基于永磁同步電機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)高低壓聯(lián)合起動(dòng)策略研究

高曉宇， 韓志平， 田德文， 劉華源

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

基于永磁同步電機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)高低壓聯(lián)合起動(dòng)策略研究

高曉宇， 韓志平， 田德文， 劉華源

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

針對(duì)低溫環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難的問(wèn)題，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中不同轉(zhuǎn)速下的起動(dòng)力矩需求，基于永磁同步電機(jī)原理及最大扭矩電流比控制方法，采用曲線擬合，確定了電機(jī)起動(dòng)中電流的控制方案，實(shí)現(xiàn)了高低壓聯(lián)合起動(dòng)時(shí)，最低能耗下發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠起動(dòng)，并通過(guò)起動(dòng)系統(tǒng)樣機(jī)臺(tái)架性能測(cè)試，驗(yàn)證了聯(lián)合起動(dòng)策略的有效性.

永磁同步電機(jī)；最大轉(zhuǎn)矩電流比控制；聯(lián)合起動(dòng)控制策略

永磁同步電機(jī)以體積小、力矩慣量比高、能量密度高等優(yōu)勢(shì)成為最具競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電機(jī)，目前國(guó)內(nèi)外大都采用由低壓蓄電池或超級(jí)電容、起動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、起動(dòng)機(jī)控制器組成的起動(dòng)系統(tǒng).文獻(xiàn)[1]中介紹了采用低壓供電體制的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)力矩、轉(zhuǎn)速等進(jìn)行合理匹配，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的起動(dòng).文獻(xiàn)[2]中的汽油機(jī)采用高壓供電、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式起動(dòng)單缸汽油機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn).但是，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)會(huì)受到環(huán)境溫度的影響，文獻(xiàn)[1]和[2]中的傳統(tǒng)起動(dòng)模式未考慮在低溫環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng).在低溫環(huán)境下，車輛需要克服比常溫時(shí)更大的阻力，點(diǎn)火也較常溫困難, 而單一的供電體制也會(huì)在較大程度上影響發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的可靠性.采用低壓起動(dòng)時(shí)，由于蓄電池放電能力不足，經(jīng)常出現(xiàn)后繼無(wú)力，打齒等現(xiàn)象導(dǎo)致起動(dòng)失?。徊捎酶邏浩饎?dòng)時(shí)，飛輪發(fā)電機(jī)輸出力矩，需要超級(jí)電容持續(xù)大電流放電，而超級(jí)電容的容量不足以支撐長(zhǎng)達(dá)數(shù)秒或十?dāng)?shù)秒的起動(dòng)過(guò)程，電壓急劇下降到零伏，無(wú)法起動(dòng).如果按照低溫環(huán)境下的功率扭矩選擇蓄電池、起動(dòng)電機(jī)、超級(jí)電容、飛輪發(fā)電機(jī)和控制器，會(huì)造成絕大多數(shù)工況下的功率浪費(fèi)，占用車輛安裝空間，增加成本.

針對(duì)某試樣機(jī)低溫環(huán)境下的起動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)分析發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中不同轉(zhuǎn)速下的起動(dòng)力矩需求，針對(duì)各種轉(zhuǎn)速合理分配起動(dòng)力矩及起動(dòng)時(shí)間，運(yùn)用最大扭矩電流比控制方法及高低壓聯(lián)合起動(dòng)控制策略，實(shí)現(xiàn)最低能耗下發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠起動(dòng).

1 高低壓聯(lián)合起動(dòng)系統(tǒng)及工作原理

試樣機(jī)所采用的起動(dòng)系統(tǒng)由蓄電池、超級(jí)電容、永磁同步電機(jī)、控制器組成.原理圖如圖1所示.

圖1 起動(dòng)系統(tǒng)原理圖

發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸連接，通過(guò)控制器將蓄電池提供的低壓直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟姡斎氲接来磐诫姍C(jī)繞組中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，進(jìn)行高壓供電，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)完成起動(dòng)過(guò)程.

2 高低壓聯(lián)合起動(dòng)系統(tǒng)控制策略及工程實(shí)現(xiàn)

在給定電機(jī)起動(dòng)扭矩的情況下，通過(guò)最大扭矩電流比控制策略，最優(yōu)配置交、直軸電流，確定起動(dòng)電流的約束曲線，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫環(huán)境下的可靠起動(dòng).

