電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率優(yōu)化控制

周雅薇，聶建華

(安徽工業(yè)大學(xué)電氣信息學(xué)院，安徽馬鞍山 243000)

電動(dòng)汽車以能源利用率高、環(huán)境污染小、噪音低等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛關(guān)注。電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和電池技術(shù)是電動(dòng)汽車的核心技術(shù)。永磁同步電機(jī)以其高功率密度和高效率等優(yōu)點(diǎn)，作為電動(dòng)汽車首選電機(jī)并得到廣泛應(yīng)用。由于電池技術(shù)局限性，電動(dòng)汽車一次續(xù)航里程有限的問題無法從根本上解決，因此提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率成為解決該問題的有效途徑［1－3］。

提高電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率方法有3種:完善電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化逆變器的輸出波形及利用效率優(yōu)化控制策略［1］。對于給定的永磁同步電機(jī)，通常采用效率優(yōu)化控制策略提高系統(tǒng)效率。目前，研究的PMSM效率優(yōu)化策略主要有基于損耗模型的效率優(yōu)化控制策略(LMC)和基于在線搜索技術(shù)的效率優(yōu)化控制策略(SC)。文獻(xiàn)［2］采用黃金分割法來搜索最小損耗下的最優(yōu)定子磁鏈值，該方法能快速尋找到最優(yōu)定子磁鏈值，收斂速度較快，但起始階段轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大;文獻(xiàn)［3］提出一種模糊邏輯自適應(yīng)和黃金分割法相結(jié)合的混合搜索方法，有效提高系統(tǒng)效率，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在一定程度上影響了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。文獻(xiàn)［46］建立了電機(jī)的損耗模型，通過數(shù)學(xué)方法求得最小損耗下的最優(yōu)磁鏈值，從而達(dá)到降低系統(tǒng)損耗的目的，但由于電動(dòng)汽車運(yùn)行工況復(fù)雜，起動(dòng)加速度頻繁，造成電機(jī)參數(shù)變化大，使得損耗模型下的最優(yōu)直軸電流和最優(yōu)磁鏈難以準(zhǔn)確計(jì)算［7］。

文中研究了基于損耗模型的永磁同步電機(jī)效率優(yōu)化策略。針對電機(jī)運(yùn)行過程中定子電阻的變化引起最優(yōu)電流無法準(zhǔn)確計(jì)算的問題，運(yùn)用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定子電阻觀測器有效地在線估計(jì)出實(shí)時(shí)電阻值，使電流最優(yōu)，進(jìn)而使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率達(dá)到最優(yōu)。最后通過仿真驗(yàn)證了文中算法的有效性。

1 PMSM損耗模型的建模與分析

PMSM穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的損耗包括定子繞組電阻損耗、鐵心損耗、機(jī)械損耗及雜散損耗。其中鐵心損耗和定子繞組電阻損耗占總損耗的比重較大;機(jī)械損耗包括風(fēng)摩損耗及軸承摩擦損耗，與電機(jī)電流和磁通量無關(guān)。為簡化永磁同步電機(jī)的損耗模型，在d－q下建立只考慮銅損和鐵損的電機(jī)損耗模型，等效電路如圖1所示。

圖1 中，ud、uq、id、iq分別為 d － q坐標(biāo)系下定子電壓和電流;Rs、RFe、φf分別為定子電阻、等效鐵損電阻和永磁體磁鏈;iωd、iωq、iFed、iFeq分別為 d、q 軸上的電流有功分量和無功分量。

圖1 d－q下PMSM等效電路圖

由圖1可得穩(wěn)態(tài)下的電壓方程、節(jié)點(diǎn)電流方程為

經(jīng)整理后可得穩(wěn)態(tài)時(shí)電機(jī)的鐵損和銅損為

則總的電氣損耗為

由于d、q軸上的磁鏈分量和電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為

將式(8)代入式(5)可得

考慮到在數(shù)字化系統(tǒng)中，采樣周期較短，因此在每個(gè)采樣周期內(nèi)，可以認(rèn)為Te和ω是恒定的。由式(9)可知，通過調(diào)節(jié)iωd可以使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的損耗最小。令可求得最小損耗時(shí)的最優(yōu)電流i為ωd.opt

將式(10)代入式(6)和式(7)，可求得磁鏈分量φd和φq，則最小損耗下PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)最優(yōu)磁鏈給定值φs.opt為

2 基于電阻補(bǔ)償?shù)腜MSM最小損耗策略

電機(jī)運(yùn)行過程中定子電阻隨溫度的變化而變化，由式(10)可知，將造成最優(yōu)電流計(jì)算不準(zhǔn)確，進(jìn)而降低優(yōu)化效果，因此，在損耗模型的基礎(chǔ)上對定子電阻進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，即可降低定子電阻對優(yōu)化策略的影響，有效提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。

