《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》2019年度優(yōu)秀論文獲獎(jiǎng)?wù)撐暮?jiǎn)報(bào)

《光伏發(fā)電出力預(yù)測(cè)技術(shù)研究綜述》等15篇優(yōu)秀論文入選《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》2019年度優(yōu)秀論文，榮獲中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)表彰。現(xiàn)將部分獲獎(jiǎng)?wù)撐牡奈恼潞?jiǎn)報(bào)分享給各位讀者，以期促進(jìn)本領(lǐng)域的技術(shù)交流。

團(tuán)隊(duì)介紹

重慶大學(xué)劉和平教授團(tuán)隊(duì)專注于電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)、電控、電池PACK、分布式充換電儲(chǔ)能柜等的理論研究和產(chǎn)業(yè)化。團(tuán)隊(duì)結(jié)合工程實(shí)際和科學(xué)前沿，長(zhǎng)期從事新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域的研究，已形成電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)本體設(shè)計(jì)、電控本體設(shè)計(jì)、電機(jī)控制算法優(yōu)化等多個(gè)優(yōu)勢(shì)鮮明的研究方向。

劉和平

1957出生，教授，博士生導(dǎo)師。從事汽車(chē)電子、電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成、電力電子與電力傳動(dòng)等領(lǐng)域的電機(jī)設(shè)計(jì)與電機(jī)控制理論和電源變換理論及其工程應(yīng)用研究。承擔(dān)了重慶市科委（重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目7266-1）“混合動(dòng)力汽車(chē)外掛式ISG電機(jī)及其控制系統(tǒng)”、863子項(xiàng)目“50kW鋰電池純電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)和控制系統(tǒng)研究”等。獲國(guó)家教委科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，重慶市計(jì)算機(jī)應(yīng)用成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。發(fā)表科研論文148篇，已經(jīng)出版譯著和教材18部。擔(dān)任多個(gè)公司的技術(shù)總監(jiān)、總經(jīng)理、總工程師多年，具備科技成果產(chǎn)業(yè)化的豐富經(jīng)驗(yàn)和公司運(yùn)營(yíng)管理經(jīng)驗(yàn)，長(zhǎng)期在企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成和汽車(chē)電子的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作。

研究背景

圖1 電機(jī)固有頻率仿真

電機(jī)的共振是引起電動(dòng)汽車(chē)噪聲的主要原因，當(dāng)電流中的諧波頻率與電機(jī)的固有頻率相同時(shí)會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生共振。電動(dòng)汽車(chē)用感應(yīng)電機(jī)本體的固有頻率較低，一般在0.6~5kHz之間，而隨機(jī)調(diào)制技術(shù)開(kāi)關(guān)頻率范圍在8~12kHz之間，所以僅采用隨機(jī)調(diào)制技術(shù)無(wú)法避免電機(jī)的低頻共振，因此需要對(duì)隨機(jī)調(diào)制技術(shù)以及電機(jī)固有頻率范圍內(nèi)的諧波進(jìn)行深入研究。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

圖2 感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖

為了削弱低頻諧波引起的共振，本文在RFPWM的控制方法上加入了諧波頻譜整形算法。如圖2所示。諧波頻譜整形算法作用于電流環(huán)，在計(jì)算電流誤差的環(huán)節(jié)引入了帶通濾波器，我們以q軸的電流為例進(jìn)行分析，d軸的參數(shù)與q軸完全相同。在圖5中，將帕克變化之后得到的q軸電流分解為4個(gè)部分如式1所示：

因此，能夠引起電機(jī)共振的電流諧波就會(huì)被消除掉，從而削弱電機(jī)的共振。帶通濾波器的傳遞函數(shù)如式4所示：

本文中電機(jī)1~2階固有頻率的范圍是0.85~1.16kHz，3~4階固有頻率范圍是3.1~3.9kHz?？紤]到控制器的頻率輸出范圍是0~200Hz，電流的19次諧波的頻率才能夠達(dá)到3.9kHz，此時(shí)電流諧波的幅值很小，引起電機(jī)振動(dòng)的幅值很小，故可忽略其影響，所以僅對(duì)電機(jī)1~2階的共振進(jìn)行削弱。

