电动汽车用异步电机变流控制关键性技术研究

电动汽车用异步电机变流控制关键性技术研究一、研究现状1.1研究背景汽车作为现代科技的产物赋予了人们生活极大的便利,然而随着石油、天然气等自然能源的短缺与汽车产业规模的日益扩大，传统汽车行业面临了极大的发展危机。根据有关统计，世界能源消耗量从2005年到2030年预计将增加一倍。而按照当前汽车产业的发展规模，预计到2020年，全球汽车产量将达到1.1亿辆。根据国务院发展研究中心估计，我国作为世界第四大汽车生产国和第三大汽车消费国，到2020年，我国的汽车保有量将达到1.4亿辆，机动车辆的燃油需求分别为1.38亿吨和2.56亿吨，分别为当年全国石油总需求量的43%和57%。由于我国石油资源短缺，目前石油进口量每年都在快速增长，因此大力发展新能源汽车，用电力取代传统能源，是全球尤其是我国能源安全的必然要求。汽车行业规模的与日俱进带来了环境的加速恶化。2009年丹麦哥本哈根气候峰会上，减排、低碳成为重要议题。汽车行业是全球二氧化碳排放的第二大行业，占到了全球二氧化碳排放量的四分之一。2005年，二氧化碳排放量为281亿吨，到2030年，这一数字将上涨至423亿吨。我国环境问题尤其严峻，我国二氧化碳排放量位居全球第二，世界十大污染城市有七个位于我国，其中，汽车尾气污染已经成为城市大气污染的重要因素。2012年末至2013年初，包括北京在内的全国多处地区出现大规模雾霾天气，PM2.5指数严重超标。一系列环境问题的出现使得发展电动汽车，合理利用新能源以实现节能减排迫在眉睫。1.2电动汽车基本概念电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。1.2.1电动汽车的优势相比于传统内燃机汽车，它具有以下优势：1）节约能源：除去效率很高的燃料电池电动汽车，一般电动汽车的能源利用效率至少有百分之十九，高于传统汽车的百分之十二。2）大大减少污染：由于电动汽车少用燃油（混合动力汽车）甚至不用燃油，因此其排出的尾气很少甚至没有任何形式的尾气排放，产生的废热也明显少于传统汽车，因此其对环境的保护作用非常明显。3）噪音低：与内燃机汽车相比，电动汽车仅具有与后者相同的机械传动噪声，而内燃机还具有发动机的工作噪声、尾气排放噪声等，因次电动汽车具有低噪声的优点。4）可以使用多样的能源形式：电动汽车既可以直接从电网获取电能，也可以使用经光伏、风电、化学反应、机械运动等产生的电能。5）电动汽车蓄电池充电可以在夜间进行，从而最大限度的利用了电力资源。1.2.2电动汽车分类电动汽车有纯电动汽车（BEV）、混合动力汽车（HEV）和燃料电池汽车（FCEV）三种主要类型1.2.3我国发展电动汽车的优势我国在电动汽车领域具有以下优势：1）核心资源丰富。锂和永磁材料作为电动汽车的核心零部件，其在中国的储量十分丰富。我国已探明的锂储量高达380多万吨，位居世界第二位。我国稀土资源储量占据世界总储量的58％，位居世界第一位，并且也是世界第一大稀土资源出口国。2）产业基础坚实。我国的电动自行车和电动摩托车产业发展非常迅速与庞大。目前，我国既是轻型电动车的最大生产国也是最大市场。随着市场的繁荣而兴起的还有电池和驱动电机等核心部件的生产，这为大力发展电动汽车核心部件的生产奠定了坚实的产业基础。3）市场需求大且多样化。我国正处在飞速发展的时期，对汽车的需求量与日俱进，因此具有广阔的市场前景。并且我国在未来相当长时间内会处于各地区经济水平参差不齐的阶段，因此各地区消费者对汽车的需求也不尽相同，这有利于发展各种不同类型的电动汽车。4）基础设施建设优势明显。与发达国家城市建设期已经结束不同，我国正处在快速发展期，许多地区的城镇化、城市化建设才刚刚起步，因此有利于新建电动汽车充电站等基础设施。二、电动汽车基本驱动研究电动汽车主要由电驱动及控制系统、机械传动系统、实现有关功能的辅助系统三大部分组成。其中电驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是其相对于传统内燃机汽车的最大不同点。