2.1 最大扭矩電流比控制策略

最大扭矩電流比控制(MTPA)[3-5]，即在給定扭矩的情況下，最優(yōu)配置交直軸電流，使定子電流最小，達(dá)到單位電流下電機(jī)輸出扭矩最大.采用此策略的關(guān)鍵則是確定電磁扭矩與定子電流之間的關(guān)系.因此，需先建立永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型.

永磁同步電機(jī)定子上對(duì)稱分布有A、B、C三相繞組,采用功率不變?cè)瓌t進(jìn)行坐標(biāo)變換，將ABC三相靜止坐標(biāo)系變?yōu)閐-q轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系.引入零序電流后，ABC軸系變換到dq0軸系的矩陣為：

(1)

式中：γ為d軸軸線與電機(jī)A相繞組軸線的夾角.

在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，永磁同步電機(jī)電壓方程為：

(2)

扭矩方程為：

(3)

電機(jī)定子電流為：

(4)

式中：Ld,Lq分別為電機(jī)直軸、交軸同步電感；Rs分別為電機(jī)定子電阻；δ為功率角；Te為電磁扭矩；P為轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù).

由以上數(shù)學(xué)模型可得到永磁同步電機(jī)的矢量圖，如圖2所示.

圖2 永磁同步電機(jī)矢量圖

對(duì)式(3)、式(4)構(gòu)造Lagrange輔助函數(shù)，得

(5)

將式(5)分別對(duì)id、iq和λ求偏導(dǎo)數(shù)并令其為零，求得扭矩的極值，此時(shí)id、iq、Te三者之間的關(guān)系為：

.

(6)

由式(6)得到id=f(Te)和iq=g(Te)的曲線，如圖3所示.

圖3 扭矩與d、q軸電流關(guān)系圖

在工程運(yùn)用中，通常是離線計(jì)算出各表達(dá)式的對(duì)應(yīng)分配值，然后采用查表的方式設(shè)定給定值，但d、q軸電流與電磁扭矩的表達(dá)式(6)包含開平方等運(yùn)算，極為復(fù)雜，因此，我們采用文獻(xiàn)[6]中的曲線擬合的方法以及多項(xiàng)式擬合函數(shù)來(lái)計(jì)算.通過(guò)MATLAB軟件的曲線擬合工具fitbook，對(duì)函數(shù)曲線(見圖3)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，使擬合曲線達(dá)到精度要求，達(dá)到簡(jiǎn)化表達(dá)式(6)的目的，從而運(yùn)用計(jì)算出的擬合多項(xiàng)式函數(shù)，設(shè)定d、q軸電流.多項(xiàng)式擬合函數(shù)如式(7)所示.

y=anxn+an-1xn-1+an-2xn-2+...+a0.

(7)

2.2 最大扭矩電流比控制策略工程實(shí)現(xiàn)

某試樣機(jī)的參數(shù)見表1.

表1 電機(jī)參數(shù)

該試樣機(jī)的起動(dòng)工況所需的永磁同步電機(jī)起動(dòng)扭矩曲線如圖4所示.

圖4 永磁同步電機(jī)起動(dòng)扭矩曲線

為充分發(fā)揮蓄電池和超級(jí)電容的能量?jī)?chǔ)備，避免同時(shí)發(fā)動(dòng)時(shí)電流消耗過(guò)快導(dǎo)致后繼無(wú)力的現(xiàn)象，因此采用高低壓順序起動(dòng)的方式.設(shè)置n1為高壓進(jìn)入轉(zhuǎn)速，n2為發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火轉(zhuǎn)速.當(dāng)轉(zhuǎn)速n在[0,n1]范圍內(nèi)時(shí)，采用低壓供電模式，進(jìn)行零電流起動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)速n>n1后，供電模式改為高低壓聯(lián)合供電，扭矩快速上升至峰值扭矩并保持，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高到點(diǎn)火轉(zhuǎn)速n2；當(dāng)轉(zhuǎn)速n>n2時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng)，扭矩逐漸減小至零.

