РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ С ТЯГОВЫМ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

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

= —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

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

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\

= °,

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 )

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.