Выбор системы управления двигателем электромобиля



Ключевые слова: электромобиль, система управления электроприводом, векторное управление

Электромобиль — современное новое экологичное средство передвижения. Несмотря на большую популярность бензиновых автомобилей, неизбежное будущее будет за машинами, не загрязняющими окружающую среду. И тенденция развития электротранспорта вполне логична. Растущие цены на бензин заставляют задумать об экономичности использования автомобилей с бензиновым двигателем, растущий уровень шума в городах, производимый машинами пагубно влияет на здоровье граждан. Эти и многие другие факторы привели к тому, что каждая ведущая автомобильная компания взялась за разработку собственного электромобиля [1]. Качественным отличием электромобиля от автомобиля является использование асинхронного либо синхронного трехфазного электродвигателя вместо традиционного бензинового. Управление мотором электродвигателя требует определенного быстродействия и создания необходимого момента на валу. Для этих целей используют различные системы управления электродвигателем. О выборе системы управления для электромобиля будет рассказано в этой статье.

Для того чтобы понять какое место занимает электродвигатель в машине и каким образом происходит управление, рассмотрим блок-схему перспективного электромобиля, представленную на рисунке 1 [3]. На схеме изображены основные элементы, а именно:

‒ электродвигатель;

‒ питающая аккумуляторная батарея;

‒ упрощенная трансмиссия, оснащенная одноступенчатым редуктором;

‒ инвертор;

‒ зарядное устройство на борту, чтобы обеспечивать возможность зарядки от бытовой розетки;

‒ электронная система управления элементами конструкции;

‒ DC-DC преобразователь;

‒ вспомогательная батарея, которая используется в качестве питающего элемента климат-контроля, аудиосистемы, освещения.

‒ управление электромобилем [2].

Рис. 1. Блок-схема электромобиля

Инвертор — это элемент, которые преобразует постоянный ток в трехфазный переменный, а также включает в себя систему управления двигателями. Чтобы понять, какие параметры влияют на систему управления, рассмотрим структуру инвертора, изображенную на рисунке 2 [3].

Рис. 2. Блок-схема инвертора

Опыт различных компаний в создании и реализации электромобилей, накопленный к настоящему моменту позволяют выдвинуть определенные требования не только к самому электромобилю, но и к системе управления приводом автомобиля, в частности. Из всего ряда требований, выдвигаемых к электромобилю, выберем те, что относятся к системе управления двигателем и улучшают потребительские качества автомобиля, как средства передвижения.

Основные требования к системе управления электроприводом:

‒ плавное изменение скорости;

‒ стабильность автоматического поддержания установленной водителем скорости не ниже 10 %, данное требование позволяет энергетически выгодно использовать энергию в условиях городской эксплуатации;

‒ плавное управление тяговым и тормозным моментом при разгоне и торможении соответственно;

‒ автоматическое ограничение максимального момента и мощности на определенном уровне;

‒ ограничение зарядного тока при рекуперативном торможении, при определенном уровне заряда;

‒ возможность движения в режиме наката с последующим плавным разгоном или электрическим торможением;

На микроконтроллере частотного преобразователя выполняется программное обеспечение, которое управляет скоростью и моментом двигателя за счет изменения частоты, напряжения, промежуточных токов в различных системах координат. Основные методы управления представлены на рисунке 3.

Рис. 3. Методы управления [5].

Рассмотрим системы управления, наиболее часто использующиеся в различных частотных преобразователях.