按照?qǐng)D4的電機(jī)起動(dòng)扭矩曲線，采用最大扭矩電流比控制方法，運(yùn)用擬合多項(xiàng)式函數(shù)，設(shè)定d、q軸電流，確定電流約束曲線，從而將低壓系統(tǒng)中的蓄電池、高壓系統(tǒng)中的超級(jí)電容的能量與起動(dòng)過(guò)程中電機(jī)的起動(dòng)時(shí)間進(jìn)行合理匹配，完成發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)過(guò)程[7].

將試驗(yàn)樣機(jī)的參數(shù)(見表1)代入多項(xiàng)式擬合函數(shù)式(7)，對(duì)函數(shù)曲線圖3(a)和(b)進(jìn)行擬合，得到擬合多項(xiàng)式(8).

(8)

由式(8)計(jì)算擬合曲線精度參數(shù)：id擬合精度為R-square=1,RMSE=0.093 99；iq擬合精度為R-square=1,RMSE=0.017 21.擬合效果較為理想，達(dá)到擬合精度要求，該多項(xiàng)式函數(shù)可以代替式(7)，設(shè)定d、q軸電流.由式(8)計(jì)算得到該電機(jī)的起動(dòng)電流約束曲線，如圖5所示.

圖5 起動(dòng)電流約束曲線[8]

起動(dòng)電流受轉(zhuǎn)速約束曲線和時(shí)間約束曲線共同約束.由圖5(a)可知，在起動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于點(diǎn)火轉(zhuǎn)速n2時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，id、iq按一定斜率從給定值下降，轉(zhuǎn)速超過(guò)n2后id、iq逐漸降至0.由圖5(b)可知，起動(dòng)開始時(shí)，為保證起動(dòng)電流平滑變化，避免超級(jí)電容產(chǎn)生很高的尖峰電壓，id、iq從0逐漸增加至給定值，最多維持最長(zhǎng)起動(dòng)時(shí)間t后，緩慢降至0.

按照?qǐng)D5所確定的電流約束曲線，可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)可靠起動(dòng)所需的起動(dòng)扭矩，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫起動(dòng).

3 臺(tái)架試驗(yàn)

為驗(yàn)證控制策略的有效性，通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)由試驗(yàn)樣機(jī)、高低壓聯(lián)合起動(dòng)系統(tǒng)組成.得到電機(jī)起動(dòng)扭矩隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖6所示.

由圖6可知，飛輪發(fā)電機(jī)在0.05s內(nèi)起動(dòng)扭矩達(dá)到最大，進(jìn)入恒扭矩模式，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)t=0.1 s時(shí)扭矩減小，進(jìn)入恒功率模式；當(dāng)t=0.25 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，發(fā)動(dòng)機(jī)順利起動(dòng).

圖6 飛輪發(fā)電機(jī)起動(dòng)扭矩隨時(shí)間變化曲線

4 結(jié) 論

利用永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，采用最大扭矩電流比控制方法，提供了一種采用高、低壓聯(lián)合起動(dòng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，將低壓系統(tǒng)中的蓄電池、高壓系統(tǒng)中的超級(jí)電容的能量與起動(dòng)過(guò)程中電機(jī)的起動(dòng)時(shí)間進(jìn)行了合理的匹配，提高了車輛起動(dòng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本，解決了車輛低溫冷起動(dòng)的難題.

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Research on Combination Start-up Control Strategy of DieselBased on the PMSM System

GAO Xiao-yu， HAN Zhi-ping， TIAN De-wen， LIU Hua-yuan

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072,China)

Aiming at the start-up difficulty of diesel in the low temperature environment, the current control framework was proposed by using the curve fitting method based on the PMSM principle and MTPA control in order to meet the torque requirement within various speed of diesel in this paper. The method ensures the reliable start-up of diesel with the lowest energy cost during the combined high and low voltage start-up procedure, and verifies the combined start-up control strategy by taking experiments on the prototype diesel.

PMSM；MTPA control；combine start-up control strategy

1009-4687(2017)01-0029-04

2016-12-28.

高曉宇(1989-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇蠊β孰姍C(jī)驅(qū)動(dòng).

U464.142.01;TM351

A