CC BY
23
Разработка системы энергосберегающего управления силовой установкой электромобиля с тяговым асинхронным двигателем
В.А. Адиняев, А.Н. Попов Южный федеральный университет, Таганрог
Аннотация: В статье представлено решение задачи разработки системы векторного управления тяговым асинхронным двигателем электромобиля. При синтезе векторного регулятора используется нелинейная модель асинхронного двигателя и методы синергетической теории управления. Полученные алгоритмы управления обеспечивают минимизацию потерь энергии в процессе ее электромеханического преобразования и существенно увеличивают запас хода электромобиля без подзарядки батареи. Теоретические результаты подтверждены компьютерным моделированием силовой установки электромобиля, состоящей из аккумуляторной батареи, автономного инвертера напряжения, асинхронного двигателя и корпуса автомобиля. Для моделирования процессов в силовой установке использовалась среда динамического моделирования Simulink.
Ключевые слова: электромобиль, силовая установка, асинхронный двигатель, синергетический синтез регуляторов, энергосберегающее управление.
Введение
Прогресс в области разработки автономных источников электропитания и компактных силовых преобразователей обусловил очевидный тренд современного автомобилестроения - производство автомобилей на электрической тяге.
Ключевым элементом любого электромобиля является его силовая установка, состоящая из автономных источников и накопителей электроэнергии (аккумуляторов, топливных батарей, суперконденсаторов), силовых преобразователей (конверторов постоянного тока, инверторов) и электрических двигателей. Для обеспечения основных ходовых и энергетических требований, а также для координации работы всех силовых устройств тягового электропривода используется микропроцессорная система управления, которая на основании текущей информации и заданных параметров движения автомобиля формирует управляющие сигналы на силовые преобразователи [1, 2].
В данной статье представлено решение задачи разработки алгоритмов для системы полеориентированного (векторного) управления асинхронным двигателем (АД) тягового электропривода, обеспечивающих минимизацию электромагнитных потерь при изменении характеристик и условий движения электромобиля. Для синтеза регулятора используется метод аналитического конструирования агрегированных регуляторов (АКАР) синергетической теории управления, предложенной профессором
А.А. Колесниковым и развиваемой научной школой кафедры синергетики и процессов управления Южного федерального университета [3-5].
Синтез энергосберегающего векторного регулятора АД
При синтезе алгоритмов управления рассматривается следующая
нелинейная математическая модель АД в синхронной координатной системе,
ориентированной по полю ротора:
da dt dWr
— = аш i - aM ;
7, 1/ r sq 2 c"
= ал A - a ш ;
7, 3 sd 4 т r'
dt
ш к (1)
= —алА + аАаш + аюг + а — + Ьи '
7У 5 Ба 4 6 т г 7 sq 3 1 Ба^
сИ I л
б- • • Ба sq . 7
—- = —ал — а а сш — а юг , — а- + Ьи ,
7У 5 б- 6 7 т г 7 Ба 3 1
а1 Шг
где , и - проекции вектора напряжения статора; ^, г - проекции
вектора тока статора; у/г - модуль вектора потокосцепления ротора, с -угловая скорость ротора двигателя, Ыс - момент, препятствующий движению двигателя, J - приведенный момент инерции, р - количество пар полюсов обмотки статора Ь, Ьг, Ьт - собственные и взаимная индуктивности обмоток, а г, г -активные сопротивления обмоток. Коэффициенты модели связаны с параметрами обмоток электрической машины следующим образом: 3 рЬ 1 гЬ г г Ь2 + г Ь2
г т ~ г т ~ г ~ _ г т б г
а = ——-, а = —, а =-!—m, а = —, а =
1 2JL ' 2 У 3 L ' 4 L ' 5 L (LL - L2)
r r r r V s r m s
L , L
аб = T m t 2 , а7 = P , bi
6 LL -L2 ' 7 " ' 1 LL -L
Момент Ыс представляет собой сумму всех моментов, приложенных к валу двигателя и обусловленных действием внешних сил, которые возникают при движении электромобиля.
Ставится задача синтеза регулятора как задача определения аналитических функций и, = и ,(ю, I ,, I ,¥ ) им = и (ю, I ,, I ,¥ ), т.е. совокупности обратных
1 ^ за за V у за7 за7 т г / за ? за? ' г у > ~
связей замкнутой системы, обеспечивающих выполнение следующих задач управления:
1) стабилизации угловой скорости двигателя в заданном значении Ю ;
2) минимизации потерь энергии в электромагнитной системе двигателя.