2.1 定子電阻動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

由上述分析可知，在電機(jī)運(yùn)行期間對定子電阻進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可改善系統(tǒng)的效率。文中采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定子電阻觀測器在線實(shí)時(shí)觀測出定子電阻的變化量，從而對定子電阻進(jìn)行在線補(bǔ)償。根據(jù)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，構(gòu)建小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定子電阻觀測器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 定子電阻觀測器的結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)電機(jī)繞組最高溫度確定定子繞組端部溫度T的變化范圍為0～110℃;溫度變化率ΔT的范圍為－3～+3℃/min;ΔR的變化范圍為;0～2.3Ω。為便于處理和訓(xùn)練，將T、ΔT、ΔR做歸一化處理。把溫度T'和溫度變化率ΔT'作為小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入量，輸入到訓(xùn)練好的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，由此得出歸一化的定子電阻的變化量ΔR'，進(jìn)而得出ΔR，補(bǔ)償后定子電阻值為R+ΔR。

2.2 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

把溫度和溫度變化率作為小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入量，將它們之間的關(guān)系定義為一個(gè)未知函數(shù)

通過小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識式(12)所示的兩輸入單輸出的未知非線性函數(shù)關(guān)系，文中設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)的第1層將輸入引入網(wǎng)絡(luò)，第2層由小波元構(gòu)成，執(zhí)行小波變換，所有小波元組成一個(gè)非正交小波基。假設(shè)小波元的數(shù)量為s，所采用的小波母函數(shù)為Φ(x)，則第2層輸入輸出關(guān)系可表示為

其中，I(2)i，O(2)i分別為第2層第i個(gè)神經(jīng)元的輸入和輸出，i=1，2，…，s，參數(shù) ami和 bmi為伸縮和平移系數(shù)，這里小波母函數(shù)采用墨西哥草帽函數(shù)，表達(dá)式如下

網(wǎng)絡(luò)的第3層通過小波逆變換對網(wǎng)絡(luò)描述的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行重構(gòu)，得到網(wǎng)絡(luò)的輸出

其中，權(quán)值ωi為重構(gòu)系數(shù)。

3 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

文中在Matlab Simulink平臺上對基于效率改善策略的PMSM DTC系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

圖4 系統(tǒng)仿真電路

仿真中采用的電機(jī)模型參數(shù)具體如下:定子電阻Rs=2.875Ω;銅損電阻RFe=108.23Ω;直、交軸電感Ld=Lq=0.008 5 H;轉(zhuǎn)子磁鏈Ψf=0.175 Wb;額定電壓VN=380 V;額定轉(zhuǎn)速nN=1 500 rad/min;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=1.00e－3 kg·m2，極對數(shù) nN=2。

設(shè)定初始負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1 N·m，在0.2 s時(shí)變?yōu)? N·m，轉(zhuǎn)速為100 rad/s。圖5和圖6分別為不同給定磁鏈方式下轉(zhuǎn)矩和速度的仿真波形。從仿真結(jié)果中可以看出，無論是在啟動(dòng)至平穩(wěn)時(shí)，還是在轉(zhuǎn)矩突變時(shí)，基于損耗模型動(dòng)態(tài)給定磁鏈方式和基于改進(jìn)的損耗模型動(dòng)態(tài)給定磁鏈方式的響應(yīng)性能都優(yōu)于給定磁鏈方式，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)相應(yīng)減小，轉(zhuǎn)速響應(yīng)較快。圖7是不同給定磁鏈下的總損耗仿真波形。如圖7所示，相比給定磁鏈方式，基于損耗模型動(dòng)態(tài)給定磁鏈方式和基于改進(jìn)的損耗模型動(dòng)態(tài)給定磁鏈方式下的總損耗明顯降低，其中，基于改進(jìn)的動(dòng)態(tài)給定磁鏈方式下總損耗更小。因此，基于改進(jìn)的動(dòng)態(tài)給定磁鏈方法在同時(shí)滿足快速性和穩(wěn)定性的要求下提高了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率。

4 結(jié)束語

提出了一種基于改進(jìn)的損耗模型效率優(yōu)化方法，通過損耗模型計(jì)算出最優(yōu)磁鏈方程，然后采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定子觀測器估計(jì)出實(shí)時(shí)的定子電阻值，從而計(jì)算出精確的最優(yōu)磁鏈值，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率最優(yōu)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中提出的方法能夠顯著提高電機(jī)運(yùn)行效率、降低系統(tǒng)總損耗，滿足系統(tǒng)高響應(yīng)要求。

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