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      電動汽車用異步電機參數(shù)辨識及優(yōu)化

      2014-08-08 03:17:08
      電機與控制應(yīng)用 2014年6期
      關(guān)鍵詞:時間常數(shù)異步電機等效電路

      李 強

      (中國衛(wèi)星海上測控部,江蘇 江陰 214400)

      0 引 言

      隨著汽車工業(yè)的發(fā)展以及世界各國汽車保有量的持續(xù)增加,能源危機和環(huán)境污染等問題日益突出。電動汽車在一定程度可以緩解傳統(tǒng)燃油汽車帶來的危害。電池、電機及電機控制器是電動汽車的三大關(guān)鍵技術(shù)[1]。異步電機因其費用低、可靠性高、轉(zhuǎn)矩波動小和噪聲小被廣泛應(yīng)用于電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)[2]。良好的電機驅(qū)動控制技術(shù)在很大程度上影響著電動汽車的運動性能,常用的異步電機控制方法有V/f控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、空間矢量控制等??臻g矢量控制技術(shù)通過旋轉(zhuǎn)坐標變換將強耦合的交流電機等效為直流電機,可以獲得與直流電機相同的控制特性,因而在電動汽車驅(qū)動電機控制技術(shù)中獲得了廣泛應(yīng)用。空間矢量控制必須依賴電機參數(shù)完成磁場定向以及磁鏈的計算,如果電機參數(shù)精確度不高,將會使矢量控制喪失優(yōu)勢,造成系統(tǒng)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性下降,甚至產(chǎn)生振蕩[3]。因此,如何精確辨識電機參數(shù)是實現(xiàn)矢量控制的首要問題。

      本文研究了電動汽車用異步電機的矢量控制基本原理,分析了基于轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)對電機參數(shù)的依賴性及參數(shù)對整個控制系統(tǒng)的影響,提出了一種異步電機離線參數(shù)辨識改進算法。在文獻[5]的基礎(chǔ)上對電機參數(shù)進行初步辨識,通過給電機注入帶有幅值偏量的正弦信號優(yōu)化電機轉(zhuǎn)子電阻Rr,通過給電機注入階躍激勵信號優(yōu)化轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Tr。最后,在7.5kW異步電機上進行了離線參數(shù)辨識,驗證了本文所提算法。

      1 電動汽車用異步電機基本控制原理

      基于轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電機矢量控制原理如圖1所示。通過轉(zhuǎn)子磁場定向可以將定子電流分解為建立轉(zhuǎn)子磁場的純勵磁分量iM和平衡轉(zhuǎn)子電流的純轉(zhuǎn)矩分量iT,并實現(xiàn)對純勵磁分量iM和純轉(zhuǎn)矩分量iT的解耦,通過對定子電流兩個分量iM、iT的控制實現(xiàn)異步電機的矢量控制。在電動汽車用異步電機矢量控制系統(tǒng)中,通過“油門踏板”控制轉(zhuǎn)矩電流,從而控制電機電磁轉(zhuǎn)矩,進而控制電機的轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)電動汽車的加速、減速行駛。

      圖1 基于轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電機矢量控制原理

      在轉(zhuǎn)子磁場定向的過程中,必須知道電機的轉(zhuǎn)子電阻Rr、轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Tr和互感Lm。轉(zhuǎn)子電阻Rr、轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Tr是對系統(tǒng)影響最大、最關(guān)鍵的參數(shù)。如果電機參數(shù)與實際值不符,不僅會使矢量控制系統(tǒng)喪失優(yōu)勢,還會對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能產(chǎn)生嚴重影響,將會使電機過激勵,引起磁路飽和、功率因數(shù)下降、耗損增大、溫升變高,還會使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。電動汽車在正常行駛的過程中,要求其驅(qū)動電機變頻調(diào)速范圍寬,因此獲得準確的電機參數(shù)尤為關(guān)鍵。

      2 異步電機參數(shù)初步辨識

      2.1 異步電機等效電路

      根據(jù)文獻[4],可得異步電機的T型等效電路,如圖2(a)所示??蓪型等效電路轉(zhuǎn)換成IΓ型等效電路,如圖2(b)所示。

      圖2 異步電機等效電路

      T型等效電路和IΓ型等效電路之間的關(guān)系是[4]

      (1)

      (2)

      (3)

