四輪驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)多模式控制研究

四輪驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)多模式控制研究

整車(chē)控制算法的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注環(huán)境保護(hù)和能源問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，電動(dòng)汽車(chē)呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢(shì)。四輪驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)電動(dòng)汽車(chē),如圖1所示,采用4個(gè)永磁無(wú)刷輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng),具有整車(chē)構(gòu)型簡(jiǎn)單,產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好,控制靈活等優(yōu)點(diǎn),其優(yōu)越的動(dòng)力學(xué)控制性能受到越來(lái)越多的關(guān)注。由于采用了4個(gè)輪轂電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),整車(chē)控制的復(fù)雜性增加,同時(shí)整車(chē)的舒適性也對(duì)驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)控制提出了更高要求。目前電動(dòng)汽車(chē)用輪轂電機(jī)多采用無(wú)刷直流電機(jī),通過(guò)3個(gè)霍爾信號(hào)進(jìn)行六步換相控制,該控制方式簡(jiǎn)單,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,調(diào)速性能好。其高速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率遠(yuǎn)離整車(chē)諧振點(diǎn),產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲影響較小,并且可工作在ON/OFF模式下,開(kāi)關(guān)損耗低,具有其優(yōu)越性。但其低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大,噪聲大,很難滿足車(chē)用要求。近年來(lái)提出的改善電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和采用復(fù)雜的控制方法可在一定程度上減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),但因設(shè)計(jì)困難、算法復(fù)雜,不利于工程實(shí)現(xiàn)。為徹底解決六步換相控制方式下的低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大和噪聲大的缺點(diǎn),采用基于霍爾傳感器的永磁同步電機(jī)矢量控制。由于只采用了3個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)信號(hào)作為位置信號(hào),轉(zhuǎn)子位置只能精確到60°電角度,而根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速插值獲得60°區(qū)間內(nèi)的電角度,可以獲得比較精確的轉(zhuǎn)子位置,能夠?qū)崿F(xiàn)矢量控制算法。在高速時(shí),因受轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)誤差和電機(jī)控制PWM載波頻率的限制,且無(wú)刷輪轂電機(jī)的反電勢(shì)并非正弦,而是介于正弦和梯形波之間,如圖2所示,矢量控制性能有所下降。在制動(dòng)過(guò)程中,可選用矢量制動(dòng)控制算法或開(kāi)環(huán)正弦波電壓制動(dòng)控制方法。兩種算法都比六步換相制動(dòng)方法平穩(wěn)且噪聲低,但矢量制動(dòng)控制比開(kāi)環(huán)正弦波電壓制動(dòng)控制的回饋效率高。輪轂電機(jī)采用的控制模式比較多,須根據(jù)加速踏板、制動(dòng)踏板、擋位和電機(jī)轉(zhuǎn)速等選擇不同的控制模式,且控制模式之間還有切換。傳統(tǒng)的手動(dòng)編程容易出錯(cuò),本文中的整車(chē)控制算法在Matlab/Simulink中實(shí)現(xiàn),通過(guò)Stateflow工具箱來(lái)進(jìn)行不同模式選擇及切換控制,算法通過(guò)自動(dòng)代碼生成下載到MPC5633M單片機(jī)運(yùn)行。