薛夢(mèng)覺(jué)，康勁松，魏俊天，朱日升

(同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海201804)

引言

面對(duì)嚴(yán)重的環(huán)境污染和緊迫的石油資源危機(jī)問(wèn)題，電動(dòng)汽車(chē)在近些年得到大力發(fā)展。內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)(IPMSM)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、功率密度高、廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中[1]。為增加驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)性，目前車(chē)用IPMSM主要采用矢量控制算法和空間脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)進(jìn)行高性能調(diào)控，以降低轉(zhuǎn)矩和電流脈動(dòng)，提高直流母線(xiàn)電壓的利用率。

與工業(yè)電機(jī)控制芯片相比，汽車(chē)級(jí)控制芯片需要滿(mǎn)足更高的安全性和可靠性要求，根據(jù)工控領(lǐng)域國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61508延伸至車(chē)輛的電機(jī)與電子系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)ISO26262，在此提出一種以Infineon TC1797 DSP作為主控芯片、采用模糊控制和參數(shù)識(shí)別對(duì)矢量控制進(jìn)行優(yōu)化的IPMSM控制系統(tǒng)，以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高性能安全調(diào)速需求。

1 IPMSM矢量控制

通過(guò)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的方法變換得到永磁同步電機(jī)在d、q坐標(biāo)系下電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

式中：id和 iq分別為 d、q軸的電流；Ld和 Lq分別為交直軸的電感；ψf為永磁體磁鏈；Pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)；Te為電磁轉(zhuǎn)矩。由公式(1)可以看出電磁轉(zhuǎn)矩方程包括兩部分：由轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子氣隙磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩和凸極效應(yīng)所產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。

在穩(wěn)態(tài)情況下電壓方程可以表示為

ud和uq分別為d、q軸的電壓，Rs為定子電阻，ωr為電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度[2]。當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，電壓方程中電阻壓降可以忽略不計(jì)，則定子電壓矢量幅值us約為

隨著轉(zhuǎn)速上升，定子電壓幅值不斷增加，到達(dá)一定速度時(shí)逆變器達(dá)到最大輸出電壓，要繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速則只能靠調(diào)節(jié)id、iq來(lái)實(shí)現(xiàn)。這個(gè)速度稱(chēng)為轉(zhuǎn)折速度[3]。在轉(zhuǎn)折速度以下，電動(dòng)汽車(chē)一般在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)運(yùn)行，為增加續(xù)航減少損耗，運(yùn)行在給定轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的最小定子電流工作點(diǎn)上，即最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA)控制；轉(zhuǎn)折速度以上則通過(guò)反向增加d軸電流id削弱氣隙磁場(chǎng)提升速度，達(dá)到弱磁升速的效果[4]。

IPMSM的矢量控制效果由控制算法決定，控制參數(shù)的設(shè)置和運(yùn)行工況的辨識(shí)對(duì)電機(jī)響應(yīng)的精確程度和跟隨能力有很大影響。在此提出一種控制環(huán)節(jié)優(yōu)化方案，使用模糊控制器對(duì)PI進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)其調(diào)節(jié)跟隨能力，并通過(guò)電機(jī)參數(shù)辨識(shí)增加MTPA控制精確性，從而提高電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制性能。

2 PI控制器模糊優(yōu)化

在矢量控制算法中，采用速度和轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，其給定量與運(yùn)行值的偏差經(jīng)由PI控制器得到電壓控制矢量，以SVPWM算法控制IGBT開(kāi)關(guān)，從而達(dá)到高性能電機(jī)控制的效果。其中PI控制器起到非常重要的作用，PI參數(shù)的好壞也直接影響到系統(tǒng)的響應(yīng)速度、跟隨能力和穩(wěn)定性能。

傳統(tǒng)的PI控制器通過(guò)系統(tǒng)的標(biāo)定、運(yùn)行以及反饋，得到一個(gè)綜合效果較好的固定數(shù)值作為控制算法參數(shù)。在電機(jī)運(yùn)行一定范圍內(nèi)，其控制效果良好，而超出最佳控制區(qū)域時(shí)其控制跟隨效果會(huì)變差甚至失去響應(yīng)能力。電動(dòng)汽車(chē)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩控制通過(guò)加速踏板角度的變化給定，由于行駛工況復(fù)雜，踏板變化頻繁，沒(méi)有比較固定的數(shù)學(xué)模型和規(guī)律可循，傳統(tǒng)方法建立的PI控制器無(wú)法很好跟隨外界路面環(huán)境的變化做出實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，造成控制效果不理想[5]。此時(shí)可以利用模糊控制器來(lái)在線(xiàn)調(diào)節(jié)PI參數(shù)，充分發(fā)揮其優(yōu)良控制作用，使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最佳控制效果。