根據(jù)以上分析得到濾波器的中心頻率為1025Hz，帶寬為735Hz，將以上參數(shù)帶入到式5中，可以得到濾波器的表達(dá)式如式5所示。

在實(shí)際的控制程序當(dāng)中，對(duì)信號(hào)的采集和處理都是離散的，所以將濾波器的傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為差分序列的形式，如式6所示。

在MATLAB中搭建了電動(dòng)汽車(chē)用感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的模型。固定載波頻率仿真中設(shè)定模型開(kāi)關(guān)頻率為10kHz，隨機(jī)載波頻率仿真中設(shè)定模型開(kāi)關(guān)頻率的中心頻率為10kHz，變化區(qū)間為[8~12kHz]。

在仿真過(guò)程中設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速為3000rpm，負(fù)載轉(zhuǎn)矩30N?m，此時(shí)電機(jī)線電流交流幅值為183A，取電動(dòng)汽車(chē)用感應(yīng)電機(jī)的A相電流為分析對(duì)象，仿真得到的波形如圖3所示。從圖3(a)中可以看出，固定載波頻率情況下，電流波形的PSD有集中于開(kāi)關(guān)頻率(10、20、30kHz)及其倍頻的窄帶寬諧波簇。

采用RFPWM技術(shù)之后，原有的諧波簇被均勻的分散在開(kāi)關(guān)頻率范圍(8~12kHz、16~24kHz)之內(nèi)，有效的降低了諧波的幅值，如圖3(b)中紅色箭頭區(qū)域所示，削弱了電流波形PSD中的窄帶寬諧波簇，從而削弱了電機(jī)的振動(dòng)和噪聲。

圖3 感應(yīng)電機(jī)A相電流的PSD

采用RFPWM控制策略，削弱了感應(yīng)電機(jī)線電流PSD中開(kāi)關(guān)頻率處能量的峰值，但開(kāi)關(guān)頻率在8kHz以上，因此僅采用RFPWM控制策略不能削弱感應(yīng)電機(jī)低頻共振。為了削弱電機(jī)低頻共振，本文設(shè)計(jì)了一種電流諧波頻譜整形算法，仿真得到A相電流波形PSD的低頻部分如圖4所示。

圖4 電機(jī)A相電流PSD的低頻波形

在圖4中，提取共振頻率范圍內(nèi)的波形，將其放大并與沒(méi)加入電流諧波頻譜整形算法的波形進(jìn)行比較。放大部分圖形中藍(lán)色虛線表示加入電流諧波頻譜整形算法前的波形，黑色實(shí)線表示加入電流諧波頻譜整形算法后的波形。

從圖中可以看出，加入電流諧波頻譜整形算法之后，感應(yīng)電機(jī)線電流PSD中共振頻率范圍內(nèi)的諧波得到了有效的抑制。因此可以明顯的削弱電機(jī)的共振，從而減小電機(jī)的噪聲。圖4中右下角部分表示開(kāi)關(guān)頻率范圍內(nèi)諧波的PSD，該部分諧波仍舊均勻的分布在開(kāi)關(guān)頻率范圍之內(nèi)，可見(jiàn)加入電流諧波頻譜整形算法不會(huì)影響RFPWM的性能。

為了驗(yàn)證所提出算法的有效性,本文搭建了基于矢量控制策略的感應(yīng)電機(jī)對(duì)拖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)采用德州儀器公司的TMS320F28069作為核心處理器、MOSFET作為開(kāi)關(guān)器件，處理器留有接口，可對(duì)其進(jìn)行編程控制。

圖5 電動(dòng)汽車(chē)用感應(yīng)電機(jī)對(duì)拖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)中固定載波頻率設(shè)置為10kHz，隨機(jī)載波頻率的平均頻率設(shè)置為10kHz，頻率的變化區(qū)間為[8~12kHz]。通過(guò)查隨機(jī)數(shù)表的方式生成隨機(jī)數(shù)，隨機(jī)數(shù)表中包含1000個(gè)隨機(jī)數(shù)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)中設(shè)定電機(jī)的轉(zhuǎn)速為3000rpm，電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為30N?m，此時(shí)感應(yīng)電機(jī)線電流交流幅值為183A，各個(gè)參數(shù)設(shè)置保持與仿真中的工況一致。在固定載波頻率、隨機(jī)載波頻率以及隨機(jī)載波頻率加入濾波算法的情況下，分別用示波器采集電機(jī)A相線電流的波形的數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)分析得到線電流的PSD如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)中感應(yīng)電機(jī)A相電流的PSD

