四轮驱动轮毂电机多模式控制研究

四轮驱动轮毂电机多模式控制研究

整车控制算法的实现现在，人们越来越关注环境保护和能源问题。为了解决这些问题，电动汽车呈现加速发展的趋势。四轮驱动轮毂电机电动汽车,如图1所示,采用4个永磁无刷轮毂电机驱动,具有整车构型简单,产业基础好,控制灵活等优点,其优越的动力学控制性能受到越来越多的关注。由于采用了4个轮毂电机进行驱动,整车控制的复杂性增加,同时整车的舒适性也对驱动和制动控制提出了更高要求。目前电动汽车用轮毂电机多采用无刷直流电机,通过3个霍尔信号进行六步换相控制,该控制方式简单,起动转矩大,调速性能好。其高速时转矩脉动频率远离整车谐振点,产生的振动对车内噪声影响较小,并且可工作在ON/OFF模式下,开关损耗低,具有其优越性。但其低速转矩脉动大,噪声大,很难满足车用要求。近年来提出的改善电机设计结构和采用复杂的控制方法可在一定程度上减小转矩脉动,但因设计困难、算法复杂,不利于工程实现。为彻底解决六步换相控制方式下的低速转矩脉动大和噪声大的缺点,采用基于霍尔传感器的永磁同步电机矢量控制。由于只采用了3个霍尔开关信号作为位置信号,转子位置只能精确到60°电角度,而根据电机转速插值获得60°区间内的电角度,可以获得比较精确的转子位置,能够实现矢量控制算法。在高速时,因受转子位置检测误差和电机控制PWM载波频率的限制,且无刷轮毂电机的反电势并非正弦,而是介于正弦和梯形波之间,如图2所示,矢量控制性能有所下降。在制动过程中,可选用矢量制动控制算法或开环正弦波电压制动控制方法。两种算法都比六步换相制动方法平稳且噪声低,但矢量制动控制比开环正弦波电压制动控制的回馈效率高。轮毂电机采用的控制模式比较多,须根据加速踏板、制动踏板、挡位和电机转速等选择不同的控制模式,且控制模式之间还有切换。传统的手动编程容易出错,本文中的整车控制算法在Matlab/Simulink中实现,通过Stateflow工具箱来进行不同模式选择及切换控制,算法通过自动代码生成下载到MPC5633M单片机运行。最后给出一些典型工况的试验结果,证明该方法的可行性,提高了整车控制系统的可靠性和灵活性。1步换相驱动控制永磁无刷电机一般采用三相逆变电路控制,如图3所示。三相逆变电路由6个开关器件组成,通过控制不同开关器件的开通和关断来实现永磁无刷电机的驱动和制动控制。图4为永磁无刷电机的霍尔位置传感器产生的3个信号。由图可知,一个电周期将产生6种开关状态,每个开关状态持续60°电角度。当其中任何一个信号发生跳变时便可以准确测知转子位置。六步换相驱动控制根据霍尔开关信号确定开关管的导通。六步换相制动控制根据霍尔开关信号确定反电势的状态,当A、B相之间的反电势最大时,如果对T4进行PWM调制,则当T4开通时,电流会从A相通过T4和续流二极管D6流到B相;当T4关断时,由于电感中的电流不能突变,电流会从A相经过续流二极管D1流入电池,从而给电池充电,实现再生制动。六步换相控制的驱动和制动控制如表1所示。除上述的低边调制制动控制外,还有高边调制制动控制,控制效果同低边调制制动控制;另外还有高低边同时调制制动控制,控制效果好于高边或低边调制。2永通电机正输入波控制策略2.1u3000dq坐标系下永磁同步电机的数学模型永磁同步电机由abc坐标系变换到dq坐标系,且满足功率不变约束的变换公式为[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)不计铁芯饱和及铁耗、三相电流对称、转子无阻尼绕组时,可得到dq坐标系下永磁同步电机的数学模型为电压方程⎧⎩⎨ud=dψddt−ωψq+Raiduq=dψqdt+ωψd+Raiq(2){ud=dψddt-ωψq+Raiduq=dψqdt+ωψd+Raiq(2)磁链方程{ψd=Ldid+ψfψq=Lqiq(3){ψd=Ldid+ψfψq=Lqiq(3)电磁转矩方程Te=p(ψdiq-ψqid)=p[ψfiq+(Ld-Lq)idiq](4)式中:ud、uq为定子d、q轴电压;id、iq为定子d、q轴电流;ψd为定子d轴磁链,包括定子d轴电流产生的磁链和永磁体产生的磁链;ψq为定子q轴磁链;Ld、Lq为定子绕组d、q轴电感;ω为转子电角速度;ψf为永磁体产生的磁链;Ra为定子绕组相电阻;θ为转子的位置角;p为电机极对数。本文中所用的永磁轮毂电机属于隐极电机,转矩方程可简化为Te=p(ψdiq-ψqid)=pψfiq(5)2.2uref电压控制永磁同步电机的正弦波电压控制是通过产生与转子位置同步的正弦电压来驱动电机运行。