電傳動裝甲車輛輪轂電機矢量控制策略仿真

廖自力， 趙其進， 封 昊， 高 強

(1. 陸軍裝甲兵學院兵器與控制系， 北京 100072； 2. 陸軍裝甲兵學院學員七大隊， 北京 100072)

隨著全電化戰斗模式的提出，基于電傳動、電磁武器、電磁裝甲于一身的裝甲車輛成為陸戰裝備未來的發展方向，各國相繼展開深入研究[1]。電傳動裝甲車輛采用電機驅動系統代替一系列傳動裝置，動力由電動機直接傳遞給車輪或履帶，相較于傳統的機械式傳動車輛，其具有效率高、噪音小、控制性能好等優點，得到國家的大力扶持。

作為電傳動車輛的驅動核心，驅動電機及其控制性能尤為關鍵。特別是對于戰場環境下的裝甲車輛，因經常工作在顛簸、泥濘、電磁干擾、炮火攻擊等極端條件下，其電機性能應滿足以下要求：1)良好的輸出特性，以滿足車輛加減速、轉向、制動等工況需求；2)較快的轉矩跟隨，以滿足車輛快速啟動的需求；3)較高的功率密度，使恒功率區能達到更高的速度；4)較高的可靠性，以滿足惡劣環境下的動力輸出需求[2]。目前，民用電動汽車中電機控制系統已相當成熟，但對于大扭矩、高速度要求的裝甲車輛，輪轂電機運用相對較少，且電機容量大，控制起來存在一定困難。

基于此，筆者以某電傳動裝甲車輛永磁同步輪轂驅動電機為研究對象，在滿足其控制性能和控制量約束的基礎上，展開基于轉矩給定的磁場定向矢量控制策略研究。在恒轉矩區，為充分利用定子電流，采用最大轉矩電流比控制，使車輛在單位電流條件下獲得最大轉矩；當電機速度大于基速時，采用弱磁控制，以拓寬電機調速范圍。在變頻控制中，系統采用空間矢量脈寬調制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)技術，以達到降低轉矩脈動和提高電壓利用率的目的。

1 永磁同步電機控制策略

1.1 電機數學模型

為便于理論分析，簡化電機模型，進行以下假設[3]：1) 忽略電機鐵芯飽和；2) 忽略磁滯及渦流損耗；3) 忽略永磁體和轉子的阻尼作用；4) 定子繞組中感應電動勢是對稱的正弦波。

對于內置式永磁同步電機，在d-q旋轉坐標系下，其定子電壓方程為

(1)

轉矩方程為

(2)

運動方程為

(3)

式中：ud、uq分別為定子d、q軸電壓；id、iq分別為定子d、q軸電流；Rs為定子電阻；Ld、Lq分別為定子d、q軸電感；ωc為轉子電角速度；ψf為永磁體磁鏈；ψd、ψq分別為定子d、q軸磁鏈；Te為電機電磁轉矩；pn為極對數；J為電機轉動慣量；TL為負載轉矩；B為摩擦因數；ωm為轉子機械角速度[4]。

電機選用某電傳動裝甲車輛永磁同步輪轂電機，其主要參數指標如表1所示。

表1 某電傳動裝甲車輛永磁同步輪轂電機主要參數指標

1.2 最大轉矩電流比控制

電機在恒轉矩區，即在基速以下時，為了在單位電流下得到最大轉矩，以提高車輛啟動和加速性能，采用最大轉矩電流比控制方法。在該控制方式下，電機直軸電流id和交軸電流iq應滿足如下關系：

(4)

結合式(2)，可以得到給定電磁轉矩所對應的電流值。通過MATLAB求出定子電流is、id、iq隨Te變化的曲線如圖1所示。

圖1 is、id、iq隨Te變化曲線

將上述電流與轉矩之間的對應關系制成表格。為了提高電機運行時轉矩動態跟隨精度，設置轉矩PI調節器，給定轉矩與實際轉矩的差值經調節后可得到定子電流的控制量，而后通過查找電流表分別得到id、iq分量，以此作為電流PI調節器的給定值。

1.3 弱磁控制

電機在正常運行情況下，電壓和電流會受到逆變器容量的限制，最大相電流矢量幅值Ilim和最大相電壓矢量幅值Ulim存在如下約束條件：

(5)

式中：us為定子電壓。

電機運行時，電機反電動勢隨著轉速升高不斷增大，當電機電壓達到逆變器輸出的極限電壓時，逆變器電流調節器處于飽和狀態，根據式(5)，若想繼續提高轉速，則需要增大直軸去磁電流id，從而達到弱磁擴速的目的。進行弱磁控制時，使電流矢量沿著電流極限圓移動[5-6]，弱磁電流計算公式為

(6)

根據式(5)、(6),得到弱磁調速過程中交、直軸電流變化關系,如圖2所示。圖中：T1、T2、T3、T4分別為不同的等轉矩線對應的轉矩，且T1>T2>T3>T4；ω1、ω2、ω3、ω4分別為不同電壓極限橢圓對應的轉速，且ω1>ω2>ω3>ω4。

圖2 弱磁調速過程中交、直軸電流變化關系

從圖2可以看出：A點對應的轉矩T1為電機在轉速ω4時可以輸出的最大轉矩(電壓和電流均達到極限值，ω4即為電機最大恒轉矩運行的轉折速度)；當速度提高到ω3時，最大轉矩電流比軌跡與電壓極限橢圓相交于C點，對應的轉矩為T4，若此時定子電流矢量偏離最大轉矩電流比軌跡而移動到B點，則電機可輸出的最大轉矩為T2，從而提高了電動機超過轉折速度運行時的輸出功率，當電機轉速進一步提高，將沿電流極限圓上的D、E點運動；當定子電流矢量從C點移至B點時，直軸去磁電流分量增大，削弱了永磁體產生的氣隙磁場，從而達到弱磁擴速的目的。

