電動汽車用異步電機(jī)變流控制關(guān)鍵性技術(shù)研究

1、電動汽車用異步電機(jī)變流控制關(guān)鍵性技術(shù)研究一、研究現(xiàn)狀1.1研究背景汽車作為現(xiàn)代科技的產(chǎn)物賦予了人們生活極大的便利,然而隨著石油、天然氣等自然能源的短缺與汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模的日益擴(kuò)大，傳統(tǒng)汽車行業(yè)面臨了極大的發(fā)展危機(jī)。根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，世界能源消耗量從2005 年到2030 年預(yù)計將增加一倍。而按照當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模，預(yù)計到2020年，全球汽車產(chǎn)量將達(dá)到1.1億輛。根據(jù)國務(wù)院發(fā)展研究中心估計，我國作為世界第四大汽車生產(chǎn)國和第三大汽車消費國，到2020年，我國的汽車保有量將達(dá)到 1.4億輛，機(jī)動車輛的燃油需求分別為1.38億噸和2.56億噸，分別為當(dāng)年全國石油總需求量的43%和57%。由于我國石油資源短

2、缺，目前石油進(jìn)口量每年都在快速增長，因此大力發(fā)展新能源汽車，用電力取代傳統(tǒng)能源，是全球尤其是我國能源安全的必然要求。汽車行業(yè)規(guī)模的與日俱進(jìn)帶來了環(huán)境的加速惡化。2009年丹麥哥本哈根氣候峰會上，減排、低碳成為重要議題。汽車行業(yè)是全球二氧化碳排放的第二大行業(yè)，占到了全球二氧化碳排放量的四分之一。2005年，二氧化碳排放量為281億噸，到 2030年，這一數(shù)字將上漲至423億噸。我國環(huán)境問題尤其嚴(yán)峻，我國二氧化碳排放量位居全球第二，世界十大污染城市有七個位于我國，其中，汽車尾氣污染已經(jīng)成為城市大氣污染的重要因素。2012年末至2013年初，包括北京在內(nèi)的全國多處地區(qū)出現(xiàn)大規(guī)模霧霾天氣，PM2.5指

3、數(shù)嚴(yán)重超標(biāo)。一系列環(huán)境問題的出現(xiàn)使得發(fā)展電動汽車，合理利用新能源以實現(xiàn)節(jié)能減排迫在眉睫。1.2電動汽車基本概念 電動汽車是指以車載電源為動力，用電機(jī)驅(qū)動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項要求的車輛。 1.2.1 電動汽車的優(yōu)勢相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，它具有以下優(yōu)勢：1）節(jié)約能源：除去效率很高的燃料電池電動汽車，一般電動汽車的能源利用效率至少有百分之十九，高于傳統(tǒng)汽車的百分之十二。2）大大減少污染：由于電動汽車少用燃油（混合動力汽車）甚至不用燃油，因此其排出的尾氣很少甚至沒有任何形式的尾氣排放，產(chǎn)生的廢熱也明顯少于傳統(tǒng)汽車，因此其對環(huán)境的保護(hù)作用非常明顯。3）噪音低：與內(nèi)燃機(jī)汽車相比，電動汽車僅

4、具有與后者相同的機(jī)械傳動噪聲，而內(nèi)燃機(jī)還具有發(fā)動機(jī)的工作噪聲、尾氣排放噪聲等，因次電動汽車具有低噪聲的優(yōu)點。4）可以使用多樣的能源形式：電動汽車既可以直接從電網(wǎng)獲取電能，也可以使用經(jīng)光伏、風(fēng)電、化學(xué)反應(yīng)、機(jī)械運(yùn)動等產(chǎn)生的電能。 5）電動汽車蓄電池充電可以在夜間進(jìn)行，從而最大限度的利用了電力資源。1.2.2 電動汽車分類 電動汽車有純電動汽車（BEV）、混合動力汽車（HEV）和燃料電池汽車（FCEV）三種主要類型1.2.3我國發(fā)展電動汽車的優(yōu)勢 我國在電動汽車領(lǐng)域具有以下優(yōu)勢： 1）核心資源豐富。鋰和永磁材料作為電動汽車的核心零部件，其在中國的儲量十分豐富。我國已探明的鋰儲量高達(dá) 380 多萬噸

