基于永磁同步电机的发动机高低压联合起动策略研究

高晓宇， 韩志平， 田德文， 刘华源

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

基于永磁同步电机的发动机高低压联合起动策略研究

高晓宇， 韩志平， 田德文， 刘华源

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

针对低温环境下发动机起动困难的问题，根据发动机起动过程中不同转速下的起动力矩需求，基于永磁同步电机原理及最大扭矩电流比控制方法，采用曲线拟合，确定了电机起动中电流的控制方案，实现了高低压联合起动时，最低能耗下发动机的可靠起动，并通过起动系统样机台架性能测试，验证了联合起动策略的有效性.

永磁同步电机；最大转矩电流比控制；联合起动控制策略

永磁同步电机以体积小、力矩惯量比高、能量密度高等优势成为最具竞争力的发动机的起动电机，目前国内外大都采用由低压蓄电池或超级电容、起动电机、传动机构、起动机控制器组成的起动系统.文献[1]中介绍了采用低压供电体制的发动机起动系统，通过对力矩、转速等进行合理匹配，实现柴油机的起动.文献[2]中的汽油机采用高压供电、电机驱动模式起动单缸汽油机高速运转.但是，发动机起动会受到环境温度的影响，文献[1]和[2]中的传统起动模式未考虑在低温环境下发动机的起动.在低温环境下，车辆需要克服比常温时更大的阻力，点火也较常温困难, 而单一的供电体制也会在较大程度上影响发动机起动的可靠性.采用低压起动时，由于蓄电池放电能力不足，经常出现后继无力，打齿等现象导致起动失败；采用高压起动时，飞轮发电机输出力矩，需要超级电容持续大电流放电，而超级电容的容量不足以支撑长达数秒或十数秒的起动过程，电压急剧下降到零伏，无法起动.如果按照低温环境下的功率扭矩选择蓄电池、起动电机、超级电容、飞轮发电机和控制器，会造成绝大多数工况下的功率浪费，占用车辆安装空间，增加成本.

针对某试样机低温环境下的起动问题，通过分析发动机起动过程中不同转速下的起动力矩需求，针对各种转速合理分配起动力矩及起动时间，运用最大扭矩电流比控制方法及高低压联合起动控制策略，实现最低能耗下发动机的可靠起动.

1 高低压联合起动系统及工作原理

试样机所采用的起动系统由蓄电池、超级电容、永磁同步电机、控制器组成.原理图如图1所示.

图1 起动系统原理图

发动机起动时，永磁同步电机转子与发动机输出轴连接，通过控制器将蓄电池提供的低压直流电逆变为三相交流电，输入到永磁同步电机绕组中，驱动电机转动，达到一定转速时，进行高压供电，带动发动机完成起动过程.

2 高低压联合起动系统控制策略及工程实现

在给定电机起动扭矩的情况下，通过最大扭矩电流比控制策略，最优配置交、直轴电流，确定起动电流的约束曲线，从而实现发动机在低温环境下的可靠起动.

2.1 最大扭矩电流比控制策略

最大扭矩电流比控制(MTPA)[3-5]，即在给定扭矩的情况下，最优配置交直轴电流，使定子电流最小，达到单位电流下电机输出扭矩最大.采用此策略的关键则是确定电磁扭矩与定子电流之间的关系.因此，需先建立永磁同步电机数学模型.

永磁同步电机定子上对称分布有A、B、C三相绕组,采用功率不变原则进行坐标变换，将ABC三相静止坐标系变为d-q转子坐标系.引入零序电流后，ABC轴系变换到dq0轴系的矩阵为：

(1)

式中：γ为d轴轴线与电机A相绕组轴线的夹角.

在d-q旋转坐标系下，永磁同步电机电压方程为：

(2)

扭矩方程为：

(3)

电机定子电流为：

(4)

式中：Ld,Lq分别为电机直轴、交轴同步电感；Rs分别为电机定子电阻；δ为功率角；Te为电磁扭矩；P为转子磁极对数.

由以上数学模型可得到永磁同步电机的矢量图，如图2所示.

图2 永磁同步电机矢量图

对式(3)、式(4)构造Lagrange辅助函数，得

(5)

将式(5)分别对id、iq和λ求偏导数并令其为零，求得扭矩的极值，此时id、iq、Te三者之间的关系为：

.

(6)

由式(6)得到id=f(Te)和iq=g(Te)的曲线，如图3所示.

图3 扭矩与d、q轴电流关系图

在工程运用中，通常是离线计算出各表达式的对应分配值，然后采用查表的方式设定给定值，但d、q轴电流与电磁扭矩的表达式(6)包含开平方等运算，极为复杂，因此，我们采用文献[6]中的曲线拟合的方法以及多项式拟合函数来计算.通过MATLAB软件的曲线拟合工具fitbook，对函数曲线(见图3)进行数据拟合，使拟合曲线达到精度要求，达到简化表达式(6)的目的，从而运用计算出的拟合多项式函数，设定d、q轴电流.多项式拟合函数如式(7)所示.

y=anxn+an-1xn-1+an-2xn-2+...+a0.

(7)

2.2 最大扭矩电流比控制策略工程实现

某试样机的参数见表1.

