新型增磁電機(jī)控制系統(tǒng)特性分析
邵桂欣，張承寧
(北京理工大學(xué)，北京100081)
摘要：為了消除傳統(tǒng)型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用在電動(dòng)公交車時(shí)存在的缺陷，依據(jù)弱磁調(diào)速的控制思想，研制出新型的續(xù)流增磁電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。依據(jù)控制系統(tǒng)原理圖和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了系統(tǒng)弱磁凋速原理和工作特性。與傳統(tǒng)型串勵(lì)直流電機(jī)相比，該系統(tǒng)在控制思想、控制結(jié)構(gòu)和再生制動(dòng)性能方面均具有極大的優(yōu)越性。建立加速度控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)并分析其穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)節(jié)速度快、平穩(wěn)性好。工作特性能很好地滿足電動(dòng)公交車的動(dòng)力特性要求。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)公交大客車；續(xù)流增磁電機(jī)；弱磁調(diào)速；直流電動(dòng)機(jī)
中國(guó)分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7018(2008)04—0046—03
0引言
作為城市交通的新生力量，電動(dòng)公交客車在各大城市交通中的作用日趨重要。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵系統(tǒng)，其性能直接決定了電動(dòng)汽車的運(yùn)行性能。分析城市公交路況，電動(dòng)公交車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有寬的調(diào)速范圍以保證高速行駛，足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩以保證好的加速性，高效率范圍廣和再生制動(dòng)以保證高效利用能源等杼陛。但各種傳統(tǒng)型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[1,2]的磁場(chǎng)缺乏靈活的可控性，很難滿足電動(dòng)公交車行駛的城市復(fù)雜路面狀況的要求�；谟来偶釉龃艔�(fù)合勵(lì)磁的機(jī)理，我們研制出一種具有自動(dòng)弱磁調(diào)速功能的新型電機(jī)調(diào)速系
統(tǒng)一續(xù)流增磁直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)把增磁繞組接在電機(jī)續(xù)流回路中，產(chǎn)生了全新的自動(dòng)弱磁調(diào)速理念。該系統(tǒng)很好地滿足了電動(dòng)汽車低速增磁增扭、高速弱磁增速的特性需求；而且能在雙象限范圍內(nèi)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車再生制動(dòng)；采用高頻PWM斬波控制，運(yùn)行時(shí)噪聲低。
1續(xù)流增磁控制原理[3]
該增磁直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)弱磁調(diào)速原理圖如圖1所示。電機(jī)控制器的主要功能是接收駕駛員發(fā)出的加速踏板／制動(dòng)踏板(ACCEL／BRAKE)信號(hào)和功率電路中電機(jī)電樞電流傳感器的反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)大客車調(diào)速時(shí)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和再生轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。
式中：Cm為電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Ce為電機(jī)電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；Φy，為永磁磁通；Φz為增磁磁通；ra為電機(jī)電樞電阻；ia為電機(jī)電樞電流；Lf為增磁續(xù)流繞組電感；if為增磁續(xù)流繞組電流;Ve為電機(jī)電樞反電動(dòng)勢(shì)；D為PWM信號(hào)占空比。
當(dāng)電動(dòng)汽車起動(dòng)、加速和高速行駛時(shí)，控制器鎖定BRAKE信號(hào)使IGB他始終處于斷開狀態(tài)�？刂破鹘邮占铀偬ぐ宓腁ccEL信號(hào)，并向功率電路中的IGBTl發(fā)出高頻PWM信號(hào)，控制IGBTl工作在高頻開關(guān)狀態(tài)。PWM的導(dǎo)通角依據(jù)電機(jī)電樞電流的反饋值自動(dòng)調(diào)節(jié)，確保電樞電流與加速信號(hào)AccEL的設(shè)定值對(duì)應(yīng)。當(dāng)IGBTl閉合時(shí)，工作回路為電池組-IGBTl-電機(jī)-電池組，續(xù)流繞組無電流通過，電機(jī)等效為永磁直流電機(jī)。當(dāng)IGBTl斷開時(shí)，工作回路為電機(jī)-續(xù)流繞組-1GBl2反向并聯(lián)二極管一電機(jī)。續(xù)流繞組有電流通過，此時(shí)續(xù)流繞組不僅具有續(xù)流保護(hù)的作用，而且還有增強(qiáng)磁通調(diào)速的功能。
當(dāng)電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)，控制器鎖定ACCEI。信號(hào)使IGBTl始終處于斷開狀態(tài)。控制器接收制動(dòng)踏板的BRAKE信號(hào)，并向功率電路中的IGB吧發(fā)出高頻PWM信號(hào)，控制IGBT2工作在高頻狀態(tài)。增磁續(xù)流繞組通過一個(gè)反并聯(lián)的二極管使得在整個(gè)制動(dòng)過程中，增磁續(xù)流繞組中始終沒有電流流過，不會(huì)產(chǎn)生增磁，電機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)電壓比較穩(wěn)定。電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生泵升超過電池組端電壓給電池組充電，完成再生制動(dòng)。
2續(xù)流增磁直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性
