对混合动力汽车电动机控制系统贯彻保证车辆的安全、节能、环保以及舒适和通信等方面原则,对混合动力汽车的动力系统、车身、底盘和车载电子、电气设备进行全方位的自动控制。车身、底盘及电子、电气设备绝大部分可以与智能汽车通用,但混合动力汽车的特点,就在于动力系统与内燃机汽车动力系统有本质的区别,在混合动力汽车上是采用电源电源转换器-驱动电动机的动力系统,属于电力驱动技术范畴,因此对混合动力汽车驱动电动机的控制和智能控制的研究,是混合动力汽车的关键技术。 混合动力汽车的电动机有多种控制模式,如VVVF、FOC、MEAC、 STCVSC等,要求混合动力汽车的驱动电动机能够在恒转矩和恒功率的宽大区域内运转,如在0~1200r/min的高转速范围内运转,要求保持高效率并实现四象限运转。 感应电动机多采用矢量控制(FOC),这是一种比较好的控制方法。近年来发展起来的变结构控制(VSC)、模糊控制(fuzzy)、神经元网络控制( neural networks)和专家系统控制( expert system)等控制理论和控制方法,使各种电动机的驱动和控制技术发展到更高的阶段。 各种大功率电子器件,如 MOSFET、IGBT、 COMFET、MCT和STT等的使用,还有微处理器、DSP等硬件的应用,为混合动力
汽车的电动机的控制方法和智能控制提供了重要保证。
混合动力汽车动力系统和驱动力控制系统由动力电池组、电流转换器(逆变器)、发动机-发电机组和驱动电动机以及一些电子器件和线路共同组成,混合动力汽车的关键是对动力电池组、发动机发电机组、驱动电动机的控制或智能控制。
(1)混合动力汽车电动机的控制系统组成部分混合动力汽车上驱动电动机的控制系统基本由以下四大部分组成。
①信号输入 混合动力汽车主要输入信号源来自加速踏板的位移量以及由电动机反馈的信号和监测装置反馈的信号,该信号一般转换为电信号,经过接口输入计算机中。
②信号处理和输出 以车载计算机为核心的中央控制器作为信号处理和指令输出的核心,在中央控制器中装有测量元件、乘法器、比较元件、逻辑控制单元、数据库和各种传感器等电子器件,对输入控制信号的输入量进行快速、精确的运算,并产生相应的偏差信号。将运算得出的微弱偏差信号,经过放大元件进行放大或变换,使输出指令的偏差信号足够大,然后通过接口输送到各个控制模块中去。
③执行元件 控制模块和各种执行机构是控制系统的执行元件,根据放大元件所放大或变换的偏差信号,控制模块和各种执行机构对被控制对象发出控制指令,使被控对象按照规定的指令(参数)运行。
④信息反馈 电动机运转监测装置上的传感器,对电动机的运转进行监测,并将电动机运转中的机械量和电量的变化及时反馈到中央控制器,中央控制器将反馈信息进行对比、运算后,对输出的指令进行调整和修改,使被控对象的运行参数与输入信号的给定值趋于一致,并使被控对象按照新的指令(参数)运行。
(2)变频器①变频器的功能在各种电动车辆上,采用动力电池组的直流电作为电源,和采用三相交流电动机作为驱动电动机时,三相交流电动机不能直接使用直流电源。三相交流电动机具有非线性输出
特性,需要应用变频器中的功率半导体变换器件,来实现直流电源与三相交流电动机之间电流的传输和变换,并要求能够实现频率调节,在所调节的频率范围内保持功率的连续输出,同时实现电压的调节,能够在恒定转矩范围内维持气隙磁通恒定,将直流电变换为频率和幅值可调且电压可调的交流电来驱动三相交流电动机。
用变频器对三相交流电动机进行调速控制的控制系统的特点如下。
a.实现了对三相交流电动机的调速控制,扩大了交流电动机的转速范围,实现恒功率范围内的运转,可以对交流电动机进行高速驱动。
b.可以实现大范围内的高效率连续调速控制。进行高频率启动和停止运转,并进行电气制动,快速控制交流电动机正、反转的切换。
c.所需要的电源容量较小,电源功率因数较大,可以用一台变频器对多台交流电动机进行控制,组成高性能的控制系统等。