电动汽车的关键性技术主要有:电池技术、电机驱动及其控制技术、电动汽车整车技术以及能量管理技术。电机控制系统中，对电磁转矩控制的品质将影响整个系统的性能。直流电机由于其主磁通和电枢在空间分布的位置固定且相互垂直，因此可以通过对励磁电流和电枢电流的独立控制，实现对电磁转矩和转速的良好调节。而异步电机是一个多变量，强耦合，高阶非线性的系统，传统的VVVF控制方法和转速闭环转差频率控制策略从电机的稳态电路和稳态转矩公式出发，其动态性能不能完全达到直流双闭环调速系统的水平，特别是在如数控机床，载客电梯等需要高动态性能的应用场合，不能完全适应。1971年，联邦德国的Felix.Blaschke和美国的P.C.Custman,A.A.Clark分别提出“感应电机磁场定向控制原理”和“感应电机定子电压坐标变换控制”两项成果，从而开创了异步电机矢量控制的理论先河，使得异步电机能够获得与直流电机相媲美的调速性能。矢量控制基于异步电机的动态数学模型，采用坐标变换将三相静止坐标系中的交流量变换为同步旋转坐标系中的直流量，模仿直流电机，对励磁电流和转矩电流分别进行控制，从而实现高动态性能的调节。根据定向时所选择的磁链不同，矢量控制系统可分为基于转子磁链定向，基于定子磁链定向和基于气隙磁链定向的控制系统。虽然定子磁场和气隙磁场容易检测或估计，但其解耦器的设计问题中涉及到电机的参数，从而使得控制系统的鲁棒性较差，因此本文采取基于转子磁链定向的矢量控制策略。2.1异步电机数学建模2.1.1三相静止坐标系下的异步电机数学模型图2-1异步电机物理模型上图是三相异步电机的物理模型。其中，转子侧已经折算到定子侧，折算过后的定转子绕组有效匝数一致。（笼型结构转子通过绕组归算可以等效为和绕线型转子一样的三相对称绕组。）定子三相绕组轴线A、B、C在空间位置固定，转子三相绕组轴线a、b、c随着转子在空间旋转。电压方程：（2-1）或写成：u=Ri+pψ（2-2）磁链方程：（2-3）或写成：ψ=Li（2-4）转矩方程：（2-5）运动方程：Te−TL=JPdωdt（2-6）2.1.2坐标变换理论上述异步电机的动态数学模型较复杂，不易求解。如果能够模仿直流电机的物理模型对异步电机的数学模型进行简化，则控制结构会变得简单易行。坐标变换正是解决这一问题的基本思路。在三相静止坐标系中，三相对称绕组通入三相对称电流能在空间形成以ωs角速度旋转的旋转磁动势。考察两个垂直绕组的情况，如果这两相绕组静止，那么在其中注入两相相位互差90°的平衡交流电流，同样能产生旋转磁动势；进一步分析，如果这两个绕组连同铁心能在空间以同步转速旋转，在这两个绕组中分别通入直流电流，则也可以形成以ωs角速度在空间旋转的旋转磁动势，这样就类似于直流电机的物理模型了。坐标变换必须遵循的原则是：不同坐标系下所产生的磁动势一致。因为只有这样，坐标变换后才不会改变电机内部的气隙磁场分布，从而不会影响机电能量的转换和电磁转矩的生成。常用的坐标变换可分为两类：一类是从三相静止坐标系ABC到两相静止坐标系αβ的变换，简称3/2变换（clarke变换）；一类是从两相静止坐标系αβ到两相旋转坐标系dq的变换，简称2s/2r变换（park变换）。上述坐标变换又分成“等量”变换和“等功率”变换两种。2.2矢量控制原理2.2.1矢量控制基本思路若dq坐标系以同步转速旋转，则称之为同步旋转坐标系。将三相静止坐标系变换到两相同步旋转坐标系后，三相定子交流电流等效变换成dq坐标系中的直流电流id、iq。若观察者站在铁心上去观察，则所看到的就是一台直流电机。然而上述坐标变换中，定子电流矢量is可以分解为无数对id和iq。如果将d轴定位于转子磁通φr的方向上，则d轴绕组即等效于直流电机的励磁绕组，id等效于励磁电流；q轴绕组即等效于直流电机的电枢绕组，iq也即等效于和转矩成正比的电枢电流，也叫转矩电流。这样，通过调节励磁电流id就可以控制磁通的强弱，在磁通恒定即id不变的情况下，通过控制iq即可以调节转矩的大小。