1、2 0 1 4年( 第 3 6卷) 第 1 期 汽车工程 Au t o mot i v e En g i ne e r i n g 交流 电力测功机控制系统 的研究 术 2 0 1 4 0 2 5 田颖 , 金振华 , 聂圣芳 , 卢青春 ( 1 北 京交通 大学机械与 电子控制工程 学院, 北京1 0 0 0 4 4; 2 清华大学 , 汽车安全与节能国家重点实验 室, 北京1 0 0 0 8 4) 摘要 搭建了交流电力测功机系统试验台, 采用直接转矩控制技术对异步电机实行转矩和速度控制, 使其 工作在电动和发电两种状态。开发了基于 P X I 的交流测功机控制器 , 在 L a b V I
2、 E W R T软件开发环境下, 采用快速原 型的方法对交流测功机系统稳态控制算法进行 了研究, 实现了 P、 M P、 n M和 M n 4种控制模式的控制功能。 通过试验整定 P I D控制参数, 达到比较理想的控制品质, 各种状态的切换平稳。试验结果表明, 控制器控制效果 良 好, 完全满足发动机台架试验的要求 , 为进一步研究交流测功机动态控制提供 良好基础。 关键词 : 交流 电力测功机 ; 直接转矩控制 ; 控制算法 A S t u d y o n t h e C o n t r o l S y s t e m o f AC D y n a mo me t e r T i a n
3、Yi n g , J i n Z h e n h u a , N i e S h e n g f a n g & L u Qi n g c h u n 1 S c h o o l o fMe c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l C o n t r o l E n g i n e e r i n g ,B e ij i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y , B 4 j i n g 1 0 0 0 4 4 2 T s i n g h u a U n i v e r s i t y , S t a t eK
4、 e yL a b o r a t o r y o fA u t o m o b i le S a f e t y a n dE ner g y , B e ij i n g 1 0 0 0 8 4 A b s t r a c t A t e s t b e n c h f o r A C d y n a mo m e t e r s y s t e m i s b u i l t , a n d t h e d i r e c t t o r q u e c o n t r o l t e c h n i q u e i s a - d o p t e d t o e x e r t t o
5、 r q u e a n d s p e e d c o n t r o l s o v e r a s y n c h r o n o u s mo t o r t o ma k e i t wo r k i n b o t h mo t o r a n d g e n e r a t o r s t a t e s P XI b a s e d AC d y n a mo me t e r c o n t r o l l e r i s d e v e l o p e d,t h e s t e a d y s t a t e c o n t r o l a l g o r i t h m
6、 f o r AC d y n a mo me t e r s y s t e m i s s t u d i e d w i t h r a p i d p r o t o t y p i n g s c h e me i n L a b VI E W RT s o ft wa r e d e v e l o p me n t e n v i r o n me n t ,a n d t h e c o n t r o l f u nc t i o ns o f n P MP n M a nd Mn f o u r c o n t r o l mo d e s a r e r e a l i
7、z e dTh e PI D c o n t r o l pa r a me t e r s a r e d e t e r mi n e d b y t e s t a n d a n i d e a l c o n t r o l q u a l i t y i s a t t a i n e d wi t h a l l s t a t e s s wi t c h e d s mo o t h l y T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o n - t r o l l e r h a s g o o d e f f e
8、 c t s ,c o mp l e t e l y me e t i n g t h e r e q u i r e me n t s o f e n g i n e b e n c h t e s t a n d p r o v i d i n g a s o u n d f o u n d a t i o n for f u r t h e r s t u d y o n d y n a mi c c o n t r o l o f AC d y n a mo me t e r Ke y wo r d s :AC d y n a mo me t e r ;d i r e c t t o
