CC BY
54
УДК 629.114
КЕРУВАННЯ СИЛОВОЮ УСТАНОВКОЮ ЕТЕКГРОМОЕИЛЯ, ЩО ПДОАРЭДЖАОЪСЯ
O.BL Бажинов, проф., д.т.н., М.А. Весела, асп., Харювський шцюнальний авгомобьльно-дорсжнш ушверситет
Анотащя. Науково обсрунтовано базов1 параметры i характгристики cunoeoi установки еле-ктромоб\ля. Досл1джено закон упраттня вентилъним двигуному cmadi cunoeoiустановки за заданого тягово-швидтсного режиму.
Климов слова: електромобыъ, силова установка, вентильный двигун, система упраттня.
УПРАВЛЕНИЕ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ ПОДЗАРЯЖАЕМОГО
ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ
А.В. Бажинов, проф., д.т.н., МА. Веселая, асп., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Научно обоснованы базовые параметры и характеристики силовой установки электромобиля Исследован закон управления вентильным двигателем в составе силовой установки при заданном тягово-скоростном режиме.
Ключевые слова: электромобиль, силовая установка, вентильный двигатель, система управления.
CONTROL OF ELECTRIC POWER PLANT OF ELECTRIC VEHICLE WITH
RECHARGEABLE
A. Bazhinov, Prof., D. Sc. (Eng.), M Vesela, P. G., Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. Basic parameters and characteristics of the electric vehicle powerplant are scientificaly grounded. The low of control of brushless motor as a part of the powerplant at a given towing speed mode is investigated.
Key words: electric vehicle, powerplant, brushless motor, control system.
Bciyn
Найольш перспекгивним напрямом виръ шення задай гпдришрння екагопчнса чистота й eKOHOML4HOCii автомобшв вважаеться викорисгання тягового електропривода. Црй напрям пов'язаний як Í3 подальшим вдоско-наленням електромобшв, так i з розробками автомобшв, оснашрних пбрадрими силови-ми установками. Так! силою установки включаюсь, OKpiM дригуна внугрёшнього зге-рання, тяговий елекгродригун, контур реку-nepauji енергй, а також пристрш управления перерозподщом потоюв потужносп.
У наш час як тяговий елекгропривщ часто засюсовують вентильний дригун (ВД). ВД е системсю регупьованого електропривода, щэ складреться з елекгродригуна змеиного струму, конструктивно подбного до синхронна машини, вентильного перетворювача i пристрою управления, щэ забезпечуе комугащю ландопв обмоток статора залежно вщ куто-вого положения ротора. Як тяговий елекгропривщ застосовуються ВД на ochobí синхронного дригуна 31 збудженням вщ розташэ-ваних на poropi постёйних магншв. Викорис-тання ВД мае рад конструктивних i технёко-експлуатащйних переваг: безконгактнють i
вёдсутнёсть вузтв, щэ вимагаюгь обслугову-вання; велика перевантажувальна здатнёсть за моментом; найвилд енергетичнё показники через вёдеутнёсть втраг на збудження; простота системи охоподження через вёдсутнёсть на роторё обмоток, щэ нагрёваються струмом навантаження; великий термён служби, на-дщнёсть; кралд масогабаритнё й вареёснё по-казники.
Анашз пубгпкацщ
Останнём часом з'явилася дэсгатньо велика кёлькёсть робёт вётчизняних ё зарубёжних до-слёдаикёв, присвячених ёдентифжащ мате-матичних моделей тяговсго електропривода рёзних транспортних засобёв ё синтезу оптимального управлёння автомобёльних силових установок. Цз говорить про акеуальнёсгь вка-заное проблеми.
Зокрема в роботах [1-4] викладенё подходи до моделювання силових установок гёбрцд-них автомобёлёв, щэ включаюсь ВД як допо-мёжний електропривёд ё вёддовёдаих систем управления.
У роботах [5-7] дослёджуюсься питания ма-тематичного моделювання ВД, а таксис спги-мёзалд управлшня вектором струму статора.
Мета 1 постановка завдання
При проекеуваннё нових автомобёльних силових установок виникае екпщра проблема наукового об1рунгування ёх базових параме-трёв ё характеристик. Для вирёшення Ц1£1 проблеми використовуюсься методики, щэ базуюсься на проведены обчислювальних експериментёв з вёддовёдаими математични-ми моделями. Проте проведения порёвняль-ного аналёзу рёзних конструктивних рёшень не £ можпивим без оптимёзащё алгоритмёв управления як силовсю установкою в цщому, так ё окремих агрегатёв, щэ ёё скщдають. Ця робота присвячена дослёдженню закону управления ВД у склад автомобёльноё силовое установки, щэ забезпечу£ мёнёмальний струм споживання за заданого тягово-швщщеного режиму.