從圖6中可以看出，本文所提出的電流諧波頻譜整形的RFPWM控制策略在實(shí)際的工況中有著明顯的效果。應(yīng)用此控制策略后，電機(jī)線電流波形的PSD均勻的分布在開(kāi)關(guān)頻率范圍之內(nèi)，降低了線電流PSD的峰值，同時(shí)該控制策略能夠?qū)舱耦l率范圍內(nèi)的諧波進(jìn)行抑制，削弱共振引起的電機(jī)振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與仿真結(jié)果一致，證明了仿真以及控制策略理論的正確性。

為驗(yàn)證控制算法削弱振動(dòng)的有效性，用振動(dòng)測(cè)量?jī)x測(cè)量電機(jī)的振動(dòng)，測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖7所示。測(cè)量得到的電機(jī)的振動(dòng)頻譜的PSD如圖8所示。

圖7 感應(yīng)電機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

圖8 電機(jī)振動(dòng)波形的PSD

圖8(a)波形中標(biāo)號(hào)1、2、3、4、5、7均為電機(jī)共振頻率點(diǎn)的振動(dòng)峰值,標(biāo)號(hào)6、8、9分別為載波頻率10、20、30kHz的諧波引起的振動(dòng)峰值。在采用RFPWM控制策略后，在圖8(b)中標(biāo)號(hào)10、11、12處的振動(dòng)峰值得到了明顯的抑制，同時(shí)在標(biāo)號(hào)10處原共振點(diǎn)的峰值降低，集中的振動(dòng)能量得以分散，證明了RFPWM控制策略對(duì)振動(dòng)和噪聲控制的有效性。

在RFPWM控制策略中，加入電流諧波頻譜整形算法前后振動(dòng)頻譜PSD的低頻部分如圖9所示。

圖9 電機(jī)振動(dòng)波形PSD的低頻部分

在圖9(a)中標(biāo)號(hào)1、 2代表電機(jī)轉(zhuǎn)速引起的振動(dòng)，與電機(jī)轉(zhuǎn)速和機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)，無(wú)法通過(guò)控制策略避免，標(biāo)號(hào)3、4代表共振引起的振動(dòng)。采用電流諧波頻譜整形算法之后，共振引起的振動(dòng)得到了削弱，如圖9(b)中標(biāo)號(hào)7、8所示，實(shí)驗(yàn)證明了電流諧波頻譜整形算法的有效性。

結(jié)論

隨機(jī)PWM技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)是減小和抑制系統(tǒng)的噪聲和電磁干擾，本文針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，在隨機(jī)化開(kāi)關(guān)周期脈寬調(diào)制（RFPWM）的基礎(chǔ)上，提出了帶有電流諧波頻譜整形環(huán)節(jié)的RFPWM控制策略。

分析和實(shí)驗(yàn)表明該控制策略能夠?qū)㈦娏黝l譜均勻分散在較寬的頻率范圍內(nèi)，減小整數(shù)倍載波頻率的諧波幅值，同時(shí)能夠抑制電機(jī)共振頻率范圍內(nèi)的電流諧波，明顯的削弱電機(jī)的共振。該方法不需要修改系統(tǒng)硬件、改變調(diào)節(jié)器參數(shù)，不影響矢量控制性能，具有很好的通用性。

引用本文

劉和平, 劉慶, 張威, 苗軼如, 劉平. 電動(dòng)汽車(chē)用感應(yīng)電機(jī)削弱振動(dòng)和噪聲的隨機(jī)PWM控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(7): 1488-1495. Liu Heping, Liu Qing, Zhang Wei, Miao Yiru, Liu Ping. Random PWM Technique for Acoustic Noise and Vibration Reduction in Induction Motors Used by Electric Vehicles. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(7): 1488-1495.