Study on the model of automotive electric starter system on the basis of integrated starter-generator

Full Text

В последние годы значительное развитие получили гибридные автомобили, а также ав- томобили, содержащие интегрированные стартер-генераторные устройства. Интегрирован- ный стартер-генератор (ИСГ) совмещает обычный стартер и генератор переменного тока в одной электрической машине. Транспортное устройство, оборудованное ИСГ, считается «неполным» гибридом, потому что способно осуществлять большинство функций гибридно- го автомобиля [9]. ИСГ устанавливается непосредственно на коленчатый вал двигателя внутреннего сго- рания (ДВС), что позволяет значительно увеличить надежность системы за счет отказа от большого числа изнашиваемых частей. Сэкономленный вес может достигать около 10 кг в одном транспортном средстве [9]. Разработка надежного, с умеренными весогабаритными характеристиками интегриро- ванного стартер-генератора (ИСГ) является в настоящее время актуальной задачей. Анализ, проведенный авторами, показал, что наиболее предпочтительным выбором электрической машины (ЭМ) в качестве ИСГ является многополюсная синхронная машина с постоянными магнитами (СМПМ). В режиме пуска СМПМ с системой управления представляет собой бесконтактный двигатель постоянного тока (БДПТ) [1, 2, 10]. Описание работы рассматриваемого стартер-генераторного устройства приводится в статьях [2, 11]. Электромагнитная часть ИСГ приведена на рисунке 1. Основными парамет- рами ЭМ являются: масса, равная 6 кг, внешний диаметр Dвн=300 мм, диаметр расточки ста- тора Di=220 мм, расчетная электромагнитная мощность не менее 2 кВт в двигательном ре- жиме и не менее 4 кВт в генераторном режиме. Одним из режимов работы ИСГ является стартерный режим. Наиболее распространен- ным является прямой пуск ИСГ в режиме запуска ДВС [4, 12]. При прямом пуске статорные обмотки ИСГ через инвертор подключаются на полное напряжение к источнику питания - аккумуляторной батареи (АБ). Известно также [4, 12], что прямой пуск неблагоприятен для питающей сети - при ограниченной мощности АБ на ней падает значительное величина напряжения (до 30-40%), что нарушает работу других потребителей в автомобиле. К недо- статкам этого пуска следует отнести: нерациональный расход емкости АБ из-за значительной неравномерности тока, низкий КПД (до 35%) [4, 12]. Рассматриваемый в статье регулируе- мый запуск ДВС устраняет перечисленные недостатки, и при этом дополнительно обеспечи- вается выбор люфтов в редукторе коробки передачи при малой частоте вращения и плавное, безударное сцепление коленчатого вала, на котором установлен ИСГ с вращающими соеди- нениями запускаемого ДВС. При регулируемом пуске система представляет одноконтурную скоростную систему автоматического регулирования. Основной задачей ИСГ в режиме пус- ка является достижение заданной частоты вращения - частоты запуска ДВС, при удовлетво- рительной динамике работы системы ИСГ-ДВС в целом [8, 11]. Рисунок 1. Бесконтактный двигатель постоянного тока: 1 - статор; 2 - ротор; 3 - постоянные магниты; 4 - 3-х фазная обмотка, подключаемая к 3-х фазному инвертору (коммутатору) Основными задачами проектирования электрической машины для ИСГ в условиях ре- гулируемого пуска ДВС являются: определение конструктивных параметров электрической машины; расчет тока, потребляемого ИСГ при пуске ДВС; определение времени разгона двигателя до частоты пуска (время запуска ДВС); расчет электромагнитного момента при пуске ДВС; получение удовлетворительной динамики работы всей системы ИСГ-ДВС во время за- пуска. Эти задачи требуют в первую очередь адекватного моделирования работы ИСГ-ДВС в режиме электростартерного пуска. Наиболее распространенным и развитым средством моде- лирования, достаточно полно реализующим задачи моделирования мехатронных систем, яв- ляется система Matlab Simulink, пакет Sim Power