      式中:Lr=Lm+Lsr。

      2.2 轉(zhuǎn)子電阻Rr、互感Lm、轉(zhuǎn)子漏感Lσr辨識

      Gastli提出了通過向電機注入單相正弦信號來獲得電機參數(shù)的方法,并分析了分別在兩種不同頻率的單相正弦信號激勵下,用IΓ型等效電路辨識的電機參數(shù)精度比T型等效電路高?;谠撗芯浚疚奶岢隽水惒诫姍C轉(zhuǎn)子電阻Rr、互感Lm、轉(zhuǎn)子漏感Lσr辨識的實現(xiàn)方法和步驟。

      (4)

      (5)

      (6)

      式中:R2eq=Req-Rs,Rs為定子電阻。根據(jù)文獻[6]所提算法,通過給電機注入單相直流激勵信號辨識定子電阻Rs。

      (7)

      (8)

      (9)

      (10)

      3 轉(zhuǎn)子電阻Rr及轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Tr優(yōu)化

      3.1 轉(zhuǎn)子電阻Rr優(yōu)化

      在異步電機矢量控制系統(tǒng)中,將定子三相電流通過坐標變換轉(zhuǎn)換到靜止的αβ坐標系中,利用矢量控制系統(tǒng),向電機α軸通入帶有幅值偏量的正弦信號,使電機的α相和β相電流滿足式(11)。異步電機α相等效電路,如圖3所示。

      iαs=I0+Mhsin(ωht)
      iβs=0

      (11)

      式中:I0——額定電流;

      Mh——取額定電流的一半。

      圖3 異步電機d相等效電路

      當頻率ωh足夠大時,直流分量I0流過Lm,正弦分量Mhsin(ωht)通過Rr。頻率ωh可由式(12)確定。

      (12)

      則有

      (13)

      式中,Lm、Lσr、Rr的值可由式(7)~式(9)獲得。由圖3可知

      Rra(Mhsinωht)

      (14)

      化簡式(14),并考慮到Lσs=Lσr,則有

      Vαs-Rsiαs=(Rs+Rra)Mhsinωht+

      2LσsωhMhcosωht=

      AMhsin(ωht+αh)

      (15)

      由上式可得轉(zhuǎn)子電阻的優(yōu)化值Rra為

      Rra=2Lσsωhcotαh-Rs

      (16)

      式中,αh為Vαs-Rsiαs和Mhsin(ωht+αh)的相位差,可以通過AD采樣和FFT變換獲得。

      3.2 轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Tr優(yōu)化

      在兩相靜止αβ坐標系下,異步電機數(shù)學模型為[7]

      (17)

      在電機控制逆變電路中,給電機定子注入單相階躍信號,電機處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài),電機內(nèi)部不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場,即電機的轉(zhuǎn)速ωr為0,并注意到異步電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子繞組是短接的,urα和urβ為0,則式(17)可等效為

      (18)

      考慮到電機的定子電流瞬態(tài)過程很短,因此可以忽略與電機定子電流相關(guān)的微分項,根據(jù)式(18)有

      (19)

      (20)

      由式(19)、式(20)可得

      (21)

      根據(jù)式(21)可得,在αβ坐標系中,定子α相電壓usα在單相階躍信號激勵下按指數(shù)規(guī)律衰減,衰減的時間常數(shù)是轉(zhuǎn)子時間常數(shù)。式中,Rs、Lm為初步辨識值,usα、isα可通過測量獲得,k是與電機有關(guān)的常數(shù)。因此,根據(jù)usα的衰減規(guī)律即可確定轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Tr。

      4 試驗研究

      4.1 轉(zhuǎn)子電阻Rr、互感Lm、轉(zhuǎn)子漏感Lσr初步辨識

      為驗證本文所提方法的有效性,對7.5kW交流異步電機參數(shù)進行辨識。異步電機控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。主控芯片選擇TI公司DSPTMS320F-2812,IGBT開關(guān)頻率為2kHz,死區(qū)時間為4.6μs,定子側(cè)直流電壓Udc為72V。

      圖4 異步電機控制系統(tǒng)框圖

      圖4中,U、V相導通,W相斷開,可得到H橋式電機控制原理電路,如圖5所示。在H橋式控制原理的基礎(chǔ)上,采用SPWM調(diào)制方法生成正弦信號。在正弦信號正半周期時,V相保持Sb-始終處于導通狀態(tài),對U相進行SPWM調(diào)制;在正弦信號的負半周期時,V相則保持Sb+始終處于導通狀態(tài),對U相進行SPWM調(diào)制。W相一直處于斷開狀態(tài)。這樣就等效向電機注入單相正弦激勵信號。電流采樣方式選擇周期中斷觸發(fā)采樣,采樣周期為167μs。