9、r q u e c o n t r o l ;c o n t r o l a l g o r i t h m 刖 舌 测功机是电机性能测试 台、 机械传 动试验 台和 发动机性能测试台等试验装置中的核心设备。交流 电力测功机是使用三相交流发电机作为加载设备, 异步电机由变频器提供可变频率的驱动电源, 并精 确控制其转矩和转速。与其它测功机相 比, 交 流测 功机具有功率容易控制、 转矩和转速控制精度高、 动 态响应时间短、 结构灵活多样、 高效节能和可靠性高 等特点。在发动机台架或电机测试应用中, 交流测 功机系统 中的 目标 电机的转矩和转速是其主要的控 制对象和测量参数 , 本文 中交流测
10、功机系统 中 目标 电机 的控制采用直接转矩控制变频技术。 1 直接转矩控制 直接转矩控制是将给定的电磁转矩与电机的实 际转矩相比较, 经过简单的滞环控制, 得到转矩的控 制信号, 然后, 结合定子磁链控制信号, 选择合适的 定子电压空间矢量, 从而使异步电机的电磁转矩快 速跟踪给定转矩 , 实现转矩 的直接控制。在控制转 中央高校基本科研业务费专项基金( 2 0 1 3 J B M 0 7 6 ) 资助。 原稿收到13 期为2 0 1 1 年 1 2 月 1 9日, 修改稿收到 E t 期为 2 0 1 2 年 5 月 1 1日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o
11、m 1 2 6 汽车工程 2 0 1 4年( 第 3 6卷) 第 1期 矩的同时 , 也实现了磁链的控制 , 保证定子磁链在误 差规定的范围变化。整个控制系统包括磁链控制和 转矩控制两部分 。 1 1 磁链控制 直接转矩控制首先要准确获得定子磁链 , 因为 在控制过程中, 需要根据观测到的磁链幅值与磁链 的给定值进行比较, 得到磁链的控制信号, 然后根据 磁链所处的位置来确定逆变器 的开关状态 。同时 , 电磁转矩也根据磁链与定子电流计算得到。可见磁 链观测 的好坏直接影响到整个控制系统的性能。 定子磁链 的 模型可以表示为 r = f ( U 一i s R 。 ) d t J 在两相静止坐标
12、系中可以表示为 r : J ( 一f R ) d t = ( 一 ic R ) d 式中: 砂 U f f 分别为定子磁链、 定子 电压和定子电流的直、 交轴分量; R 为定子电阻。 该模型结构简单 , 需要利用 的电机参数只有定 子电阻, 通过传感器采集电机的定子电流和电压, 就 能算出定子磁链的大小。但当转速很低时, 电阻 上的压降占很大一部分, 这会影响磁链观测的准确 性 , 一般在转速高时采用此模型。 在转速低时, 由于定子电阻的影响, 使 “ 一 模型 在磁链观测上存在很大的误差, 为保证磁链观测的 精度, 采用定子电流与转子转速的磁链观测模型, 即 i - n模型。 1 根 据 s
13、 ( i sL + O r ) , 盖 r * Lr ( s 一 r ) + j , 砂 = 砂 + j , = + j 及 f = f + j , 可以 得到 。 : ( f + ) sa 而 + m = ( 一 ) 一 : 8 L , + C b( i c L , + O k ) Z ) = ( 一 ) 一 c c , 该模型在计算过程中用到了转子电阻 、 电感 与 和转速的影响, 转速高时测量带来的误差会 对模型产生一定影响, 因此该模型一般在转速低时 会有很高的精度, 而在转速高时的性能会有所下降。 在使用时可以将这两种磁链观测器结合起来, 在转 速低时采用 i - n 模型, 而在转
14、速高时采用 i 模型。 1 2 转矩控制 根据电机的数学模型, 电磁转矩 = P ( f ) , 对此式两边求导, 并乘以L 可得 = ) d 一 推导 得: = P M 一 ( + ) R + R 】 一 寻 P 。 c 可以看出在一个控制周期 内, 定子磁链 。 与转子磁链 的变化很小, 影响瞬间转矩变化的主 要因素是 U 。 , 只要在一个周期内 比 有明显的变化, 电机的转矩就会 产生迅速变化 , 在逆变器条件允许 的情况下提高直流母线电压 和缩短控制周期, 就 能够实现转矩的高性能控制。 由式( 1 ) 可以看出, 当 与 U 相互垂直时, 转 矩的响应最快, 但是转子磁链和定子电压
15、矢量之间 的关系并不容易知道, 一般情况下, 近似用定子磁链 来表示转子磁链 , 即 。 。此时式( 1 ) 变为 d t 一【 ( ( 2 ) 由式( 2 ) 可以看 出, 在直接转矩控制 中, 选择与 当前定子磁链相垂直 的电压矢量 , 能够得到最大 的 转矩响应 , 但是逆变器 可供选择的电压矢量是有 限 的, 只能选择与垂直方向相近的 电压矢量来 获得尽 可能大的转矩。 综上分析, 当施加超前于定子磁链的电压矢量, 转矩的变化率 d T o d t O , 电磁转矩增加。当施加落 后于定子磁链的电压矢量, 转矩的变化率 d T o d t O , 电磁转矩减小 。可利用这一特点对转矩进