正弦波电压一般通过空间矢量PWM(SVPWM)产生,如图5所示。它以三相正弦波电压供电时交流电机的理想磁通轨迹为基准,用逆变器的8种开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆,使电机获得幅值恒定的圆形磁场即正弦磁通,从而达到较高的控制性能。合成电压的计算公式为Uref=TxTUx+TyTUy+T0TU0(6)Uref=ΤxΤUx+ΤyΤUy+Τ0ΤU0(6)式中:Uref为参考电压矢量;Ux、Uy为相邻的电压分矢量;U0为零电压矢量;T为PWM周期;Tx、Ty分别为Ux、Uy的作用时间;T0为U0的作用时间。实际控制中,载波频率一般设置为10kHz,而PWM占空比只能一个周期(100μs)改变一次,因此电压矢量不是理想的圆形磁场,而是一个接近圆形的多边形磁场。低速情况下,这种现象影响并不显著;但在高速情况下,空间电压矢量会在较大的电角度(本文中可达9°)才改变一次,电压矢量在相邻两个PWM周期由Uref变为Uref1,如图5所示,电压矢量不连续,因此会产生一定的高频谐波。永磁同步电机的正弦波电压控制直接根据转子位置产生正弦电压矢量,从而在定子中产生正弦电流。正弦波电压控制无须检测相电流的大小,与矢量控制相比,控制简单,不能实现最大转矩电流控制,在某些负载情况下,会产生较大的d轴电流,效率相对较低。正弦波电压控制可通过改变正弦电压矢量的大小和相位来实现制动,在转速不变的情况下,通过减小电压矢量的大小甚至反向可实现制动控制。与六步换相控制相比,开环正弦波电压控制可产生正弦度较好的电流,没有换相控制的转矩波动问题,在低速情况下噪声较小。2.3制动能量回流分析永磁同步电机的矢量控制是根据转子位置将定子三相电流通过Clark和Park变换成随转子一起旋转的两相电流:d轴电流id和q轴电流iq。永磁同步电机驱动系统经矢量变换后,系统在与转子同步旋转的d、q轴系下可实现电流解耦。由于表贴磁极的电机d、q轴电感相等,采用id_ref=0,控制iq_ref的大小可以实现最大转矩电流控制,矢量控制框图如图6所示。永磁同步电机的反转驱动和正转制动可通过将iq的参考值设为负值来实现。当永磁同步电机d轴电流id_ref=0,电机转速为正,即ω>0时,稳态情况下,式(2)变为{ud=−ωψquq=ωψf+Raiq(7){ud=-ωψquq=ωψf+Raiq(7)由式(7)可知,如果给定q轴电流iq>0,根据输入功率方程P1=udid+uqiq(8)此时P1>0,输入功率为正,根据式(5)转矩方程,可得转矩与转速方向相同,电机处于驱动状态,相量图如图7(a)所示,其中,U、E分别为电机电压和反电势矢量。如果给定q轴电流-ωψf/Ra<iq<0,则P1<0,输入功率为负,且转矩与转速反向,则表明电机处于制动能量回馈状态,相量图如图7(b)所示;如果给定q轴电流iq<-ωψf/Ra,则P1>0,输入功率为正,转矩与转速反向,则表明电机处于能耗制动状态,相量图如图7(c)所示。由以上分析可知,车辆向前行驶时,将q轴电流iq反向可以实现制动控制,制动能量是否回馈与给定q轴电流大小和电机转速有关。当电机转速较高,给定q轴电流小于电机反电势所能提供的最大制动电流时,可实现制动能量回馈。随转速下降,电机反电势变小,当其不能提供所需的制动电流时,将由电机电压提供欠缺的制动电流,再生制动会过渡到能耗制动。3正弦波电压控制/矢量控制由于车用工况的复杂性和为满足舒适性的要求,电机的驱动和制动控制方式并不单一,考虑到整车故障诊断的要求,电机控制存在多种控制模式,控制模式之间需要切换。控制模式的切换逻辑如图8所示。整车电机控制主要有5种模式:自由状态、正弦波电流控制向前驱动、六步换相控制向前驱动、前进制动和倒车驱动。其中,正弦波电流控制向前驱动可以是正弦波电压控制或矢量控制。在驱动控制中,低速情况下首选矢量控制。矢量控制须对电机电流进行精确检测,如果电流传感器出现故障可切换至正弦波电压控制或六步换相控制。由于电机的反电势并非正弦,而是介于正弦和梯形波之间,高速时矢量控制的空间电压矢量产生的精度变差,而六步换相控制在高速的转矩脉动可由整车的惯性滤除,鲁棒性好,开关损耗低。因此可选用矢量控制或六步换相控制。在制动控制中,矢量制动控制比正弦波电压制动控制的制动效率高,可回馈能量多。二者与六步换相控制相比,具有制动噪声低等优点。4全自动代码生成技术无刷轮毂电机的多模式控制要求整车控制根据加速踏板、制动踏板和挡位等信号选择合适的控制算法,并输出命令给轮毂电机控制器。