最后給出一些典型工況的試驗(yàn)結(jié)果,證明該方法的可行性,提高了整車(chē)控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性。1步換相驅(qū)動(dòng)控制永磁無(wú)刷電機(jī)一般采用三相逆變電路控制,如圖3所示。三相逆變電路由6個(gè)開(kāi)關(guān)器件組成,通過(guò)控制不同開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)永磁無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)控制。圖4為永磁無(wú)刷電機(jī)的霍爾位置傳感器產(chǎn)生的3個(gè)信號(hào)。由圖可知,一個(gè)電周期將產(chǎn)生6種開(kāi)關(guān)狀態(tài),每個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)持續(xù)60°電角度。當(dāng)其中任何一個(gè)信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)便可以準(zhǔn)確測(cè)知轉(zhuǎn)子位置。六步換相驅(qū)動(dòng)控制根據(jù)霍爾開(kāi)關(guān)信號(hào)確定開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通。六步換相制動(dòng)控制根據(jù)霍爾開(kāi)關(guān)信號(hào)確定反電勢(shì)的狀態(tài),當(dāng)A、B相之間的反電勢(shì)最大時(shí),如果對(duì)T4進(jìn)行PWM調(diào)制,則當(dāng)T4開(kāi)通時(shí),電流會(huì)從A相通過(guò)T4和續(xù)流二極管D6流到B相;當(dāng)T4關(guān)斷時(shí),由于電感中的電流不能突變,電流會(huì)從A相經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管D1流入電池,從而給電池充電,實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。六步換相控制的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)控制如表1所示。除上述的低邊調(diào)制制動(dòng)控制外,還有高邊調(diào)制制動(dòng)控制,控制效果同低邊調(diào)制制動(dòng)控制;另外還有高低邊同時(shí)調(diào)制制動(dòng)控制,控制效果好于高邊或低邊調(diào)制。2永通電機(jī)正輸入波控制策略2.1u3000dq坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型永磁同步電機(jī)由abc坐標(biāo)系變換到dq坐標(biāo)系,且滿足功率不變約束的變換公式為[idiq]=23√[cosθ?sinθcos(θ?2π3)?sin(θ?2π3)cos(θ?4π3)?sin(θ?2π3)]???iAiBiC???(1)[idiq]=23[cosθcos(θ-2π3)cos(θ-4π3)-sinθ-sin(θ-2π3)-sin(θ-2π3)][iAiBiC](1)不計(jì)鐵芯飽和及鐵耗、三相電流對(duì)稱(chēng)、轉(zhuǎn)子無(wú)阻尼繞組時(shí),可得到dq坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為電壓方程???ud=dψddt?ωψq+Raiduq=dψqdt+ωψd+Raiq(2){ud=dψddt-ωψq+Raiduq=dψqdt+ωψd+Raiq(2)磁鏈方程{ψd=Ldid+ψfψq=Lqiq(3){ψd=Ldid+ψfψq=Lqiq(3)電磁轉(zhuǎn)矩方程Te=p(ψdiq-ψqid)=p[ψfiq+(Ld-Lq)idiq](4)式中:ud、uq為定子d、q軸電壓;id、iq為定子d、q軸電流;ψd為定子d軸磁鏈,包括定子d軸電流產(chǎn)生的磁鏈和永磁體產(chǎn)生的磁鏈;ψq為定子q軸磁鏈;Ld、Lq為定子繞組d、q軸電感;ω為轉(zhuǎn)子電角速度;ψf為永磁體產(chǎn)生的磁鏈;Ra為定子繞組相電阻;θ為轉(zhuǎn)子的位置角;p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。本文中所用的永磁輪轂電機(jī)屬于隱極電機(jī),轉(zhuǎn)矩方程可簡(jiǎn)化為T(mén)e=p(ψdiq-ψqid)=pψfiq(5)2.2uref電壓控制永磁同步電機(jī)的正弦波電壓控制是通過(guò)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子位置同步的正弦電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。正弦波電壓一般通過(guò)空間矢量PWM(SVPWM)產(chǎn)生,如圖5所示。