电动汽车直流电动机调速系统建模与控制仿真

2018-12-21王鹏

机械工程与自动化 2018年6期

王鹏

(山西机电职业技术学院汽车工程系，山西长治 046011)

0 引言

近些年，为了保护环境，国家大力提倡使用新能源技术，纯电动汽车就在这样的大背景下快速发展起来。纯电动汽车直流电动机双闭环调速系统着重解决电动机在过载能力允许的条件下快速启动的问题和提高系统抗干扰的问题。本文通过可视化的编程软件Matlab建立双闭环调速控制系统动态数学模型，并进行仿真计算，通过仿真曲线分析得出系统的不稳定因素并加以改进。

1 纯电动汽车动力性计算理论基础

本文以江淮iev6e车型为例进行分析。依据汽车理论，纯电动汽车在水平路面上以最高车速行驶所消耗的功率为：

(1)

其中：η为传动效率，η=0.92；g为重力加速度；m为汽车满载质量，m=1 850 kg;f为路面滚动阻力系数,f=0.005;vmax为设计最高车速,vmax=60 km/h;Cd为空气阻力系数,Cd=0.49;A为迎风面积,A=3.8 m2。

电动汽车以最大爬坡度车速爬坡时所消耗的功率为：

(2)

其中：vi为最大爬坡度车速，vi=15 km/h；i为最大爬坡度，i=0.1。

将数值代入式(1)与式(2)计算得：PV=7.55 kW，Pi=8.86 kW。选择两者中的较大者初步确定电动机额定功率，确定的直流驱动电动机基本参数见表1。

表1 直流驱动电动机基本参数

在额定磁通下的电动机电动势系数为:

电动机电枢回路电磁时间常数为:

2 调速系统整流触发装置的数学建模与仿真分析

直流电动机驱动系统的整流触发装置近似于一个滞后环节，工程中近似于一阶惯性环节，触发开关频率为15 kHz，周期T=0.066 7 ms，故触发整流平均延迟时间Ts=0.066 7 ms。

整流环节传递函数为：

(3)

电流调节器传递函数为：

(4)

其中：Ki为电流调节器比例系数；τi为积分时间常数。

转速调节器传递函数为：

(5)

其中：Kn为转速调节比例系数；τn为转速调节器积分时间常数。

完成了理论计算工作之后，直接在仿真软件中建立具有双闭环调速控制系统的动态数学模型，如图1所示。

图1 双闭环调速系统simulink仿真模型

新建一个M文件，自动进行上述直流电动机调整系统各环节控制参数的计算，同时调用MATLAB自带的linmod()函数直接将系统的simulink结构图转换为系统状态空间模型，再调用ss()及tf()函数生成系统的传递函数模型。运行程序后可以得到以下结果：电动汽车需求功率为8.67 kW，系统最大超调量mp=37.072%，系统峰值时间tp=0.122 s，系统调整时间tr=0.243 s。

双闭环调速系统的单位阶跃响应曲线如图2所示。由以上仿真结果及图2可以得出：双闭环调速系统的单位阶跃响应品质指标总体较好，系统调整时间仅为0.122 s，可以满足工程要求，不足的是系统最大超调量达到37.072%，不利于系统的整体稳定，应进行调整。

这里采用在原系统的最外环再加一个转速微分负反馈环节，其传递函数为：

(6)