Основт положения виконаного досгпдаення
Проте завдання перёвняльного анашу рёзних конструктивних рёшень автомобёльних силових установок на пёдставё обчислювального
експерименгу породжу£ рад особливостей як при синтез! моделей об'екта управления, так ё управляючих впливёв. Питания технёчноё ре-алёзащё законёв управления виявляюсься неё-стотними. В той же час оптимальнёсть управления вектором струму на всёх тягово-швцщесних режимах за задних обмежень ё критерёёв якостё набува£ особливого значения. При щ>ому рёвень скпщростё моделей, щэ використовуюсься, повинен забезпечувати мажпивёсть дослёдження роботи силовое установки у стандартному ёздэвому щклё руху автомобёля.
Проведемо дослёдження рёзних пёдаодв дэ моделювання тягового електропривода автомобёля на основе ВД при оптимальному управление вектором струму статора й ощнки величини помилки моделювання, зумовленоё нехеуванням данамёчними властивостями ВД при ступёнчастих дях, щэ управляюсь.
Для дэсягнення поставленоё мети необхёдао розробити структуры схеми данамёчноё та статичное моделей тягового електропривода, а також модель трансмёсёё автомобёля. Порёв-няльний аналёз моделей може бути здщене-ний за часовими залежностями основних змённих, отриманих для ступёнчастих управляючих впливёв ё при оптимальному управ-лённё вектором струму статора, при враху-ваннё обмежень областё допустимих режимёв
ВД,
Розглянемо систему координат d,q ,
пов'жзану з ротором ВД ё нерухому вёдросно нього. Вважатимемо, щэ вёсь d сумёшрна з вёссю магнётнего потоку ротора. У цщ сис-темё координат рёвняння для елекгромагнёт-них процесёв ВД у скалярий формё можна записати у виглад
<и
й1
МУП = — Рр ' +4 ' Ца "Ц
(1)
де ud, uq, id, ^ - проекте векюр1в напруги
ё струму статора на осё системи координат, щэ обертаеться; ^ ё L1q - повнё ёвдуктив-
ностё обмоток статора по подэвжнёй ё попе-речнёй осях; ^ - активний опёр фазних об-
моток; v|/mag - вектор потокозчеплення статора вёдросно магееётного потоку ротора; рр - число пар полеосёв; со - кутова швцц-
кёсть обертання ротора; MVD - електромагнё-тний мсмент ВД,
Значения скпадових струму статора ВД i* i
i* погрёбнё для забезпечення заданого тяго-
во-швщщсного режиму й вюначаються з урахуванням обраного критерёю якостё управления. Якщэ критерёем якостё виступае мёнёмум повного струму споживання ВД у статичному режимё, оптимальна залежнёсть
[i^,id]=f ЭМ'Ю може бути отримана з
умови
*
id =argi min Im
0 Tm id,MVDzd |
при
M,;
= const,
(2)
-1® крД-а^^; kpq Hc * L[q \
kid=ac- Rx + Rad ;kiq = ac- ^ + 5
Kad = ac ' ^d ~ ^ ' Raq = ac ' Llq ~ R1 ' ^d ' ^q '
R1 - ощнки величин , L1q i R1 вцровщ-
но; ac - параметр, щэ вшначае необхщру ширину смути пропускания замкнутса систе-ми управления. Зазвичай ac □ R^/L1q.
У црому регулятор! першё дрё складэвё вира-3ÍB для подовжнього i поперечного каналёв е сгацщртним ГП-регулягором. Tperi складовё вказаних виразёв призначенё для компенсащ" зв'язностё струмовоё данамёки мёж подовж-hím i поперечним каналами моделё ВД. Останнё, четверг!, складэвё забезпечують ак-тивне демпфування
ГЪретворення огримуваних на виходё регулятора струму сигналёв задания напруги Í3 системи координат d,q , щэ обергаеться, у нерухому x,y можна зщйснити зетдро з виразами [9]:
де
=
íid2 +
2- М,
1
Vmag+V Lid -Цч
- модуль вектора струму статора (повний струм споживання ЕД); MVDzd - елекгромаг-
нётний моменц щэ задзеться, потрёбний для щдгримки необхцщого тягово-швпаюсного режиму автомобёля; ßM е -1,1 - сигнал управления елеюромагееётним моментом ВД
Рм =-^VDzd/-^VDmax ' ^VDi
ний мсмент обертання ВД.