*
Значение Ю может быть определено на основе заданного значения скорости электромобиля V из условия равновесия сил, приложенных к его центру масс [2].
Минимизация потерь энергии в АД достигается путем поддержания энергетических инвариантов [4, 6], устанавливающих оптимальное значение одной из электромагнитных переменных модели (1):
Г , л°,25
г:
,ор( _ М0'5
к
к. + кю юР
V 2 3 У
Г = М
ъа
ь
к
0,25 0,25
2ЬМ0 5 ( К + кю юРЛ
(2)
V к2 + к3Ю у
¡^ =
ъа
3рЬ
т V
где к
МгЬ2 + гЬ )
_ \ з г_г т /
= 3 р2 Ь2
т
3г АР,
7 з 7 __st. пот
к = ЬГ' кз = 3Й>Г
т т г п
АР.
к
мощность потерь в стали в
номинальном режиме, Р ~ 1,2 .
Для поиска алгоритмов замкнутого управления в рамках процедуры синергетического синтеза вводятся следующие инвариантные многообразия:
С \°,25
= °
¥ = ¡а
М
0,5
ь
к
+ к
V 2 3
ю
^2 ¡за
а2 М * с °,5 к2 + к3 * ю
а К
Р\
(3)
= °,
которые соответствуют энергетическим инвариантам (2) и содержат значения скорости и момента в заданном режиме работы ю и М*.
*
°,25
и
Для определения выражений для управляющих воздействий решается система функциональных уравнений метода АКАР Т\]/. + = 0,1 = 1,2 в силу уравнений модели (1). Полученный алгоритм векторного управления АД:
1
и, = —
sd 1 b
-Ч 1 {
! - a j w--{ , -
sq 3 sq j т r rj~i \ sd
a5sd - a4aWr - a7® isq - a3lSq Wr {sd - A M/ Lm
0,5
)
1
и = —
sq b bi V
a5lsq + a6a7 ®Wr + a7 ®Jsd + a3 isJsJ Wr
- J ^ - MTV«I )
(4)
где A = k/ {k + К '))
Моделирование силовой установкой электромобиля в З^ыПпК
Для анализа процессов в силовой установке электромобиля с предлагаемыми алгоритмами векторного управления АД использовалась среда Simulink, интегрированная в пакет МА^АВ для проведения динамического моделирования сложных технических систем
Модель силовой установки электромобиля, собранная в Simulink электромобиля, представлена на рис.1.
Рис. 1 - Модель силовой установки электромобиля в Simulink
На схеме введены следующие обозначения: 1 - блок «Induction Machine Squirrel Cage» (АД с короткозамкнутым ротором); 2 - «Converter (Three-Phase)» (автономный инвертер напряжения); 3 - «Battery» (аккумуляторная батарея, являющаяся основным источником электроэнергии); 4 - «Machine Inertia» (блок инерции ротора, моделирующий физические свойства ротора).
Корпус электромобиля и элементы трансмиссии реализованы в блоке «Vehicle»,
раскрытом на рис. 2.
Рис. 2 - Модель корпус/колеса/трансмиссия в Simulink
Редуктор 5 «Simple gear» выполняет функцию изменения соотношения числа оборотов вала двигателя и колес электромобиля. Колесо 6 «Tire (Friction Parameterized)» моделирует силу трения скольжения возникающую в точке контакта колеса с поверхностью.
На рис. 3 представлена модель системы векторного управления. Центральное место занимает блок 10 - синтезированный энергосберегающий регулятор. На входе блока текущие значения переменных состояния, полученные в результате фазных и координатных преобразований (преобразования Парка-Горева и Кларк) [2, 7]. На выходе блока - два канала управляющих воздействий Usd и и , которые, проходя обратные
преобразования, поступают на вход блока ШИМ. Выход блока ШИМ - шесть каналов управляющих импульсов различной скважности для управления силовыми ключами инвертора.
и
Рис. 3 - Модель системы векторного управления АД в Simulink Описанная модель использовалась для моделирования движения электромобиля при различных стратегиях управления. Кроме синтезированного регулятора (4) рассматривалась традиционная система типа «Transvector» с ПИ-регуляторами в контурах управления, стабилизирующая потокосцепление ротора в номинальном значении [8-10].
На рис.4-5 представлены графики изменения скорости электромобиля во времени при различных стратегиях управления. Имитировался режим исполнения задания по скорости электромобиля в соответствии с циклом New european driving cycle (NEDC). Для
каждого из алгоритмов управления проведен тест на ускорение от 0 до 100 (60) км/ч.