整车控制模式的复杂性使手动编程很容易出错,本文中采用了基于MPC5633M的全自动代码生成技术,为整车控制算法(包括能量管理、动力学控制和故障诊断)提供了一个开发平台。通过将底层代码封装成Matlab/Simulink中的模块库,算法采用Simulink中的模块搭建或采用S-function编写,一键生成代码并下载到MPC5633M中运行。4.1底层驱动设计S-function编写采用了InlinedS-Function,它为每个S-Function模块提供相应的TLC文件,使在自动代码生成时,按照TLC文件里制定的规则去取代CMEXS-Function里的代码,使生成的代码能符合底层驱动的要求,同时又能与仿真时用户的配置发生互动,即能根据用户的配置来生成相应的底层C代码,进而相应地配置底层寄存器。利用InlinedS-Function编写底层驱动的示意图如图9所示。4.2模型生成代码MATLAB的实时工作间介绍了生成代码的机理,整个过程如图10所示。首先,实时工作间(Real-TimeWorkshop)将Simulink模型转换成ASCII型的描述型文件,即RTW文件,它以文本语言的形式来解释模型的架构,包含了整个模型的所有信息。然后,目标语言编译器读取RTW的内容,获得模型信息,接着按照一定的规范,根据模型信息生成C代码。其中,这个规范由TLC文件制定,TLC文件有两种类型:一种是系统级的TLC文件,另一种是针对每个特定模块的TLC文件。其中,系统级的TLC文件决定了模型生成代码的整体架构,包括生成的所有.c文件和.h文件的数量、名称和相互关系;而模块级的TLC文件决定了由每个模块生成的函数的具体算法和参数设置等信息,前面已经用S-function编写了MPC5633M底层驱动的Simulink模块,现在还须针对每个模块编写TLC文件,以控制底层驱动模块在自动代码生成阶段的算法输出和用户参数传递功能。最后,Matlab还生成makefile文件,再调用外部编译器,将生成的C代码编译成可执行文件。由于本文中是针对MPC5633M生成代码,并不调用MATLAB指定的编译器,而是调用Freescale公司编译器Codewarrior来完成makefile文件的生成和编译工作。4.3整车控制模块整车控制算法主要包括信息采集、算法模型和控制指令输出等部分,如图11所示。与底层相关的模块有CAN初始化模块、TTCAN接收与发送模块、AD初始化模块、AD模块和GPIO模块,主要采集加速踏板信号、制动踏板信号和挡位信号等,这些模块都已封装在Matlab/Simulink环境中,可直接使用。与上层算法有关的是整车控制模块,接收底层的信号作为控制算法的输入,控制算法的输出通过时间触发CAN(TTCAN)模块发给各个轮毂电机控制器。模式切换通过算法模型中的Stateflow工具箱来实现,如图12所示。状态切换算法根据加速踏板、制动踏板、挡位和电机转速来确定整车工作模式,是整个算法的核心部分。整车工作模式通过TTCAN命令发送给各个电机控制器,电机控制器根据不同的整车工作模式选择控制算法。5电机控制模式整车控制算法采用基于MPC5633M的全自动代码生成技术,采集加速踏板、制动踏板和挡位等信号,信号经过控制算法处理后,以TTCAN发送给轮毂电机控制器。轮毂电机控制器采用dsPIC30F4012控制芯片,接收整车控制器的CAN信息,根据整车控制器的命令选用不同控制算法。试验中所用永磁无刷轮毂电机的参数见表2。图13为实车试验时的正弦波电压控制和六步换相控制算法间接切换的结果。其中,Mode代表控制模式,Mode=5是正弦波电压驱动,Mode=0是电机自由运转状态,Mode=1是六步换相驱动,Mode=4是正弦波电压制动控制。开始时驾驶员采用正弦波电压驱动模式,当驾驶员松开加速踏板时,电机工作在自由运转模式,如果此时转速高于360r/min,驾驶员再踩加速踏板时,电机控制模式将进入六步换相驱动模式。当驾驶员松开加速踏板,踩下制动踏板时,电机进入正弦波电压制动控制模式,直流侧的电流idc由正值变为负值,电流流向电池。图14为电机控制模式直接由正弦波电压驱动模式切换至六步换相驱动模式瞬间的试验结果。两种电机控制算法切换时,为保证转矩的平稳过渡,采用基于转速和加速踏板位置的转矩标定方法。它在相同转速和加速踏板位置的情况下,虽然电机控制模式不同,但产生的驱动转矩相等。在转速达到480r/min时,电机控制模式开始切换。从图中可以看出,电机控制切换瞬间即可完成,电流波形并没有很大畸变,切换较平稳。图15为驱动时矢量控制与六