它以三相正弦波電壓供電時(shí)交流電機(jī)的理想磁通軌跡為基準(zhǔn),用逆變器的8種開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓,使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)即正弦磁通,從而達(dá)到較高的控制性能。合成電壓的計(jì)算公式為Uref=TxTUx+TyTUy+T0TU0(6)Uref=ΤxΤUx+ΤyΤUy+Τ0ΤU0(6)式中:Uref為參考電壓矢量;Ux、Uy為相鄰的電壓分矢量;U0為零電壓矢量;T為PWM周期;Tx、Ty分別為Ux、Uy的作用時(shí)間;T0為U0的作用時(shí)間。實(shí)際控制中,載波頻率一般設(shè)置為10kHz,而PWM占空比只能一個(gè)周期(100μs)改變一次,因此電壓矢量不是理想的圓形磁場(chǎng),而是一個(gè)接近圓形的多邊形磁場(chǎng)。低速情況下,這種現(xiàn)象影響并不顯著;但在高速情況下,空間電壓矢量會(huì)在較大的電角度(本文中可達(dá)9°)才改變一次,電壓矢量在相鄰兩個(gè)PWM周期由Uref變?yōu)閁ref1,如圖5所示,電壓矢量不連續(xù),因此會(huì)產(chǎn)生一定的高頻諧波。永磁同步電機(jī)的正弦波電壓控制直接根據(jù)轉(zhuǎn)子位置產(chǎn)生正弦電壓矢量,從而在定子中產(chǎn)生正弦電流。正弦波電壓控制無(wú)須檢測(cè)相電流的大小,與矢量控制相比,控制簡(jiǎn)單,不能實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流控制,在某些負(fù)載情況下,會(huì)產(chǎn)生較大的d軸電流,效率相對(duì)較低。正弦波電壓控制可通過(guò)改變正弦電壓矢量的大小和相位來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng),在轉(zhuǎn)速不變的情況下,通過(guò)減小電壓矢量的大小甚至反向可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制。與六步換相控制相比,開(kāi)環(huán)正弦波電壓控制可產(chǎn)生正弦度較好的電流,沒(méi)有換相控制的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問(wèn)題,在低速情況下噪聲較小。2.3制動(dòng)能量回流分析永磁同步電機(jī)的矢量控制是根據(jù)轉(zhuǎn)子位置將定子三相電流通過(guò)Clark和Park變換成隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的兩相電流:d軸電流id和q軸電流iq。永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)矢量變換后,系統(tǒng)在與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的d、q軸系下可實(shí)現(xiàn)電流解耦。由于表貼磁極的電機(jī)d、q軸電感相等,采用id_ref=0,控制iq_ref的大小可以實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩電流控制,矢量控制框圖如圖6所示。永磁同步電機(jī)的反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和正轉(zhuǎn)制動(dòng)可通過(guò)將iq的參考值設(shè)為負(fù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)永磁同步電機(jī)d軸電流id_ref=0,電機(jī)轉(zhuǎn)速為正,即ω>0時(shí),穩(wěn)態(tài)情況下,式(2)變?yōu)閧ud=?ωψquq=ωψf+Raiq(7){ud=-ωψquq=ωψf+Raiq(7)由式(7)可知,如果給定q軸電流iq>0,根據(jù)輸入功率方程P1=udid+uqiq(8)此時(shí)P1>0,輸入功率為正,根據(jù)式(5)轉(zhuǎn)矩方程,可得轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相同,電機(jī)處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài),相量圖如圖7(a)所示,其中,U、E分別為電機(jī)電壓和反電勢(shì)矢量。如果給定q軸電流-ωψf/Ra<iq<0,則P1<0,輸入功率為負(fù),且轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速反向,則表明電機(jī)處于制動(dòng)能量回饋狀態(tài),相量圖如圖7(b)所示;如果給定q軸電流iq<-ωψf/Ra,則P1>0,輸入功率為正,轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速反向,則表明電機(jī)處于能耗制動(dòng)狀態(tài),相量圖如圖7(c)所示。