5、，位居世界第二位。我國稀土資源儲量占據(jù)世界總儲量的 58，位居世界第一位，并且也是世界第一大稀土資源出口國。 2）產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)堅實。我國的電動自行車和電動摩托車產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅速與龐大。目前，我國既是輕型電動車的最大生產(chǎn)國也是最大市場。隨著市場的繁榮而興起的還有電池和驅(qū)動電機(jī)等核心部件的生產(chǎn)，這為大力發(fā)展電動汽車核心部件的生產(chǎn)奠定了堅實的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。 3）市場需求大且多樣化。我國正處在飛速發(fā)展的時期，對汽車的需求量與日俱進(jìn)，因此具有廣闊的市場前景。并且我國在未來相當(dāng)長時間內(nèi)會處于各地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平參差不齊的階段，因此各地區(qū)消費者對汽車的需求也不盡相同，這有利于發(fā)展各種不同類型的電動汽車。 4）基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

6、優(yōu)勢明顯。與發(fā)達(dá)國家城市建設(shè)期已經(jīng)結(jié)束不同，我國正處在快速發(fā)展期，許多地區(qū)的城鎮(zhèn)化、城市化建設(shè)才剛剛起步，因此有利于新建電動汽車充電站等基礎(chǔ)設(shè)施。二、電動汽車基本驅(qū)動研究電動汽車主要由電驅(qū)動及控制系統(tǒng)、機(jī)械傳動系統(tǒng)、實現(xiàn)有關(guān)功能的輔助系統(tǒng)三大部分組成。其中電驅(qū)動及控制系統(tǒng)是電動汽車的核心，也是其相對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的最大不同點。電動汽車的關(guān)鍵性技術(shù)主要有: 電池技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動及其控制技術(shù)、電動汽車整車技術(shù)以及能量管理技術(shù)。電機(jī)控制系統(tǒng)中，對電磁轉(zhuǎn)矩控制的品質(zhì)將影響整個系統(tǒng)的性能。直流電機(jī)由于其主磁通和電樞在空間分布的位置固定且相互垂直，因此可以通過對勵磁電流和電樞電流的獨立控制，實現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩

7、和轉(zhuǎn)速的良好調(diào)節(jié)。而異步電機(jī)是一個多變量，強(qiáng)耦合，高階非線性的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的 VVVF 控制方法和轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制策略從電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)，其動態(tài)性能不能完全達(dá)到直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的水平，特別是在如數(shù)控機(jī)床，載客電梯等需要高動態(tài)性能的應(yīng)用場合，不能完全適應(yīng)。1971 年，聯(lián)邦德國的 Felix.Blaschke和美國的 P.C.Custman,A.A.Clark 分別提出“感應(yīng)電機(jī)磁場定向控制原理”和“感應(yīng)電機(jī)定子電壓坐標(biāo)變換控制”兩項成果，從而開創(chuàng)了異步電機(jī)矢量控制的理論先河，使得異步電機(jī)能夠獲得與直流電機(jī)相媲美的調(diào)速性能。 矢量控制基于異步電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，采用坐標(biāo)變換將

8、三相靜止坐標(biāo)系中的交流量變換為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量，模仿直流電機(jī)，對勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)高動態(tài)性能的調(diào)節(jié)。根據(jù)定向時所選擇的磁鏈不同，矢量控制系統(tǒng)可分為基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向，基于定子磁鏈定向和基于氣隙磁鏈定向的控制系統(tǒng)。雖然定子磁場和氣隙磁場容易檢測或估計，但其解耦器的設(shè)計問題中涉及到電機(jī)的參數(shù)，從而使得控制系統(tǒng)的魯棒性較差，因此本文采取基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制策略。2.1 異步電機(jī)數(shù)學(xué)建模 2.1.1 三相靜止坐標(biāo)系下的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型 圖2-1 異步電機(jī)物理模型上圖是三相異步電機(jī)的物理模型。其中，轉(zhuǎn)子側(cè)已經(jīng)折算到定子側(cè)，折算過后的定轉(zhuǎn)子繞組有效匝數(shù)一致。（籠型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子

9、通過繞組歸算可以等效為和繞線型轉(zhuǎn)子一樣的三相對稱繞組。）定子三相繞組軸線 A、B、C 在空間位置固定，轉(zhuǎn)子三相繞組軸線 a、b、c 隨著轉(zhuǎn)子在空間旋轉(zhuǎn)。電壓方程：（2-1）或?qū)懗桑簎=Ri+p （2-2）磁鏈方程：（2-3）或?qū)懗桑?Li （2-4）轉(zhuǎn)矩方程：（2-5）運(yùn)動方程： Te-TL=JPddt （2-6）2.1.2 坐標(biāo)變換理論 上述異步電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型較復(fù)雜，不易求解。如果能夠模仿直流電機(jī)的物理模型對異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡化，則控制結(jié)構(gòu)會變得簡單易行。坐標(biāo)變換正是解決這一問題的基本思路。在三相靜止坐標(biāo)系中，三相對稱繞組通入三相對稱電流能在空間形成以s角速度旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁動勢?？疾?/p>