模糊控制器以誤差E和誤差的變化量EC作為輸入變量，在運(yùn)行中不斷地檢測(cè)E和EC，并根據(jù)控制規(guī)則得到推理輸出。模糊PI調(diào)節(jié)器由模糊控制器接收控制系統(tǒng)中的偏差分量及其變化率，根據(jù)控制規(guī)則得到PI調(diào)節(jié)器Kp和Ki的在線(xiàn)參數(shù)調(diào)整值修正值ΔKp和ΔKi，從而針對(duì)不同的工況命令都可以得到較好的控制跟隨效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)PI控制的優(yōu)化，其控制框圖如圖1所示，得到在線(xiàn)整定參數(shù)Kp*、Ki*分別為

選取輸入變量E和EC以及輸出變量U的模糊子集均為：{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，將區(qū)間轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)論域[-3，3]，其模糊變量隸屬函數(shù)如圖2[6]，并由此建立模糊控制規(guī)則列表。

圖1 模糊PI框圖

圖2 模糊變量隸屬函數(shù)

表1 模糊控制規(guī)則列表

在Matlab中繪制出E、EC以及輸出U的控制規(guī)律三維圖。

圖3 模糊控制輸入輸出三維圖

在Simulink中搭建模糊控制器對(duì)PI調(diào)節(jié)器的優(yōu)化模型，觀察各PI調(diào)節(jié)器對(duì)階躍信號(hào)的控制跟隨情況，可見(jiàn)模糊PI控制器在響應(yīng)速度和超調(diào)量控制以及穩(wěn)定時(shí)間等各個(gè)控制參數(shù)上都要優(yōu)于普通的PI控制器[7]。

圖4 模糊控制建模

圖5 模糊PI與普通PI比較

3 電機(jī)參數(shù)識(shí)別

在最大轉(zhuǎn)矩電流比控制中，需要通過(guò)電機(jī)參數(shù)計(jì)算給定轉(zhuǎn)矩Te的最小定子電流is。根據(jù)公式(1)的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程，構(gòu)造拉格朗日公式得到

對(duì)其中變量求偏導(dǎo)可得最大轉(zhuǎn)矩電流比中交直軸電流計(jì)算公式如下：

在項(xiàng)目控制過(guò)程中，由于計(jì)算量太大，一般都是通過(guò)離線(xiàn)控制的表格存儲(chǔ)在控制器中，根據(jù)不同轉(zhuǎn)矩值給定，查詢(xún)得到id、iq的最優(yōu)配置。然而電機(jī)在運(yùn)行中，隨著電流增大會(huì)出現(xiàn)磁飽和狀態(tài)，表現(xiàn)為各軸的局部磁飽和和兩軸之間的交互磁飽和。在傳統(tǒng)控制過(guò)程中，d、q軸的磁鏈和電感簡(jiǎn)化為常數(shù)，離線(xiàn)建立id、iq的最優(yōu)配置控制表，運(yùn)行時(shí)忽略了磁飽和參數(shù)的影響，會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確性[8]。

針對(duì)傳表格參數(shù)固定的控制缺陷，本系統(tǒng)中建立在線(xiàn)識(shí)別三維控制表格，對(duì)不同工況下交直軸電感標(biāo)定，然后通過(guò)在線(xiàn)參數(shù)識(shí)別得到對(duì)應(yīng)電感分量，查找轉(zhuǎn)矩電流表格得到最優(yōu)化控制，提高控制精度。

在低速小電流情況下,交直軸電感基本可以忽略飽和的影響，所以辨識(shí)算法只有當(dāng)ωriq和ωrid超過(guò)某一給定值后才開(kāi)始執(zhí)行，同時(shí)為了抑制定子電流電壓采用時(shí)的偏差，對(duì)結(jié)果低通濾波。電機(jī)運(yùn)行中的電感參數(shù)辨識(shí)過(guò)程如圖6，其中Ld0、Lq0為交直軸電感的初始給定參數(shù)。

圖6 交直軸電感參數(shù)識(shí)別

圖7 電機(jī)參數(shù)相對(duì)原始值變化率

圖7 為實(shí)際運(yùn)行中磁通以及交直軸電感趨勢(shì)圖，可以看出在定子電流較小時(shí)，交直軸電感變化很小，之后隨著電流增大，永磁磁通、d軸與q軸電感隨著電流增大相應(yīng)下降。其證明了參數(shù)辨識(shí)的必要性，這種識(shí)別也有效提高了交直軸電感變化情況下電機(jī)的控制精度，避免了參數(shù)變化帶來(lái)的控制誤差[9]。