由以上分析可知,車(chē)輛向前行駛時(shí),將q軸電流iq反向可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制,制動(dòng)能量是否回饋與給定q軸電流大小和電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高,給定q軸電流小于電機(jī)反電勢(shì)所能提供的最大制動(dòng)電流時(shí),可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回饋。隨轉(zhuǎn)速下降,電機(jī)反電勢(shì)變小,當(dāng)其不能提供所需的制動(dòng)電流時(shí),將由電機(jī)電壓提供欠缺的制動(dòng)電流,再生制動(dòng)會(huì)過(guò)渡到能耗制動(dòng)。3正弦波電壓控制/矢量控制由于車(chē)用工況的復(fù)雜性和為滿足舒適性的要求,電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)控制方式并不單一,考慮到整車(chē)故障診斷的要求,電機(jī)控制存在多種控制模式,控制模式之間需要切換?？刂颇Ｊ降那袚Q邏輯如圖8所示。整車(chē)電機(jī)控制主要有5種模式:自由狀態(tài)、正弦波電流控制向前驅(qū)動(dòng)、六步換相控制向前驅(qū)動(dòng)、前進(jìn)制動(dòng)和倒車(chē)驅(qū)動(dòng)。其中,正弦波電流控制向前驅(qū)動(dòng)可以是正弦波電壓控制或矢量控制。在驅(qū)動(dòng)控制中,低速情況下首選矢量控制。矢量控制須對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行精確檢測(cè),如果電流傳感器出現(xiàn)故障可切換至正弦波電壓控制或六步換相控制。由于電機(jī)的反電勢(shì)并非正弦,而是介于正弦和梯形波之間,高速時(shí)矢量控制的空間電壓矢量產(chǎn)生的精度變差,而六步換相控制在高速的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可由整車(chē)的慣性濾除,魯棒性好,開(kāi)關(guān)損耗低。因此可選用矢量控制或六步換相控制。在制動(dòng)控制中,矢量制動(dòng)控制比正弦波電壓制動(dòng)控制的制動(dòng)效率高,可回饋能量多。二者與六步換相控制相比,具有制動(dòng)噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。4全自動(dòng)代碼生成技術(shù)無(wú)刷輪轂電機(jī)的多模式控制要求整車(chē)控制根據(jù)加速踏板、制動(dòng)踏板和擋位等信號(hào)選擇合適的控制算法,并輸出命令給輪轂電機(jī)控制器。整車(chē)控制模式的復(fù)雜性使手動(dòng)編程很容易出錯(cuò),本文中采用了基于MPC5633M的全自動(dòng)代碼生成技術(shù),為整車(chē)控制算法(包括能量管理、動(dòng)力學(xué)控制和故障診斷)提供了一個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。通過(guò)將底層代碼封裝成Matlab/Simulink中的模塊庫(kù),算法采用Simulink中的模塊搭建或采用S-function編寫(xiě),一鍵生成代碼并下載到MPC5633M中運(yùn)行。4.1底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)S-function編寫(xiě)采用了InlinedS-Function,它為每個(gè)S-Function模塊提供相應(yīng)的TLC文件,使在自動(dòng)代碼生成時(shí),按照TLC文件里制定的規(guī)則去取代CMEXS-Function里的代碼,使生成的代碼能符合底層驅(qū)動(dòng)的要求,同時(shí)又能與仿真時(shí)用戶的配置發(fā)生互動(dòng),即能根據(jù)用戶的配置來(lái)生成相應(yīng)的底層C代碼,進(jìn)而相應(yīng)地配置底層寄存器。利用InlinedS-Function編寫(xiě)底層驅(qū)動(dòng)的示意圖如圖9所示。4.2模型生成代碼MATLAB的實(shí)時(shí)工作間介紹了生成代碼的機(jī)理,整個(gè)過(guò)程如圖10所示。首先,實(shí)時(shí)工作間(Real-TimeWorkshop)將Simulink模型轉(zhuǎn)換成ASCII型的描述型文件,即RTW文件,它以文本語(yǔ)言的形式來(lái)解釋模型的架構(gòu),包含了整個(gè)模型的所有信息。然后,目標(biāo)語(yǔ)言編譯器讀取RTW的內(nèi)容,獲得模型信息,接著按照一定的規(guī)范,根據(jù)模型信息生成C代碼。其中,這個(gè)規(guī)范由TLC文件制定,TLC文件有兩種類(lèi)型:一種是系統(tǒng)級(jí)的TLC文件,另一種是針對(duì)每個(gè)特定模塊的TLC文件。