的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)減小一半時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。
通過(guò)圖5及圖6中兩種條件下的波形對(duì)比可以看到，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，從而說(shuō)明本文采用磁場(chǎng)定向矢量控制方法是有效的，它對(duì)電機(jī)參數(shù)的變化具有較好的魯棒性。
4 結(jié) 語(yǔ)
由于電動(dòng)車用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有高功率密度、高轉(zhuǎn)速等特點(diǎn)，當(dāng)采用一般的磁場(chǎng)定向矢量控制方法時(shí)，存在難以克服的困難：系統(tǒng)性能對(duì)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)變化敏感，而轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)又變化過(guò)大，這將導(dǎo)致系統(tǒng)性能不穩(wěn)定。本文所采用的電機(jī)模型可降低控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的依賴性。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所用方法可使控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，可滿足電動(dòng)車用感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的技術(shù)要求。
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