當(dāng)電機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)，電機(jī)電樞的反電動(dòng)勢(shì)小，此時(shí)PWM的占空比很小，電樞電流即可達(dá)到AccEL的設(shè)定值。電流通過續(xù)流增磁繞組的時(shí)間長(zhǎng)，增磁效果顯著，電機(jī)具有很大轉(zhuǎn)矩，對(duì)比傳統(tǒng)電機(jī)，電動(dòng)汽車加速性能得到提高。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增高，電機(jī)電樞反電動(dòng)勢(shì)逐漸增大，PWM占空比逐步增大才能滿足AccEL信號(hào)所設(shè)定的電樞電流。電流通過續(xù)流增磁繞組的時(shí)間則相應(yīng)減小，繞組增磁作用逐步減弱，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)弱磁增速恒功率的特性，很好地滿足電動(dòng)汽車行駛對(duì)動(dòng)力性的需求。整個(gè)弱磁過程中永磁部分的磁通始終保持恒定，與傳統(tǒng)型直流電機(jī)比較，本系統(tǒng)在調(diào)速特性、轉(zhuǎn)矩特性、峰值功率和系統(tǒng)效率等方面具有很大的優(yōu)越性。
2．1電機(jī)續(xù)流回路中有無增磁繞組性能比較[4]
當(dāng)續(xù)流回路不接有增磁繞組時(shí)，該電機(jī)等效為傳統(tǒng)永磁直流電機(jī)。
圖2顯示兩種情況下不同電樞電流時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系對(duì)比結(jié)果(同一曲線上電樞電流恒定)。增磁繞組接在電機(jī)續(xù)流回路中時(shí)，電機(jī)低速轉(zhuǎn)矩顯著增大，極大地提高了汽車的加速性能；隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增高，增磁繞組增磁作用減弱，電機(jī)轉(zhuǎn)矩平滑減小。系統(tǒng)穩(wěn)定性原理表明，當(dāng)?shù)?IMG style="WIDTH: 32px; HEIGHT: 24px" height=33 src="http://m.wlywrsj.cn/issuance/eWebEditor_v280_Free/UploadFile/2010211134730461.jpg" width=41 border=0>時(shí)，系統(tǒng)機(jī)械特性穩(wěn)定，圖2顯示該系統(tǒng)具有大范圍的穩(wěn)定調(diào)速區(qū)。在整個(gè)弱磁調(diào)速過程中，永磁部分的磁通保持恒定，系統(tǒng)在高速時(shí)仍能保持與負(fù)載相平衡的轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)具有大范圍的高功率區(qū)。
借鑒發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性圖，兩種狀況下的峰值轉(zhuǎn)矩和峰值功率外特性對(duì)比情況在圖3和表l中顯示。續(xù)流回路中接有增磁繞組時(shí)，電機(jī)外特性類似于發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性，且具有更廣泛的穩(wěn)定調(diào)速區(qū)域，能滿足電動(dòng)汽車對(duì)轉(zhuǎn)矩和功率的需求規(guī)律；轉(zhuǎn)速相同時(shí)，續(xù)流增磁電機(jī)具有更大的轉(zhuǎn)矩和更高的效率。
3加速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及傳遞函數(shù)
由弱磁調(diào)速原理可知，控制器依據(jù)加速信號(hào)AccEL與電樞電流的反饋值兩者差值調(diào)節(jié)PwM。其中單片機(jī)選用積分控制，k0為比例系數(shù)；電機(jī)繞組的ra和la構(gòu)成電磁慣性。為改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性， 增加輸出ia的微分負(fù)反饋,取比例系數(shù)為T,據(jù)此加速度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
T1為保護(hù)電路及濾波器的時(shí)間常數(shù)O．02 s，電流傳感器輸入單片機(jī)電壓為5 V，電機(jī)電樞電流****值為300 A，故kc=0．016 7。
由勞斯判據(jù)推出，若系統(tǒng)穩(wěn)定，必須滿足(384.6+359267t)x56．69-35926>O，即T>0．006 629。
t分別取0．02，0．03，O．04，O．05獲得系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖5所示。
由圖5可知，隨著t取值增大，加速度控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)量逐步減小并在較短時(shí)間內(nèi)收斂于期望值，可獲得滿意的控制結(jié)果。
4結(jié)語
永磁加增磁繞組復(fù)合勵(lì)磁的新型直流牽引電動(dòng)機(jī)一續(xù)流增磁電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的缺陷，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，穩(wěn)定調(diào)速范圍廣和效率高等優(yōu)點(diǎn)。
與傳統(tǒng)等效永磁電機(jī)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)在轉(zhuǎn)矩、功率特性和系統(tǒng)效率都有很大的優(yōu)勢(shì)；與傳統(tǒng)串勵(lì)直流電機(jī)系統(tǒng)相比，控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，可靠性高，解決了傳統(tǒng)串勵(lì)直流電機(jī)需要犧牲轉(zhuǎn)矩來增速的缺陷；再生制動(dòng)時(shí)無需增加額外的輔助控制電路。
從加速度控制系統(tǒng)性能分析結(jié)果看，該電機(jī)控制系統(tǒng)可獲得滿意的控制效果。
試驗(yàn)結(jié)果和裝車試驗(yàn)表明，該電機(jī)弱磁調(diào)速系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)節(jié)特性快速、平穩(wěn)，低速增磁增扭和高速弱磁增速的特性很好地滿足電動(dòng)公交大客車的動(dòng)力特性要求。