System [3]. Для построения модели БДПТ используется синхронная магнитоэлектрическая машина с трапецеидальным распределением магнитного поля в зазоре [3]. Математическая модель магнитоэлектрической синхронной машины состоит из двух частей - электромагнитной и электромеханической. Наличие в библиотеке пакета Sim Power System виртуальных моделей: БДПТ (PMSM), 3-х фазного инвертора, управляемого источ- ника напряжения - позволяет использовать виртуальные (имитационные) модели для иссле- дования динамических характеристик стартер-генератора в режиме пуска. Модель замкнутой системы ИСГ-ДВС изображена на рисунке 2. Моделирование про- водится при следующих допущениях: напряжение аккумуляторной батареи (АКБ) постоянно и не изменяется в различных ре- жимах работы БДПТ; БДПТ симметричен в магнитном отношении, потери в стали не учитываются; реакция якоря считается незначительной; 3-х фазный инвертор, выполняющий роль коммутатора, идеализирован, т.е. силовые транзисторные ключи имеют большое сопротивление (0,5 МОм) в закрытом состоянии, а их сопротивление в открытом состоянии имеет очень небольшое значение (10-3 Ом); величина напряжения питания инвертора, при работе в пусковом режиме учитывает па- дение напряжения на АКБ и в проводах сети, соединяющей ИСГ и АКБ; при моделировании нагрузки на ИСГ учитывается среднее значение момента сопротив- ления двигателя (Мс) при прокручивании ДВС [4]. угол опережения коммутации ключей инвертора β0=0. Модель содержит: Рисунок 2. Схема моделирования ИСГ синхронную магнитоэлектрическую машину с трапецеидальным распределением поля в зазоре (PMSM); блоки Bus Selector1, Subsystem, служат для измерения трех логических сигналов с датчи- ков Холла и получения сигналов для управления 3-х фазным инвертором (коммутато- ром); 3-х фазный инвертор (Universal Bridge), выполняющий роль коммутатора; управляемый источник напряжения (Controlled Voltage Sourse), который управляется от регулятора скорости (РС) через блок ограничения напряжения (Saturation1). Управляе- мый источник напряжения моделирует работу высокочастотного (f=4кГц) широтно- импульсного регулятора (ШИР). Напряжение на его выходе пропорционально средней величине напряжения на выходе реального ШИР, прикладываемого к обмоткам БДПТ; блок ограничения напряжения (Saturation1) на выходе РС моделирует насыщение, обу- словленное конечной величиной напряжения питания инвертора от АКБ; модель нагрузки, состоящая из звена сухого трения (Sign), имитирующего среднее значе- ние стартового крутящего момента (ST) и звена, имитирующего снижение стартового крутящего момента до рабочего (ET) [9]. Основной задачей ИСГ в режиме запуска является достижение заданной частоты вра- щения коленчатого вала ДВС при скомпенсированной постоянной времени объекта регули- рования [7, 8]. При синтезе регулятора скорости приходится упрощать математическое описание БДПТ, заменяя его эквивалентным двигателем постоянного тока [3]. В этом случае уравне- ния, которыми описывается БДПТ, будут выглядеть следующим образом:  U s  Ls dis  i R  e , dt s s я m  d  J  dt  M  M н , (1)  d   m ,  dt  ея  кЕ т ; M  кМ is . где: U s ,is напряжение и ток статора; Ls , Rs ,Ф0 , J , p параметры двигателя, которые вводятся в поля окна настройки параметров БДПТ; m - число фаз, равное 3; М, Мн - электромагнитный момент, момент нагрузки; m тора. - угловая скорость вращения ро- В соответствии с системой уравнений (1) построена структурная схема БДПТ. Эта структурная схема подобна структуре ДПТ и приведена на рисунке 3, K  1 ; к  к w p m Ф ; K  к ; к  к w pФ ; T  L , R где: 1 s M 0 a 2 0 М 2 J Е S R s 0 a 0 s к0 - общий обмоточный коэффициент обмотки статора, wa - число активных витков об- мотки статора, р - число пар полюсов [6]. Рисунок 3. Структурная схема БДПТ Анализ структурной схемы (рисунок 3) показывает, что передаточная функция ско- ростной части