1.4 空間矢量脈寬調制技術

相比于常用的正弦脈寬調制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)技術，SVPWM技術能使磁鏈更加逼近于圓形，轉矩、轉速輸出波形更好，且電壓利用率可提高15%左右。在調制過程中，用6個空間上互差60°的電壓矢量加上2個零矢量作為基本矢量，通過控制逆變器的開關狀態，使其形成不同的線性組合，以滿足驅動電機所需要的電壓矢量的要求[7-9]。SVPWM基本電壓矢量如圖3所示。

圖3 SVPWM基本電壓矢量

SVPWM技術算法實現步驟：1) 判斷電壓矢量所處扇區；2) 確定一個周期內相鄰電壓矢量作用時間；3) 確定開關順序及逆變器動作的時刻。文獻[7-9]詳細介紹了其算法在MATLAB中的實現。

1.5 整體控制方案

綜合上述各種控制方法,得到電機矢量整體控制框圖如圖4所示。

圖4 電機矢量控制整體框圖

為使輪轂電機能夠較好地跟隨需求轉矩，采用電流、轉矩雙閉環控制模式。其中:外環為轉矩控制環，通過比較實際轉矩Te與給定轉矩Te*，將差值送給轉矩PI調節器進行調節，得出最大轉矩電流比控制模式下需要的電流矢量，然后經過電流查表法得到d、q軸給定電流值id*和iq*；內環為電流環，根據最終給定電流id*、iq*和實際電流id、iq的差值，經電流PI調節器得到給定電壓目標值ud*和uq*。最終經坐標變換和SVPWM產生6路PWM波[10]，控制逆變器IGBT管的導通和關斷，輸出驅動電機的電壓矢量。

2 基于MATLAB的仿真模型

根據圖4，在MATLAB/Simulink中搭建各控制模塊模型。系統運用離散控制仿真模式，采用Ode4算法，選取仿真步長為0.05 ms，整體仿真模型如圖5所示。系統仿真子模塊主要包括最大轉矩電流比控制模塊、矢量變化模塊、PI調節模塊、弱磁調速控制模塊、空間矢量脈寬調制模塊等。仿真中永磁同步輪轂電機采用Simulink模型庫中自帶的電機模型，輸入表1中電機參數。轉矩輸入采用滑動增益模塊，模仿車輛油門開度，提供動態轉矩輸入。

圖5 基于MATLAB/Simulink的電機仿真控制模型

3 仿真試驗

3.1 穩態特性試驗

為驗證基于轉矩給定的永磁同步輪轂電機矢量控制方案的有效性，首先進行電機穩態特性試驗，設定負載輸入TL=300 N·m。持續輸入最高轉矩指令Te=1 100 N·m，觀察電機的外特性曲線以及轉矩、轉速、電壓、電流等物理量隨時間變化情況，驗證在最大轉矩電流比及弱磁擴速2種控制模式之間的動態切換。仿真結果如圖6所示。

由圖6(a)可以看出：在持續最大轉矩給定下，電機首先在恒轉矩區域運行，轉矩在1 100 N·m上下浮動；隨著轉速提高，電壓達到逆變器容量極限，即當轉速大約為1 200 r/min時，工作狀態切換到弱磁調速區域，直軸去磁電流開始增加，此時電機轉矩開始下降，而轉速繼續提高，進入電機恒功率運行區，直至達到最高轉速。由圖6(b)可以看出：電機定子d、q軸電流在電機啟動時保持恒定，提供最大輸出轉矩，隨著電機運行到弱磁區，d軸去磁電流開始增加，為了保證電樞電流不超過極限值，q軸電流相應減小，實現弱磁擴速。由圖6(c)可以看出：電機在轉速不斷上升的過程中，母線電壓基本穩定在750 V，波動較小。由圖6(d)可以看出：通過轉矩閉環控制，實際轉矩對給定轉矩有良好的跟隨性，轉矩脈動較小。

圖6 穩態特性仿真結果

3.2 動態特性試驗

為驗證電機在負載運行時轉矩動態跟隨性，保持負載轉矩200 N·m不變，模擬油門開度輸入隨時間連續階躍變化的轉矩信號，觀察實際轉矩電流、電壓、轉速等物理量的變化情況。仿真結果如圖7所示。

圖7 動態特性仿真結果

由圖7(a)可以看出：當給定轉矩隨時間不斷變化時，實際轉矩能夠實現良好的跟隨性，在6.5～9 s階段，隨著轉矩增大，電機運行在弱磁調速區域，實現了2種工作模式的平滑切換。由圖7(b)可以看出：電流隨時間相應發生改變，但始終不會超過其最大限制，并能快速調節到穩定狀態。由圖7(c)可以看出：隨著轉矩突加減，母線電壓隨時間略有波動，基本穩定在(750±10)V范圍內，對電路及元器件不會造成大的沖擊。由圖7(d)可以看出：電機加速度響應較快，速度變化平穩，基本沒有脈動。

4 結論

筆者針對大扭矩車用電機控制較難的問題，以某電傳動裝甲車輛永磁同步輪轂電機為研究對象，進行了控制策略的建模與仿真。通過穩態和動態特性試驗，實現了電機在最大轉矩電流比和弱磁擴速2種控制模式下的穩定運行，并且表現出良好的轉矩動態跟隨性能，驗證了控制算法的有效性。但仿真結果顯示直流母線電壓仍存在10 V左右的波動，且在系統建模過程中未考慮電機參數的動態變化，與電機真實狀態存在一定偏差。在下一步研究中，將針對系統穩壓性能進一步完善仿真模型，以得到更佳的控制效果。

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