由此，三相异步电机就可以获得和直流电机相类似的控制效果。2.2.2转子磁场定向下异步电机模型分析按转子磁链定向（RFO,rotorfieldoriented）后,异步电机在dq坐标系下的方程如下：1）磁链方程2）电压方程3）电流方程4）转矩方程2.3间接磁场定向及RFO系统结构磁场定向可以分为直接定向和间接定向两种。直接磁场定向，是指利用检测到的电压电流等物理量，根据一定的运算估算出转子磁链幅值和相位的方法。由于直接磁场定向需要利用到一定的数学模型，而数学模型中包含较多的电机参数，一旦在运行过程中电机参数发生变化，就会严重影响磁场定向的准确性。间接磁场定向通过简单计算转差频率来获取磁链的位置，无需建立复杂的包含诸多参数的模型来观测磁链位置，因此应用起来较为简便。本文采取的即是间接磁场定向。三、仿真分析根据2.1、2.2、2.3小节的分析，基于matlab-simulink平台搭建了电动汽车基本驱动技术的仿真模型。图3-1为基于转子磁场间接定向的矢量控制仿真模型。异步电机由三相电压型逆变器进行变压变频控制，从而实现电动汽车的稳定运行。由于电动汽车依靠踩油门下发转矩指令，因此无需转速环。仿真所用电机参数如表3-1所示图3-1基于转子磁场间接定向的矢量控制仿真模型额定电压（V）额定电流（峰值A）定子电阻（Ω）22018.21.26转子电阻（Ω）额定频率（Hz）励磁电感（mH）0.26050定子漏感（mH）转子漏感（mH）额定磁链（wb）4.74.70.4极对数P2表3-1仿真用异步电机模型参数，5hp图3-2至3-6为给定额定转速1800r/min时各变量的波形。在零时刻，给定励磁电流为额定励磁电流8A，同时给定转矩电流呈斜坡上升直至限幅值16.35A，此时定子相电流的峰值达到最大值18.2。图3-2、3-3为励磁电流和转矩电流的给定与反馈波形，可以看出，反馈电流很好的跟踪了给定电流的变化，调节时间为4.8e-4s，稳态时仅在±0.625%之间波动。电流环的动静态性能优良，可以为电动汽车提供稳定的运行性能。图3-4、3-5为定子三相电流的波形及其中一相电流的波形，图为定子线电压经过滤波后的波形，可以看出，定子电流、电压正弦度良好。图3-6为电磁转矩波形，当转矩电流达到限幅值时，电机输出最大电磁转矩18.2Nm，从而满足电动汽车爬坡，起动等性能要求。图3-2图3-3图3-4图3-5图3-6图3-7图3-8至3-11为突加转矩时各变量的波形。考察最恶劣的情况，转矩电流初始为零，在1s时阶跃至转矩电流允许的最大值16.35A。图3-8为转矩电流的波形，1s时刻，转矩电流给定值发生阶跃，反馈电流的超调量为7.6%，调节时间为0.05s，动态响应速度较快，超调较小，满足性能要求。图3-9为励磁电流的响应波形，转矩电流发生突变时，励磁电流有10%的超调，但0.04s之后迅速恢复稳定。图3-10为电磁转矩波形，电磁转矩在1s时从初始的0Nm发生阶跃，经0.3s达到稳定值，转矩动态响应较快。图3-11为定子A相电流的波形。图3-8图3-9图3-10图3-11图3-12至3-14为突减转矩时各变量的波形，图3-12为转矩电流响应，可以看到，转矩电流反馈值几乎完全跟踪了给定值的变化，暂态过程仅为5e-4s。图3-13为励磁电流响应，在2.5s处有小幅的下降，但经0.04s后迅速恢复至稳定值。图3-14为电磁转矩的波形。图3-12图3-13图3-14图3-15至3-17为转速突变时各变量的波形。电机初始1800r/min的额定转速运行，到2.5s时降为900r/min。图3-15、3-16为励磁电流和转矩电流的波形。在转速突变处，两者均有小幅的波动，但经0.03s即恢复稳定。图3-17为电磁转矩的波形。图3-15图3-16图3-17图3-18至3-21为10r/min，转矩突变时各变量的波形，从励磁电流、转矩电流的波形以及电磁转矩的波形可以看出，此种控制策略在低速时动稳态性能同样很好。图3-18图3-19图3-20图3-2