②变频器基本结构模型 变频器在电动车辆上应用十分普遍,变频器的基本功率电路有以下几种。
交直交逆变器系统在有220/380V交流电源处,一般采用交直交逆变器系统,其基本功率电路如图2-34所示。
b.交交变频器系统在有220/380V交流电源处,还可以采用交交变频器系统,其基本功率电路如图2-35所示。
c.直交逆变器系统 在电动车辆有直流动力电池组电源时,还可以采用直交逆变器系统,其基本功率电路如图2-36所示。
③变频器的种类 随着电气技术的发展,变频器和逆变器都采用现代控制技术或智能控制技术,使它们在多种电动机的控制上得到广泛应用。变频器有多种结构模型和多种应用场合,可以用以下方法分类。
a.按主要功率电路分ⅰ.电压型变频器 又称电压源逆变器,其主要功率电路结构模型如图2-37所示,最简单的电压型变频器由晶闸管整流器和电压型逆变器组成,用晶闸管整流器调压,逆变器调频。电源电流经过整流器整流为直流电,在中间直流电环节并联大电容滤波,使中间直流电源近似恒压源且低阻抗。经过逆变器输出的交流电压,具有电压源性质,不受负载性质的影响,但调速动态响应较慢,由于反馈能量传送到中间直流电环节并联的电容中,使直流电压上升为防止换流器件被损坏,需要在功率电路配置专门的放电电路。
电压型变频器的三相逆变电路由6个具有单向导电性的功率半导体开关组成,每个功率开关上反并联1个续流二极管,6个功率开关每隔60°电角度触发导通一次。
ⅱ.电流型变频器又称电流源逆变器,其结构模型如图2-38所示,最简单的电沆型变频器由晶闸管整流器和电流型逆变器组成,用晶闸管整流器调压,逆变器调频。电源电流经过整流器整流为直流电,在中间直流电环节串联的大容量电感起限流作用,使中间直流电以平滑波形输出,逆变器向负载输出的交流电流为不受负载影响的矩形波,具有电流源性质。电流型变频器调速动态响应快,可以实现正、反转并便于反馈制动。
在电动机制动时,可以通过中间直流电环节电压反向的方式使整流电路变为逆变电路,将负载反馈的能量回馈给电源,而且在负载短路时比较容易处理,更适合于电动车辆应用。
电流型变频器的三相逆变电路仍然是由6个具有单向导电性的功率半导体开关所组成,但在每个功率开关上没有反并联续流二极管。
b.按开关方式分 一般变频器按开关方式分类时,是指按变频器中的逆变器开关方式分类,通常有以下几种。
ⅰ.PAM( pulse amplitude modulation)控制PAM称为脉冲振幅调制,是在变频器整流电路中对输出电压(电流)的幅值进行控制,以及在变频器逆变电路中对输出的频率进行控制的控制方式。PAM控制时逆变器换流器件的开关频率(载波频率)即是变频器的输出频率,是一种同步调速方式。
PAM控制载波频率比较低,在用PAM控制进行调速驱动时,电动机的运转效率高,噪声较低,但PAM控制必须对整流电路和逆变器电路同时进行控制,控制电路比较复杂,另外在电动机低速运转时波动较大(图2-39)。
ⅱ.PWM( pulse width modulation)控制PWM称为脉冲宽度调制,是在变频器的逆变电路中,同时对输出电压(电流)的幅值和频率进行控制的控制方式。在PWM控制时,以较高的频率对逆变电路的半导体开关元器件进行开闭,并通过改变输出脉冲的宽度来实现控制电压(电流)的目的。PWM控制时变频器输出的频率不等于逆变电路换流器件的开关频率,属于异步调速方式。
PWM控制方式可以减少高次谐波带来的各种不良影响,转矩波动小,控制电路简单,成本也较低。但当载波频率不合适时,电动机在运转时会产生较大的运转噪声。在系统中增加一个可以改变变频器载波频率的系统,即可降低电动机在运转时的运转噪声。
通常采用正弦波PWM的控制,通过改变PWM输出的脉冲宽度,使电压的平均值接近于正弦波,可以使异步电动机在进行调速运转时能够更加平稳。电压型PWM控制基本电路如图2-40所示。