V, km/h
0 200 400 600 800 1000 1200
t, sec
M Инженерный вестник Дона, №12 (2020) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl2y2020/6727
Рис. 4 - Угловая скорость ротора: традиционный регулятор
V, km/h
0 200 400 600 800 1000 1200
t, sec
Рис. 5 - Угловая скорость ротора: энергосберегающий регулятор
Об энергоэффективности различных стратегий управления можно судить, исходя из анализа состояния батареи в ходе моделирования пробега электромобиля. Результаты этого анализа сведены в таблице 1. Расход заряда батареи при использовании энергосберегающего регулятора примерно на 40% ниже по сравнению с традиционными системами.
Таблица № 1
Сравнительная характеристика расхода заряда батареи и пробега для различных
регуляторов
Расход батареи, отн. ед. Пробег, км
Традиционный регулятор стабилизации 1 8,125
Энергосберегающий регулятор 0,663 8,060
Заключение
Полученные результаты моделирования дают основание сказать, что разработанная система управления обеспечивает выполнение заданного режима движения электромобиля с оптимизацией потребления энергии аккумуляторной батареи. Таким образом, предложенные алгоритмы позволяют заметно увеличить запас хода без подзарядки батареи и могут найти широкое применение при проектировании
перспективных микропроцессорных систем управления силовыми установками электромобилей.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по проекту №18-08-00924 «Разработка теоретических основ построения иерархических систем управления силовыми установками электромобилей».
Литература
1. Chau K.T. Electric vehicle machine and drives: design, analysis and application. «John Wiley & Sons Singapore Pte. Ltd». 2015. 400 p.
2. Kwang Hee Nam. AC Motor Control and Electrical Vehicle Applications. CRC Press. 2019. 556 p.
3. Колесников, А. А. Синергетическая теория управления. -М: Энергоатомиздат, 1994. - 344 с.
4. Колесников А.А., Веселов Г.Е., Попов А.Н. и др. Синергетические методы управления сложными системами: механические и электромеханические системы. -Изд. стереотип. URSS, 2019. - 300 с.
5. Олейников К.А. // Инженерный вестник Дона, 2019, № 9. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n9y2019/6204.
6. Попов А.Н. Энергосберегающие регуляторы для систем автоматизированного электропривода // Инженерный вестник Дона, 2016, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3771.
7. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Санлер А.С. Теория автоматизированного электропривода. М.: Энергия, 1979. - 616 с.
8. Blaschke F. The principle of field-orientation as applied to the transvector closed loop control system for rotating-field machines: Siemens Rev., vol. 34, № 1, pp. 217-220, 1972.
9. Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. Л.: Энергоатомиздат, 1987. 136 с.
10. Анучин А.С. Системы управления электроприводов. Учебник для вузов. М.: Издательский дом МЭИ, 2015. - 373 c.
References
1. Chau K.T. Electric vehicle machine and drives: design, analysis and application. «John Wiley & Sons Singapore Pte. Ltd.». 2015. 400 p.
2. Kwang Hee Nam. AC Motor Control and Electrical Vehicle Applications. CRC Press. 2019. 556 p.
3. Kolesnikov, A. A. Sinergeticheskaya teoriya upravleniya [Synergetic control theory]. M: Energoatomizdat, 1994. 344 p.
4. Kolesnikov A.A., Veselov G.Ye., Popov A.N. i dr. Sinergeticheskiye metody upravleniya slozhnymi sistemami: mekhanicheskiye i elektromekhanicheskiye sistemy [Synergetic methods of control for complex systems: mechanical and electromechanical systems]. Izd. stereotip. URSS, 2019. 300 p.
5. Oleynikov K.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2019, № 9. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n9y2019/6204.
6. Popov A.N. Inzhenernyj vestnik Dona, 2016, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3771.
7. Chilikin M.G., Klyuchev V.I., Sanler A.S. Teoriya avtomatizirovannogo elektroprivoda [Theory of an automated electric drive]. M.: Energiya, 1979. 616 p.
8. Blaschke F. Siemens Rev., vol. 34, № 1, pp. 217-220, 1972.
9. Rudakov V.V., Stolyarov I.M., Dartau V.A. Asinkhronnyye elektroprivody s vektornym upravleniyem [Asynchronous electric drives with vector control]. L.: Energoatomizdat, 1987. 136 p.
10. Anuchin A.S. Sistemy upravleniya elektroprivodov. Uchebnik dlya vuzov [Control systems for electric drives. Textbook for universities]. M.: Izdatel'skiy dom MEI, 2015. 373 p.