- максималь-
Очевщро, щэ оптимальне, зетдро з обраним критерёем, спёввщрошення подовжньоё ё поперечное складових струму може бути забез-печене тёльки в тих зонах облаете дэпусги-мих режимёв роботи ВД, де не використову-еться режим ослабления поля. Як регулятор струму тягового електропривода в [8] запро-понований регулятор вигладу
u* =u! -cosQ -u* -sinQ
uv =ud • sinQ +uQ -cosQc
де QC - кут повороту ротора ВД.
(4)
Зворотне перетворення координат для скла-дэвих струму статора; щэ поступають на вхщ регулятора, виконуеться вцровцро до
(id =ix cosQc +iy -sinQc [iq=-VSÍnQc+iy-cosQc
(5)
ГЪретворення фаз 2/3 для сигналёв задания напруги здщснюеться за виразами [9]:
U4 =uv
s
1
---ux
2 x 2 y
* 1 * л/3" *
ur =---ux---uv
с 2 2 y
(6)
t
kpd'C-id + V {СЧ dt-^Pp'Llq-iq-Rad'id 0
t
* 1 .*. , Г •* • 1 t" • TI •
Uq=kpq- lq-lq + ^q ' J Ч ~ !q dt + M ' Pp ' ^d ' ^ " Kq '\
p Md 4 14aq *q
Значения фазних струмёв, отриманё на пще-, (3) тавё сигналёв датчиюв струму DTA i DTC , можуть бути приведенё дэ нерухомоё системи координат x, y з викорисганням виразёв:
2
С
2
2
U
d
у" л/3
(7)
1нерщйнёсть трифазнсго ёнвергора з НИМ мо-же бути охарактеризсвана чистим запёзнюван-иям на величину перёоду пиржо-ёмпульшоё модуляцд' TPWM. Для отрсшрння завдання роз-глядатимемо швертор як лёнёйний гпдеипювач потужносп з коефёщнгсм госигення = 1 ё поспиною часу 1и =Трт;[ [19]
(8)
*
иА иА
*
ив ив
р-ти+1 *
_ис_ ис
де p - оператор даференщювання.
Виксрисювуючи перетвсрення координат, можна отримати опис трифазного ёнвергора з ПТТМ спочатку в нерухомёй к, у , а потём ё в пов'жзанёй з ротором систем! координат, щэ обергаеться d,q
Осганнёй вираз, щэ £ математичним описом ёнвергора з Ш1М у систем! координат, щэ обергаеться d,q , вёдэбражае також ёснуючё взаемовпливи подовжнього ё поперечного каналёв управления, якё посилкються за збё-льшення частоти обергання ротора ВД Ц взаемовпливи можна розглцдати як збурення, щэ дють на струмовё кошури Для ёх мёнёмё-зацд' необидно зменшувати величину перёо-ду ШМ
Елементи трансмёсёё автомобиля, якё висту-пають навангаженням щ>ого електропривода, характеризуються дэсгатньо великим приведении моментом ёнерцд". Постёйнё часу пронесу управления швидрёстю обергання ротора ВД у склащ силовоё установки автомобёля виявляються ёстотно большими постёйних часу ВД, регулятора струму й ёнвергора з НИМ Цр дозволяе нехтувати динамёчними властивостями власне тягового електропривода пёд час дослёдження рёзних тягово-швидрёсних режимёв автомобёльноё силовоё установки. Погужнёсть, споживану ВД можна вюначити як суму мипевих погужностей фаз статора
р-Ти+1 •иА = кц-иА р-Ти+1
* * • (О)
ив~ис =кц ив~ис ' К '
л/3
Т,
<Й а и.
и +иу - кц 'иу
<Й
(10)
Рр1г =иА-1А + иВ-1в+иС-1С =
(15)
На рис. 1 показано змёну потужностё, спожи-ваноё ВД вёд тяговоё мережё, при розгонё автомобёля, або тё£ё, шр вёддаегься в мережу в резулыатё рекуперацд' кёнетичноё енергёё га-льмування.