其中,系統(tǒng)級(jí)的TLC文件決定了模型生成代碼的整體架構(gòu),包括生成的所有.c文件和.h文件的數(shù)量、名稱(chēng)和相互關(guān)系;而模塊級(jí)的TLC文件決定了由每個(gè)模塊生成的函數(shù)的具體算法和參數(shù)設(shè)置等信息,前面已經(jīng)用S-function編寫(xiě)了MPC5633M底層驅(qū)動(dòng)的Simulink模塊,現(xiàn)在還須針對(duì)每個(gè)模塊編寫(xiě)TLC文件,以控制底層驅(qū)動(dòng)模塊在自動(dòng)代碼生成階段的算法輸出和用戶參數(shù)傳遞功能。最后,Matlab還生成makefile文件,再調(diào)用外部編譯器,將生成的C代碼編譯成可執(zhí)行文件。由于本文中是針對(duì)MPC5633M生成代碼,并不調(diào)用MATLAB指定的編譯器,而是調(diào)用Freescale公司編譯器Codewarrior來(lái)完成makefile文件的生成和編譯工作。4.3整車(chē)控制模塊整車(chē)控制算法主要包括信息采集、算法模型和控制指令輸出等部分,如圖11所示。與底層相關(guān)的模塊有CAN初始化模塊、TTCAN接收與發(fā)送模塊、AD初始化模塊、AD模塊和GPIO模塊,主要采集加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)和擋位信號(hào)等,這些模塊都已封裝在Matlab/Simulink環(huán)境中,可直接使用。與上層算法有關(guān)的是整車(chē)控制模塊,接收底層的信號(hào)作為控制算法的輸入,控制算法的輸出通過(guò)時(shí)間觸發(fā)CAN(TTCAN)模塊發(fā)給各個(gè)輪轂電機(jī)控制器。模式切換通過(guò)算法模型中的Stateflow工具箱來(lái)實(shí)現(xiàn),如圖12所示。狀態(tài)切換算法根據(jù)加速踏板、制動(dòng)踏板、擋位和電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)確定整車(chē)工作模式,是整個(gè)算法的核心部分。整車(chē)工作模式通過(guò)TTCAN命令發(fā)送給各個(gè)電機(jī)控制器,電機(jī)控制器根據(jù)不同的整車(chē)工作模式選擇控制算法。5電機(jī)控制模式整車(chē)控制算法采用基于MPC5633M的全自動(dòng)代碼生成技術(shù),采集加速踏板、制動(dòng)踏板和擋位等信號(hào),信號(hào)經(jīng)過(guò)控制算法處理后,以TTCAN發(fā)送給輪轂電機(jī)控制器。輪轂電機(jī)控制器采用dsPIC30F4012控制芯片,接收整車(chē)控制器的CAN信息,根據(jù)整車(chē)控制器的命令選用不同控制算法。試驗(yàn)中所用永磁無(wú)刷輪轂電機(jī)的參數(shù)見(jiàn)表2。圖13為實(shí)車(chē)試驗(yàn)時(shí)的正弦波電壓控制和六步換相控制算法間接切換的結(jié)果。其中,Mode代表控制模式,Mode=5是正弦波電壓驅(qū)動(dòng),Mode=0是電機(jī)自由運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),Mode=1是六步換相驅(qū)動(dòng),Mode=4是正弦波電壓制動(dòng)控制。開(kāi)始時(shí)駕駛員采用正弦波電壓驅(qū)動(dòng)模式,當(dāng)駕駛員松開(kāi)加速踏板時(shí),電機(jī)工作在自由運(yùn)轉(zhuǎn)模式,如果此時(shí)轉(zhuǎn)速高于360r/min,駕駛員再踩加速踏板時(shí),電機(jī)控制模式將進(jìn)入六步換相驅(qū)動(dòng)模式。當(dāng)駕駛員松開(kāi)加速踏板,踩下制動(dòng)踏板時(shí),電機(jī)進(jìn)入正弦波電壓制動(dòng)控制模式,直流側(cè)的電流idc由正值變?yōu)樨?fù)值,電流流向電池。圖14為電機(jī)控制模式直接由正弦波電壓驅(qū)動(dòng)模式切換至六步換相驅(qū)動(dòng)模式瞬間的試驗(yàn)結(jié)果。兩種電機(jī)控制算法切換時(shí),為保證轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)過(guò)渡,采用基于轉(zhuǎn)速和加速踏板位置的轉(zhuǎn)矩標(biāo)定方法。它在相同轉(zhuǎn)速和加速踏板位置的情況下,雖然電機(jī)控制模式不同,但產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩相等。在轉(zhuǎn)速達(dá)到480r/min時(shí),電機(jī)控制模式開(kāi)始切換。從圖中可以看出,電機(jī)控制切換瞬間即可完成,電流波形并沒(méi)有很大畸變,切換較平穩(wěn)。圖15為驅(qū)動(dòng)時(shí)矢量控制與六