4 控制系統(tǒng)搭建

本項(xiàng)目采用矢量控制雙閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行車(chē)用IPMSM控制，汽車(chē)行駛中主要通過(guò)改變轉(zhuǎn)矩參考量影響轉(zhuǎn)矩環(huán)對(duì)車(chē)速進(jìn)行調(diào)控，在切換檔和轉(zhuǎn)矩超調(diào)時(shí)速度環(huán)起到平衡振蕩快速響應(yīng)的作用[10]。運(yùn)行過(guò)程中電機(jī)采用MTPA和弱磁擴(kuò)速相結(jié)合的控制手段，其控制系統(tǒng)框架圖如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)框架圖

電機(jī)運(yùn)行曲線(xiàn)如圖9所示，受到電機(jī)及逆變器額定電流imax和最大輸出電壓umax的限制。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)電機(jī)工作在MTPA曲線(xiàn)上，根據(jù)工況不同可以在OA曲線(xiàn)上運(yùn)行。A點(diǎn)對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩輸出，通過(guò)A點(diǎn)的電壓橢圓對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)折速度，此時(shí)電流調(diào)節(jié)器飽和喪失調(diào)節(jié)能力。想要速度繼續(xù)上升，需要減小iq增加id，恢復(fù)調(diào)節(jié)器對(duì)定子電流的控制能力。其效果表現(xiàn)為對(duì)永磁體的去磁效果以及電機(jī)的進(jìn)一步速度提升，即為弱磁控制算法。弱磁升速到一定階段，由于功率限制，電機(jī)運(yùn)行在最大功率輸出軌跡上，以恒功率運(yùn)行。

MTPA與弱磁控制結(jié)合需要確定各自運(yùn)行區(qū)域及切換點(diǎn)，這是通過(guò)算法選擇器實(shí)現(xiàn)的。由于最大承受電壓限制，算法選擇器檢測(cè)ud和uq電壓分量進(jìn)行比較，其中udc為直流側(cè)電壓：

圖9 電機(jī)運(yùn)行曲線(xiàn)

圖10 硬件設(shè)計(jì)框圖

根據(jù)項(xiàng)目要求，搭建額定功率42 kW的IPMSM實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái)，采用Infineon公司TC1797高速數(shù)據(jù)處理DSP作為主控芯片，系統(tǒng)硬件主要包括主逆變電路、控制電路、檢測(cè)及保護(hù)電路模塊等組成。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖10所示。

系統(tǒng)采用Infineon公司HybridPACK2型號(hào)的IGBT模塊，開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為10 kHz。用集成CONCEPT作為IGBT驅(qū)動(dòng)，確保驅(qū)動(dòng)兼容性和可靠性。驅(qū)動(dòng)板集成有短路保護(hù)監(jiān)控、錯(cuò)誤輸出禁止運(yùn)行、欠壓關(guān)斷和狀態(tài)反饋等保護(hù)功能，當(dāng)發(fā)出故障警告時(shí)，驅(qū)動(dòng)板產(chǎn)生FO故障信號(hào)，使輸入到IGBT的電平全部置為低電平，達(dá)到屏蔽PWM信號(hào)以及保護(hù)系統(tǒng)硬件電路的目的。

電動(dòng)汽車(chē)工況復(fù)雜惡劣，需要采集各種信號(hào)滿(mǎn)足運(yùn)算以及安全的需求。其中轉(zhuǎn)子位置采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為傳感器，通過(guò)AD2S1200解碼芯片解碼輸出位置信號(hào)。電壓、電流采樣選用LEM公司的霍爾傳感器作為檢測(cè)元件，經(jīng)過(guò)濾波、限幅穩(wěn)壓后送至DSP。溫度采樣則通過(guò)溫度傳感器采集IGBT內(nèi)部溫度、逆變器溫度和電機(jī)的溫度，監(jiān)控是否存在過(guò)熱的問(wèn)題[11]。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

車(chē)用IPMSM控制系統(tǒng)平臺(tái)基于C語(yǔ)言編寫(xiě)而成，編譯環(huán)境為T(mén)asking軟件?？刂菩酒ㄟ^(guò)CAN模塊與上位機(jī)連接，數(shù)據(jù)交互軟件為CANape，采集電機(jī)運(yùn)行參數(shù)并下達(dá)控制命令。