10、兩個垂直繞組的情況，如果這兩相繞組靜止，那么在其中注入兩相相位互差 90°的平衡交流電流，同樣能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢；進(jìn)一步分析，如果這兩個繞組連同鐵心能在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，在這兩個繞組中分別通入直流電流，則也可以形成以s角速度在空間旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁動勢，這樣就類似于直流電機(jī)的物理模型了。坐標(biāo)變換必須遵循的原則是：不同坐標(biāo)系下所產(chǎn)生的磁動勢一致。因為只有這樣，坐標(biāo)變換后才不會改變電機(jī)內(nèi)部的氣隙磁場分布，從而不會影響機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換和電磁轉(zhuǎn)矩的生成。常用的坐標(biāo)變換可分為兩類：一類是從三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC 到兩相靜止坐標(biāo)系的變換，簡稱 3/2 變換（clarke 變換）；一類是從兩相靜止坐標(biāo)系到兩

11、相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 dq的變換，簡稱 2s/2r 變換（park 變換）。上述坐標(biāo)變換又分成“等量”變換和“等功率”變換兩種。2.2 矢量控制原理2.2.1矢量控制基本思路 若 dq 坐標(biāo)系以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，則稱之為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。將三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系后，三相定子交流電流等效變換成 dq 坐標(biāo)系中的直流電流 id、iq。若觀察者站在鐵心上去觀察，則所看到的就是一臺直流電機(jī)。然而上述坐標(biāo)變換中，定子電流矢量 is可以分解為無數(shù)對id和iq 。如果將 d 軸定位于轉(zhuǎn)子磁通r的方向上，則 d 軸繞組即等效于直流電機(jī)的勵磁繞組，id等效于勵磁電流；q 軸繞組即等效于直流電機(jī)的電樞繞組，iq

12、也即等效于和轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流，也叫轉(zhuǎn)矩電流。這樣，通過調(diào)節(jié)勵磁電流id就可以控制磁通的強(qiáng)弱，在磁通恒定即id不變的情況下，通過控制iq即可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的大小。由此，三相異步電機(jī)就可以獲得和直流電機(jī)相類似的控制效果。 2.2.2 轉(zhuǎn)子磁場定向下異步電機(jī)模型分析 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向（RFO,rotor field oriented）后,異步電機(jī)在 dq 坐標(biāo)系下的方程如下： 1）磁鏈方程 2）電壓方程3）電流方程4）轉(zhuǎn)矩方程2.3 間接磁場定向及RFO系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 磁場定向可以分為直接定向和間接定向兩種。直接磁場定向，是指利用檢測到的電壓電流等物理量，根據(jù)一定的運(yùn)算估算出轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和相位的方法。由于直

13、接磁場定向需要利用到一定的數(shù)學(xué)模型，而數(shù)學(xué)模型中包含較多的電機(jī)參數(shù)，一旦在運(yùn)行過程中電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化，就會嚴(yán)重影響磁場定向的準(zhǔn)確性。間接磁場定向通過簡單計算轉(zhuǎn)差頻率來獲取磁鏈的位置，無需建立復(fù)雜的包含諸多參數(shù)的模型來觀測磁鏈位置，因此應(yīng)用起來較為簡便。本文采取的即是間接磁場定向。三、仿真分析 根據(jù) 2.1、2.2、2.3 小節(jié)的分析，基于matlab-simulink平臺搭建了電動汽車基本驅(qū)動技術(shù)的仿真模型。圖 3-1為基于轉(zhuǎn)子磁場間接定向的矢量控制仿真模型。異步電機(jī)由三相電壓型逆變器進(jìn)行變壓變頻控制，從而實現(xiàn)電動汽車的穩(wěn)定運(yùn)行。由于電動汽車依靠踩油門下發(fā)轉(zhuǎn)矩指令，因此無需轉(zhuǎn)速環(huán)。仿真所用電機(jī)