Скалярное управление или как его еще называют частотное, так как этот метод управления электродвигателем переменного тока заключается в том, что поддерживается постоянное соотношение напряжение/частота во всем рабочем диапазоне скоростей, следственно изменяя частоту изменяется напряжение, а за ним и скорость вращения ротора. Это отношение вычисляется исходя из номинальных значений напряжения и частоты. Поддерживание этого соотношения на определенном уровне, можно поддерживать магнитный поток на определенном уровне. Существенным плюсом этой системы является простота ее реализации. Этот единственный плюс нивелируется такими недостатками как:

‒ Невозможно реализовать бездатчиковую систему управления асинхронным двигателем с набросом нагрузки, а система с датчиком скорости имеет низкую точность управления с нагрузкой, синхронный двигатель может вовсе выйти из синхронизма при увеличении момента выше предельного;

‒ Невозможно одновременно управлять и моментом, и скоростью двигателя;

Чаще всего скалярное управление используется в системах с большим диапазоном регулирования скорости. В нашем случае, данная система управления не подходит в виду того, что в электромобиле необходима точная регулировка скорости с нагрузкой на валу, а также в виду того, что скалярное управление не позволяет плавно изменять момент на валу.

Векторное управление, в отличие от скалярного, позволяет независимо и практически безынерционно управлять скоростью вращения и моментом на валу двигателя. Как показывает практика, недостаточно управлять напряжением и частотой, необходимо управлять и фазой, то есть контролировать значение и угол пространственного вектора [4]. Существующие методы управления моментом обычно классифицируют на две группы исходя из того, какие по своей структуре используются регуляторы, а именно: линейные и нелинейные (гистерезисные). В данной статье не подразумевается производить глубокий анализ всех систем управления в виду емкости теории по каждой из них, поэтому рассмотрим особенности, преимущества и недостатки векторных систем с управлением моментом.

Полеориентированное управление подразумевает отдельное управление как моментом, так и полем статора с помощью составляющих вектора поля статора. Все особенности этой системы связаны с указанием в программе правильных и точных характеристик двигателя, то есть использовать адекватную модель электропривода [6]. При использовании системы с прямым управлением моментом с пространственно-векторной модуляцией напряжения необходимо точно вычислять нагрузку на валу, линейность регулятора уменьшает пульсации момента, позволяет плавно запускать двигатель и уверенно работать на низких оборотах, но ухудшает динамические характеристики. Особенностью нелинейного регулятора с прямым управлением моментом заключается в том, что порядок включения транзисторных ключей определяется таблицей, в которой заключены различные состояния вектора напряжения. Характеристики системы зависят от ее настройки и частоты сравнения с вектором напряжения. Увеличение частоты приводит к увеличению стоимости соответственно. Характерными особенностями прямого управления является полное использование возможностей инвертора по напряжению, а также отличная динамика при работе с постоянным и ослабевающим полем.

Наиболее подходящей для системы управления электромобиля является система векторного управления с прямым управлением моментом с таблицей включения. Отразив в таблице все возможные состояния вектора и увеличив частоту итераций можно получить отличные и статические, и динамические характеристики, а также удовлетворить всем другим требованиям, выдвинутым к системе. На данном этапе развития электромобилей эта система управления однозначно приведет к существенному удорожанию системы управления, а следственно и всего электромобиля, но в дальнейшем, по мере увеличения популярности электрокаров, по прогнозам экспертов, цена снизится, а вот качество управления останется на высоком уровне.

Литература:

1. Варзаносов П. В.Анализ преимуществ и недостатков видов легкого электротранспорта / В сборнике: Технические науки: проблемы и перспективы Материалы IV Международной научной конференции. 2016. С. 89–91.
2. http://autoleek.ru/dvigatel/jelektricheskij-dvigatel/ustrojstvo-jelektromobilja.html (дата обращения 29.10.2016)
3. http://toshiba.semicon-storage.com/ru/application/automotive/ecology/hev-ev.html (дата обращения 29.10.2016)
4. CristianBusca. Открытый контур управления низкой скорости для СДПМ в высоком динамическом приложении. — Ольборг, Дания.: Ольборг университет, 2010.
5. http://engineering-solutions.ru/motorcontrol/vfd/ (дата обращения 29.10.2016)

6. Семыкина И. Ю., Завьялов В. М. Сравнительный анализ систем регулирования угловой скорости асинхронного электродвигателя / Вестник Кузбасского государственного технического университета 2005. № 6 (51). С. 61–66.