5.1 主參數(shù)波形

電機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)，采用雙分量調(diào)試控制，可變調(diào)試量為速度和轉(zhuǎn)矩。圖(a)為弱磁調(diào)速升至8 500～9 000 r/min的速度曲線(xiàn)圖，圖(b)是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程中對(duì)轉(zhuǎn)矩的增量調(diào)控和反饋曲線(xiàn)，轉(zhuǎn)矩最高達(dá)到130～140 N·m的工況，可以看出經(jīng)過(guò)模糊PI優(yōu)化，控制參數(shù)動(dòng)態(tài)跟隨獲得較快響應(yīng)和較好控制效果。

5.2 運(yùn)行參數(shù)波形

為監(jiān)控系統(tǒng)響應(yīng)跟隨情況，圖12采集運(yùn)算中電流與電壓各解耦分量波形,圖(a)為id和iq的解耦曲線(xiàn)，圖(b)為定子限制電壓矢量us曲線(xiàn)，圖(c)為ud和uq的解耦曲線(xiàn),圖(d)為電流與電壓角度變化曲線(xiàn)。結(jié)合速度曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)在1 600 s之前交直軸電流分量穩(wěn)定，電機(jī)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，us隨速度攀升逐漸增大。在此區(qū)間電機(jī)采用MTPA控制算法，并通過(guò)在線(xiàn)參數(shù)識(shí)別對(duì)交直軸電流分量?jī)?yōu)化分配，達(dá)到最小損耗的目的。

圖12 CANape采集電機(jī)計(jì)算參數(shù)波形

在1 600 s左右us達(dá)到了限定值最大值，不能繼續(xù)增長(zhǎng)，由算法選擇器判斷進(jìn)入弱磁控制區(qū)間。此后id很明顯開(kāi)始反向增大，通過(guò)削弱永磁體磁通達(dá)到繼續(xù)升速的目的，us則保持恒定值不變。在MTPA算法過(guò)程中，永磁磁通轉(zhuǎn)矩在電磁轉(zhuǎn)矩中占主導(dǎo)地位，而隨著弱磁切換和速度的繼續(xù)提升，到一定速度后由于定子電流和最大功率限制，iq會(huì)有一個(gè)慢慢減小的過(guò)程。而磁阻轉(zhuǎn)矩則會(huì)隨著id的反向增大所占轉(zhuǎn)矩比重逐漸增大，并在一定程度上彌補(bǔ)了轉(zhuǎn)矩電流減小造成的總轉(zhuǎn)矩下降。圖11和圖12顯示了算法中最大轉(zhuǎn)矩電流比與弱磁擴(kuò)速結(jié)合的控制軌跡，本文提出的模糊PI控制和參數(shù)辨識(shí)對(duì)IPMSM控制優(yōu)化效果也比較理想。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以TC1797為主控芯片，提出一種適用于電動(dòng)汽車(chē)的高性能IPMSM控制系統(tǒng)，使用模糊PI和在線(xiàn)參數(shù)識(shí)別對(duì)矢量控制算法進(jìn)行優(yōu)化，并詳細(xì)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)中軟硬件模塊，最終根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)變化情況，對(duì)控制應(yīng)用進(jìn)行分析。結(jié)果證明系統(tǒng)具有優(yōu)良的調(diào)速性能和較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1]Bolte E,Sahhary B J.Dynamic performance analysis of permanent magnet synchronous machines[J].Electrical Machines and Power Electronics,2007,9(10-12)：513-519.

[2]陳繼華.旋轉(zhuǎn)變壓器在永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2012,39(5)：18-21.

[3]李高林,羅德榮,葉盛,等.基于電動(dòng)車(chē)的永磁同步電機(jī)的弱磁控制[J].電力電子技術(shù),2010,44(6)：88-89.

[4]張鵬,夏超英.永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速控制方法的研究[D].天津：天津大學(xué),2007.

[5]張志遠(yuǎn),萬(wàn)沛霖.一種用于電動(dòng)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)控制的模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2005,9(3)：203-206.

[6]程博,葉敏,李雪.基于模糊矢量及弱磁擴(kuò)速機(jī)理的電動(dòng)汽車(chē)控制研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2012,23(15)：1884-1889.

[7]石辛民,郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社,2008.

[8]吳志紅,李根生,朱元,等.考慮參數(shù)變化的車(chē)用永磁同步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制[C].2011中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì),2011.

[9]黃鵬,苗長(zhǎng)云,黃雷,等.參數(shù)在線(xiàn)估算的永磁同步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(1)：172-176.

[10]陳陽(yáng)生,黃碧霞,諸自強(qiáng),等.電機(jī)參數(shù)誤差對(duì)永磁同步電機(jī)弱磁性能的影響[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008，28(6)：92-98.

[11]王桂榮,李太峰.基于DSP的PMSM矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].電力電子技術(shù),2012,46(2)：114-116.