V" их+]и + их+]и =1^- и* + ]и* , (11)
ей
Рр*, кВт
т
й
ей 4 (12)
Ю 1 * • * ю
хе-1 с=ки- иа + ^ -е ,
ё ин ¿и
V — +]Ти-и,.сое + ]Ти. — - (в)
"ти -и, -юе +ис1 + К = кц+ К -и*,
ки
ич =
ТиФ+1 ТиФ+1
, Ти-Рр'®
-•и,, +----иа;
Ти-р+1 4
* Ти-Рр'®
ти-Р+1
(14)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
^ С
Рис. 1. Погужнёсть, щэ спаживана або вёдда-егься в тягову бортову мережу електро-приводом автомобёля
Порёвняльний аналёз резулыатёв моделюван-ня трансмёсёё автомобёля з тяговим елекгро-
3
60 -
40 -
20 -
0
-20 -
Ц'1 =
приводам при виксрисганн! сгагично1 i др-намёчноё' моделей ВД при ступёнчастих управляючих впливах й оптимальному управлённё вектором струму показав, щэ се-редрьоквадратичнё вёдаилення складових струму i напруги, шекгромагнётнсго моменту i частоти обертання ротора ВД становлять: aiq ~ 0,90478 А ; сти =0,57824 А ;
aUq = 0,35869 В ; аш =0,56286 В ;
амй - 0,37262 кгм; стп = 1,6344- кгм вёдро-вёдро.
Внсновки
Таким чином, величини псмилок основних змённих моделювання, викликанё нехтуван-ням дрнамёчними властивостями ВД вияв-ляються достатньо малими порёвняно з да-пазоном змёни вёдровёдрих змённих. Цр пёдг-верджуе дощльнёсть виксристання статично1 модрлё ВД у процесё синтезу оптимального управлёння силовою установкою автомобёля з тяговим електроприводом, а також вибору й об1рунгування и базових параметрёв ё характеристик.
Лтгерагура
1. Гёбррдрё автомобёлё / О. В. Бажинов,
О.П Смирнов, С. А Серёков та ён. - X: ХНДДУ, 2008. - 328 с.
2. Смирнов О.П. Характера режими роботи
гёбррдроё енергетичнса установки автомобёля / О.П. Смирнов, B.I. Капмиков // Автомобильный транспорт: сб. науч. тр. - 2006. - Вып. 18. - С. 13-15.
3. Смирнов О.П. Исследование функциона-
льных возможностей вентильных машин в электроприводе автомобилей / О.П. Смирнов, В.И Калмыков, B.C. Бо-женов, AM Быков, ДА Воробьев // Вё-стё автомобёльно-дэрожнього ёнституту
«ДонНГУ». - 2007. - № 1(4). - С. 129132.
4. Смирнов Д. О. Схемнё рёшення застосу-
вання вентильних машин у елекгропри-водё автомобёлёв / ДО. Оиирнов, A.B. Сараев // Весшик ХНДДУ: сб. науч. тр. - 2008. - Вып. 41. - С. 45-47.
5. Сериков С. А Нечётка модель системи
керування силовою установкою гёбррд-ного автсмобёля / С. А Сериков, ЮН. Бо-родрнко, A.A. Дзюбенко // Вёсник ЖДГУ. Технёчнё науки. - 2006. -Вин IV(39). - С. 240-247.
6. Сериков С. А Синтез системы управления
силовой установкой гибррдрого автомобиля / С. А Сериков, ЮН. Бородрнко, A.A. Дзюбенко // Вестсник ХНАДУ: сб. науч. тр. - 2007. - Вып. 36. - С. 69-73.
7. Овчинников ИЕ Вентильные электриче-
ские дригатели и привод на их основе / ИЕ Овчинников. - С.П6.: Корона-век, 2007. - 336 с.
8. Сериков С.А Управление вектором тока
тягового вентильного электродригателя силовой установки гибррдрого автомобиля / С. А Сериков // Автомобильный транспорт: сб. науч. тр. - 2009. -Вып. 25. - С. 127-133.
9. Бажинов A.B. Система управления гибри-
дрой силовой установки с тяговым электроприводом на базе вентильного дри-гателя с электромагнитным возбуждением / A.B. Бажинсв, В.Я Двадренко, С.А Сериков // Вёсник СНУ ём. Воло-дрмира Даля. - 2010. - №7 (149). -С. 61-66.
Рерензенг: A.B. Гнатов, професср, дт.н, ХНДДУ.
Стаття надщшла до редакрд 27 вересня 2016 р.