ⅲ. 高载频PWM控制高载频PWM称为高载频脉冲宽度调制,是PWM控制方式的改进,在高载频PWM控制方式中,将载
频的频率提高到超过人耳可以听到的频率(10~20kHz)以上,从而降低电动机运转噪声。由于高载频PWM要求逆变器的换流器件有高的开关速度,因此只能采用IGBT和 MOSFET等有较大容量的半导体元器件,但变频器的容量还是受到限制,高载频PWM控制时变频器输出的频率不等于逆变电路换流器件的开关频率,属于异步调速方式。高载频PWM控制方式主要用于低噪声型变频器。
C.按工作原理分 变频器按工作原理分类有以下几种。
ⅰ. V/f变频器V/f(电压/频率比)变频器在工作时对变频器的电压和频率同时进行控制,使V/f保持一定来获得电动机所需要的转矩。V/f控制方式是一种比较简单的控制方式,多用于对精度要求不太高的通用变频器中,控制电路的成本也比较低。
转差频率控制变频器这种变频器是V/f变频器的改进转差频率控制变频器控制系统中,利用装在电动机上的速度传感器的速度闭环控制和变频器电脉冲控制电动机的实际转速。变频器的输出频率则是由电动机的实际转速与所需的转差频率而被自动设定的,从而达到在进行速度调控的同时控制电动机输出转矩的目的在负载发生较大变化时,仍然可以保持较高的速度精度和较好的转矩特性。
ⅲ. 矢量控制变频器 其工作原理是将交流电动机定子电流进行矢量变换,按矢量变换规律由三相变为两相,将静止坐标转换为旋转坐标,把交流电动机定子电流矢量分为产生磁场的励磁电流分量和与其相垂直的产生转矩的转矩电流分量。在控制中同时对定子电流的幅值和相位进行控制,也就是对定子电流矢量进行控制。
矢量控制方式可以对交流电动机进行高性能的控制,采用矢量控制方式不仅可以使交流电动机的调速范围达到直流电动机的水平,而且可以控制交流电动机产生的转矩。矢量控制方式一般需要准确地掌握所控制的电动机的性能参数,因此需要变频器与专用电动机配套使用。新型矢量控制方式增加了自调整功
能,自调整矢量控制方式在电动机正常运转之前,自动对电动机的运转参数进行辨识,并根据辨识情况调整和控制计算中的有关参数,使自调整矢量控制方式能够应用到普通交流电动机上。
d.按用途分ⅰ. 通用变频器可以对普通交流电动机进行控制。简易型通用变频器主要用于对调速性能要求不高的场合。高性能通用变频器在控制系统硬件和软件方面增加了相应的功能,用户可以根据电动机负载的特性选择算法和对变频器的参数进行设定,图2-41所示为通用变频器的内部结构,此类通用变频器具有以下功能。
对电动机具有全区域自动转矩补偿功能、防止失速功能和过
转矩限定运行等功能。
对带励磁释放型制动器电动机进行可靠的驱动和调速控制,并保证带励磁释放型制动器电动机的制动器能够可靠释放。
减少机械振动和降低冲击作用。
运转状态检测显示功能,根据设定机械运行的互锁,使操作人员及时了解和控制变频器的运行状态,对机械进行保护等。
ⅰ. 高频变频器 在电动车辆上常采用高速电动机,用PAM控制方式控制的高速电动机用变频器,输出的频率可达到3kHz，在驱动交流电动机时,最高转速可达到18000r/min。
ⅱ. 高性能专用变频器 通常高性能专用变频器基本采用了矢量控制方式,并与专用电动机配套使用,在调速性能和对转矩的控制方面都超过了直流伺服系统,而且能够满足特定的电动机的需要,一般在混合动力汽车上都采用高性能专用变频器进行控制。
高性能专用变频器的主要功能如下。
根据操纵装置输入的信号和各部分传感器反馈的信号自动调节与控制电动机的转速和转矩。
在恒转矩范围和恒功率范围内对电动机的转速和转矩进行调节与控制。
蓄电池过电压或电压不足的限制。
制动能量的反馈回收。
自动热控制、保护系统和安全系统。
在显示屏上显示蓄电池、动力系统和车辆的动态信号等。
④各种不同控制方式变频器的特点 各种不同控制方式变频器的应用范围和基本特性对比见表2-7。