14、參數(shù)如表 3-1所示圖3- 1基于轉(zhuǎn)子磁場間接定向的矢量控制仿真模型額定電壓（V）額定電流（峰值A(chǔ)）定子電阻（）22018.21.26轉(zhuǎn)子電阻（）額定頻率（Hz）勵磁電感（mH）0.26050定子漏感（mH）轉(zhuǎn)子漏感（mH）額定磁鏈（wb）4.74.70.4極對數(shù)P2表3- 1仿真用異步電機(jī)模型參數(shù)，5hp圖3-2 至 3-6 為給定額定轉(zhuǎn)速 1800r/min 時各變量的波形。在零時刻，給定勵磁電流為額定勵磁電流 8A，同時給定轉(zhuǎn)矩電流呈斜坡上升直至限幅值16.35A，此時定子相電流的峰值達(dá)到最大值 18.2。圖 3-2、 3-3 為勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的給定與反饋波形，可以看出，反饋電流很好

15、的跟蹤了給定電流的變化，調(diào)節(jié)時間為 4.8e-4s，穩(wěn)態(tài)時僅在±0.625%之間波動。電流環(huán)的動靜態(tài)性能優(yōu)良，可以為電動汽車提供穩(wěn)定的運(yùn)行性能。圖 3-4、3-5為定子三相電流的波形及其中一相電流的波形，圖為定子線電壓經(jīng)過濾波后的波形，可以看出，定子電流、電壓正弦度良好。圖 3-6為電磁轉(zhuǎn)矩波形，當(dāng)轉(zhuǎn)矩電流達(dá)到限幅值時，電機(jī)輸出最大電磁轉(zhuǎn)矩 18.2Nm，從而滿足電動汽車爬坡，起動等性能要求。圖3-2圖3-3圖3-4圖3-5圖3-6圖3-7圖 3-8 至3-11 為突加轉(zhuǎn)矩時各變量的波形?？疾熳類毫拥那闆r，轉(zhuǎn)矩電流初始為零，在 1s 時階躍至轉(zhuǎn)矩電流允許的最大值 16.35A。圖3-

16、8 為轉(zhuǎn)矩電流的波形，1s 時刻，轉(zhuǎn)矩電流給定值發(fā)生階躍，反饋電流的超調(diào)量為 7.6%，調(diào)節(jié)時間為 0.05s，動態(tài)響應(yīng)速度較快，超調(diào)較小，滿足性能要求。圖 3-9 為勵磁電流的響應(yīng)波形，轉(zhuǎn)矩電流發(fā)生突變時，勵磁電流有 10%的超調(diào)，但 0.04s之后迅速恢復(fù)穩(wěn)定。圖 3-10 為電磁轉(zhuǎn)矩波形，電磁轉(zhuǎn)矩在 1s 時從初始的 0Nm發(fā)生階躍，經(jīng) 0.3s 達(dá)到穩(wěn)定值，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)較快。圖3-11為定子 A 相電流的波形。圖3-8圖3-9圖3-10圖3-11圖 3-12 至3-14 為突減轉(zhuǎn)矩時各變量的波形，圖 3-12為轉(zhuǎn)矩電流響應(yīng)，可以看到，轉(zhuǎn)矩電流反饋值幾乎完全跟蹤了給定值的變化，暫態(tài)過程僅

17、為5e-4s。圖3-13為勵磁電流響應(yīng)，在2.5s處有小幅的下降，但經(jīng)0.04s后迅速恢復(fù)至穩(wěn)定值。圖 3-14為電磁轉(zhuǎn)矩的波形。圖3-12圖3-13圖3-14圖 3-15至3-17為轉(zhuǎn)速突變時各變量的波形。電機(jī)初始1800r/min的額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，到2.5s時降為900r/min。圖3-15、3-16為勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的波形。在轉(zhuǎn)速突變處，兩者均有小幅的波動，但經(jīng) 0.03s即恢復(fù)穩(wěn)定。圖 3-17為電磁轉(zhuǎn)矩的波形。圖3-15圖3-16圖3-17圖3-18至3-21為10r/min，轉(zhuǎn)矩突變時各變量的波形，從勵磁電流、轉(zhuǎn)矩電流的波形以及電磁轉(zhuǎn)矩的波形可以看出，此種控制策略在低速時動穩(wěn)態(tài)性能同樣很好。圖3-18圖3-19圖3-20圖3-21圖 3-22 為定子勵磁電流突變情況下的轉(zhuǎn)子 d 軸電流波形，可以看到，在穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)子d軸電流為零，發(fā)生突變后，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子d 軸電流阻尼轉(zhuǎn)子磁鏈的變化。由于矢量控制計及了轉(zhuǎn)子d 軸電流的阻尼作用，所以具有良好的動態(tài)性能。圖3-22圖 3-23是定子