БДПТ по управляющему воздействию может быть представлена выражением: 1 W s  м s  U s s кE Ts s2  1 s 1 , (2) K1K2кE K1K2к E корни характеристического уравнения определяются следующим выражением: s   1 s 1,2 2T  1 2Ts 1 4Ts K1K2кE . (3) При выполнении условия 4Ts K1K2кE  1 , что имеет место для ИСГ, корни характеристического уравнения являются вещественными, и эквивалентная передаточная функция БДПТ по управляющему воздействию может быть представлена в виде двух последователь- но включенных апериодических звеньев первого порядка с постоянными времени T1,T2 и ко- эффициентом передачи: 1/кЕ W s  м s  1 кE , (4) где: T1   1 1 s ,T2   . 1 s2 U s s T1s 1T2s 1 Структурная схема эквивалентной одноконтурной скоростной системы с БДПТ пред- ставлена на рисунке 4. Рисунок 4. Структурная схема эквивалентной одноконтурной скоростной системы с БДПТ Двигатель постоянного тока управляется от силового регулятора, представленного зве- ном Wcp . Силовой регулятор (в данном случае управляемый источник постоянного напряжения и инвертор, питающий статорные обмотки БДПТ) управляется от регулятора скорости с передаточной функцией Wp s, на вход которого подается разность сигнала управления и обратной связи по скорости. Поскольку T2  T1 целесообразно использовать в качестве регулятора скорости ПИрегулятор, который компенсировал бы большую постоянную времени (T2) объекта регули- рования - ДВС [7, 8, 11]. Передаточная функция ПИ-регулятора: W s T2s 1 K p K K p K KИ p   T2s 2 p  T s  П  s . (5) Передаточная функция разомкнутой системы будет равна: 1 Wраз s  T2s 1Kср K р Kос T2s кЕ T1s 1T2s 1  Kср K p Kос T2sT1s 1кE . (6) Известно, что оптимум по модулю в системе достигается при выполнение условия [8]: 1 T2кE  2T . (7) Kср K р Kос Из последнего выражения находятся коэффициенты передачи пропорциональной и ин- тегральной части регулятора: K П  K р  T2кE ; KИ  K p . (8) Для рассматриваемого ИСГ: R 2T1Kср Kос  4 103 Ом, T2 L  160 106 Гн, Ф  1,1103 Вб, J  5кг  м2 , р  12, к0  wa  10, S М н0 S 0  120 Н  м . 1 При Kср  10, Kос  0,1 параметры регулятора будут равны KП  2,44; KИ  0,82 с . Переходные процессы в замкнутой одноконтурной скоростной системе по моменту и скорости при подачи входного сигнала и при наличии возмущающего сигнала (момента на валу ИСГ) в момент времени t=0 представлены характеристиками на рисунках 5 и 6а. а) электромагнитный момент БДПТ б) частота вращения БДПТ Рисунок 5. Результаты моделирования работы ИСГ Анализ осциллограммы угловой частоты вращения (рисунок 5б) показывает, что ча- стота вращения ИСГ в режиме пуска достигает значения n=150 мин-1 за 3,5 с от начала пуска, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к электропусковым системам автомобиля. а) результаты моделирования работы ИСГ б) экспериментальные данные работы ИСГ в режиме пуска Рисунок 6. Ток в фазе статора БДПТ Результаты моделирования и сравнение с экспериментом (рисунок 6б) позволяют сде- лать следующие выводы. Представленное математическое описание БДПТ в режиме пуска эквивалентным ДПТ, позволяет исследовать динамику работы ИСГ при различных моделях нагрузки - ДВС. Меняя конструктивные параметры БДПТ, можно быстро и эффективно решать задачи рационального проектировании ИСГ. Анализ осциллограмм процесса управляемого пуска показывает, что время разгона ДВС до частоты запуска незначительно увеличивается (10%) по сравнению с временем при прямом запуске. Значительные пусковые токи в начальный момент в фазах БДПТ говорят о необходимо- сти введения в систему ограничения по току с целью уменьшения токов, протекающих по фазам инвертора (коммутатора) в момент пуска.

About the authors

A. L. Migunov

Samara State Technical University

Ph.D.

S. Y. Kaurov

Samara State Technical University

Email: serkau@rambler.ru
+7(846) 242-11-78

M. N. Alimbekov

Samara State Technical University

References

Supplementary files