表1 电机参数

该试样机的起动工况所需的永磁同步电机起动扭矩曲线如图4所示.

图4 永磁同步电机起动扭矩曲线

为充分发挥蓄电池和超级电容的能量储备，避免同时发动时电流消耗过快导致后继无力的现象，因此采用高低压顺序起动的方式.设置n1为高压进入转速，n2为发动机点火转速.当转速n在[0,n1]范围内时，采用低压供电模式，进行零电流起动；当转速n>n1后，供电模式改为高低压联合供电，扭矩快速上升至峰值扭矩并保持，将发动机转速提高到点火转速n2；当转速n>n2时，电机带动发动机顺利起动，扭矩逐渐减小至零.

按照图4的电机起动扭矩曲线，采用最大扭矩电流比控制方法，运用拟合多项式函数，设定d、q轴电流，确定电流约束曲线，从而将低压系统中的蓄电池、高压系统中的超级电容的能量与起动过程中电机的起动时间进行合理匹配，完成发动机的冷起动过程[7].

将试验样机的参数(见表1)代入多项式拟合函数式(7)，对函数曲线图3(a)和(b)进行拟合，得到拟合多项式(8).

(8)

由式(8)计算拟合曲线精度参数：id拟合精度为R-square=1,RMSE=0.093 99；iq拟合精度为R-square=1,RMSE=0.017 21.拟合效果较为理想，达到拟合精度要求，该多项式函数可以代替式(7)，设定d、q轴电流.由式(8)计算得到该电机的起动电流约束曲线，如图5所示.

图5 起动电流约束曲线[8]

起动电流受转速约束曲线和时间约束曲线共同约束.由图5(a)可知，在起动过程中，当转速小于点火转速n2时，随着转速的升高，id、iq按一定斜率从给定值下降，转速超过n2后id、iq逐渐降至0.由图5(b)可知，起动开始时，为保证起动电流平滑变化，避免超级电容产生很高的尖峰电压，id、iq从0逐渐增加至给定值，最多维持最长起动时间t后，缓慢降至0.

按照图5所确定的电流约束曲线，可以得到发动机可靠起动所需的起动扭矩，实现发动机的低温起动.

3 台架试验

为验证控制策略的有效性，通过试验台架对试验样机进行试验测试，整个试验系统由试验样机、高低压联合起动系统组成.得到电机起动扭矩随时间的变化关系，如图6所示.

由图6可知，飞轮发电机在0.05s内起动扭矩达到最大，进入恒扭矩模式，带动发动机转动；当t=0.1 s时扭矩减小，进入恒功率模式；当t=0.25 s时达到稳定，发动机顺利起动.

图6 飞轮发电机起动扭矩随时间变化曲线

4 结 论

利用永磁同步电机的优点，采用最大扭矩电流比控制方法，提供了一种采用高、低压联合起动车辆发动机的方法，将低压系统中的蓄电池、高压系统中的超级电容的能量与起动过程中电机的起动时间进行了合理的匹配，提高了车辆起动的可靠性，降低了系统成本，解决了车辆低温冷起动的难题.

[1] 葛朝阳，吴志锋.柴油发动机的起动性能研究[J].内燃机与配件，2010，(11)：2-3.

[2] 何洪文.混合动力电动汽车驱动系统和动力控制策略的研究和分析[D].北京：北京理工大学，2003.

[3] 廖 勇，伍泽东，刘 刃.车用永磁同步电机的改进MTPA控制策略研究[J].电机与控制学报，2012，16(1)：11-17.

[4] 李长红，陈明俊，吴小役.PMSM调速系统中最大转矩电流比控制方法的研究[J].中国电机工程学报，2012，16(1)：169-172.

[5] LEE K-W，LEE S B. MTPA operating point tracking control scheme for vector controlled PMSM drives [C]//Power Electronics Electrical Drives Automation and Motion(SPEEDAM 2010).IEEE,2010:24-28.

[6] 黄 鹏，苗长云，黄 雷，等.参数在线估算的永磁同步电机最大转矩电流比控制[J].煤炭学报，2011,36(1)：172-176.

[7] 刘 军,俞金寿.起动发电一体机控制策略[J].上海电机学院学报，2007，10(3)：180-185.

[8] 姜 茹.一种高低压联合起动车辆发动机的方法：中国，201510340515.0[P].2015-06-19

Research on Combination Start-up Control Strategy of DieselBased on the PMSM System

GAO Xiao-yu， HAN Zhi-ping， TIAN De-wen， LIU Hua-yuan

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072,China)

Aiming at the start-up difficulty of diesel in the low temperature environment, the current control framework was proposed by using the curve fitting method based on the PMSM principle and MTPA control in order to meet the torque requirement within various speed of diesel in this paper. The method ensures the reliable start-up of diesel with the lowest energy cost during the combined high and low voltage start-up procedure, and verifies the combined start-up control strategy by taking experiments on the prototype diesel.

PMSM；MTPA control；combine start-up control strategy

1009-4687(2017)01-0029-04

2016-12-28.

高晓宇(1989-)，女，硕士研究生，主要研究方向为大功率电机驱动.

U464.142.01;TM351

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