16、行控制。 在物理概念上 , 电磁转矩是 由定子磁链 和转子 磁链 的乘积决定的, 即 T o = 1 ( ) = 1 3 P I II 。 I s i n ( 3 ) 从式( 3 ) 可以看出, 直接转矩控制中, 保持定子 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 田颖 , 等: 交流电力测功机控制系统的研究 磁链的大小基本不变 , 而转子磁链 的幅值 由负载决 定 , 要改变 电磁转矩 的大小 , 可以通过改变定转子磁 链的夹角 0 来实现, 转子磁链的旋转速度变化缓慢, 在控制过程中主要是通过控制定子磁链的旋转速度 来实现转矩控制。 2 控制算法 发动机稳态试验一般有
17、 4种控制方式 , 即 n P、 P、 n M 和 M n模 式 , 这 4种控制方 式基本满 足 发动机稳态试验 的各项要求 。 本文中搭建的交流测功机系统由交流电机控制 总成、 能量处理系统 、 油 门执行器控制总成 、 转速 与 转矩测量设备和基 于 P X I 硬件实 时控制器等组成。 在 L a b V I E W R T的软件开发环境下, 采用快速原型 方法对交流测功机系统稳态控制算法进行 了研究 , 实 现了 P 、 P 、 和 M n 4 种控制模式的控制功 能 , 并且各种状态切换平稳 , 系统稳态控制效果理想。 n P和 M P模式控制相对较为简单 , 在发动机 控制方面只
18、需油门闭环控制 即可 , 转速与转矩则 由 电机控制器进行 闭环调整。n M 与 M n两个控制 模式则较为复杂 J 。以 模式的控制算法为 例, 如图 1 所示, 图中的 G ( s ) 为电机控制参数对转 矩的传递函数, G 。 ( s ) 为油门位置对转速的传递函数, 虚线框表示闭环控制。整个系统实际有 3 个反馈控 制回路 , 分别为油门位置控制 回路( 虚框 C ) 、 发动机 转矩控制回路( 虚框 B) 和测功机转速控制 回路( 虚框 A ) 。油门位置控制回路( 内环) 和发动机转矩控制回 路( 外环 ) 共同构成一个双环转矩调节系统 卜 引。 图 1 们模式系统框图 整个控制系
19、统属于复杂的、 大惯性 、 时变非线性 系统, 很难建立精确的数学模型, 因此系统中各控制 回路控制器都采用以 P I D控制为基础的控制策略, 经过试验整定控制参数达到 比较理想的控制品质 。 3 控制效果 试验发动机额定功率为 6 3 k W, 最高转速为 6 0 0 0 r mi n , 最大转矩在 5 2 0 0 r m i n处为 1 1 0 N m。 同时 , 该发动机为“ 双峰” 发动机 , 转矩在 3 2 0 0 r mi n 处还有一个峰值。以 n M模式为例给出部分试验 结果 。 图2和图 3分别为转矩保持在 5 5 N m, 转速从 2 0 0 0 r m i n阶跃到2
20、 4 0 0 r m i n过程中, 转速和转矩 的响应曲线。通过分析可知 , 转速没有超调 , 调整 时 间小于 2 5 s ; 转矩调整 时间小于 5 s , 稳定后转矩波 动约为-+ 0 5 N m, 整个过程调节迅速且稳定。 差 辩 2 4 0 0 2 3 0 0 2 2 0 0 2 1 O 0 2 0 0 0 5 6 5 4 乏5 2 5 O 磐 4 8 4 6 0 5 1 0 1 5 2 O 2 5 3 O 时间 s 图2 M模式转速阶跃曲线 0 5 1 0 1 5 2 0 25 3 0 时间 s 图3 n M模式转矩调整曲线 图4为 控制模式转速从 2 0 0 0 r m in阶
21、跃 到 2 4 0 0 r mi n , 同时转矩从 3 0 N m 阶跃 到 2 0 N m 再到 5 0 N m的变 化曲线 。从 图 中分析可知 , 由于 交流测功机控制转速较快, 因此转速首先上升, 同时 辩 图4 n M模式下转速和转矩同时阶跃曲线 6 0 5 5 5 0 4 5 4 0 3 5 3 O 2 5 2 0 言 弓 辩 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 8 汽车工程 2 0 1 4年( 第 3 6卷) 第 1 期 本:l: lJ J ll 入 中国学术期刊( 光盘版) 、 中国期刊网 全文数据库 以及“ 万方数据数字化期刊群 、 中文
22、科技期刊数据库 的声明 为了适应我国信息化建设的需要,扩大作者学术交流渠道,本刊已加入 中国学术期刊 ( 光盘版) 、 中国期刊网全文数据库以及 “ 万方数据数字化期刊群”和 中文科技期刊数据库 。本刊所付稿酬已 包含作者著作权使用费、入网服务报酬。如果作者不同意将文章编入这些数据库, 请来稿时声明,本刊将 作适当处理。 汽车工程 编辑部 2 0 1 4年 1月 本:F tJ J J l:l 入台湾华艺 C E P S中文电子期刊服务声明 汽车工程杂志已加入台湾中文电子期刊服务一思博网 ( C E P S ) 。故凡向本刊投稿者,均视为其文 稿刊登后可供思博网 ( C E P S )收录、转载并上网发行。本刊所付稿酬已包括作者文章著作权使用费与入 网服务报酬。如果作者不同意将文章编入该数据库,请来稿时声明,本刊将作适当处理。 汽车工程 编辑部 2 0 1 4年 1月 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m