      圖5 電機H橋式控制原理電路

      通過調(diào)整載波比可得到不同頻率的正弦信號。圖5中,通過H橋電路給電機注入頻率分別為25Hz和50Hz的正弦電流激勵信號,在這兩種正弦信號的激勵下,通過分析其電壓、電流幅值及功率因數(shù),根據(jù)式(7)~式(10)可獲得電機的基本參數(shù)。

      表1 電機參數(shù)初步辨識結(jié)果

      由表1可看出,轉(zhuǎn)子電阻和轉(zhuǎn)子時間常數(shù)的誤差比較大,分別為12.4%和15.4%。而這兩個參數(shù)對電機空間矢量控制系統(tǒng)影響最大,因此需要對其進行優(yōu)化和修正。

      4.2 轉(zhuǎn)子電阻Rr修正

      本文所選7.5kW異步電機額定電流為 80A。根據(jù)式(11),可取I0=80A,Mh=40A。根據(jù)式(13)及表1的第一組試驗數(shù)據(jù)計算可得ωh的最小值為61.3Hz,因此取ωh=65Hz。在異步電機矢量控制系統(tǒng)中,控制α相和β相電流滿足式(22)。注入電機的正弦激勵信號如圖6所示。

      iαs=80+40sin(50t)
      iβs=0

      (22)

      圖6 注入電機的正弦激勵信號

      圖7 Vds-Rsids和Mhsin(ωht+αh)相位差

      通過AD采樣和FFT變換可獲得兩種信號的相位差,如圖7所示。根據(jù)式(16)即可獲得轉(zhuǎn)子電阻修正值為11.3mΩ。當ωh分別取70、75、80、85Hz 時,可以得到多組試驗結(jié)果,如圖8所示。可看出修正后的轉(zhuǎn)子電阻曲線更逼近真值。

      圖8 轉(zhuǎn)子電阻優(yōu)化前后比較

      4.3 轉(zhuǎn)子時間常數(shù)修正

      在兩相靜止的αβ坐標系中,在t=0.3s時,向電機α相注入幅值為-10A的直流階躍信號,控制電機迅速進入穩(wěn)定狀態(tài),電機電壓呈指數(shù)規(guī)律衰減,電壓衰減的時間常數(shù)即為電機轉(zhuǎn)子時間常數(shù)。電機定子電壓衰減變化曲線如圖9所示,電壓衰減的指數(shù)時間為0.049s,即電機轉(zhuǎn)子時間常數(shù)為0.049。

      圖9 電機定子電壓衰減變化曲線

      多次試驗可以獲得多組試驗結(jié)果。轉(zhuǎn)子時間常數(shù)優(yōu)化前后的比較如圖10所示,可以看出修正后的轉(zhuǎn)子時間常數(shù)更接近電機的真值。

      圖10 轉(zhuǎn)子時間常數(shù)優(yōu)化前后的比較

      5 結(jié) 語

      本文對電動汽車用異步電機矢量控制系統(tǒng)進行研究,分析了電機參數(shù)對整個控制系統(tǒng)的影響,提出了一種異步電機離線參數(shù)初步辨識及優(yōu)化修正算法。該算法對電機參數(shù)進行初步辨識,并在矢量控制系統(tǒng)中通過給電機注入不同的激勵信號對電機轉(zhuǎn)子電阻Rr和轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Tr進行優(yōu)化修正。最后在7.5kW電機上試驗,驗證了本文所提算法。參數(shù)辨識及優(yōu)化過程簡單易實現(xiàn)、精度高,滿足矢量控制的要求,尤其可以滿足電機大范圍變頻調(diào)速控制,適用于電動汽車用異步電機參數(shù)辨識。

      【參考文獻】

      [1] 崔勝民.現(xiàn)代汽車系統(tǒng)控制技術(shù)[M].北京: 北京大學出版社,2008.

      [2] ZERAOULIA M, BENBOUZID M E H, DIALLO D. Electric motor drive selection issues for HEV propulsion systems: a comparative study[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2006,55(6): 1756-1764.

      [3] 王成元,夏加寬,孫宜標.現(xiàn)代電機控制技術(shù)[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2008.

      [4] SLEMON G R . Modeling of induction machines for electric drives[J]. Industry Applications, IEEE Transactions, 1989,25(6): 1126-1131.

      [5] GASTLI A. Identification of induction motor equiva-lent circuit parameters using the single-phase test [J]. Energy Conversion, IEEE Transactions, 1999,14(1): 51-56.

      [6] 賀艷暉,王躍,王兆安.異步電機參數(shù)離線辨識改進算法[J].電工技術(shù)學報,2011(6): 77-84.

      [7] 閻治安,崔新藝,蘇少平.電機學[M].西安: 西安交通大學出版社,2006.

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