（电力电子与电力传动专业论文）电动汽车用开关磁阻电机dsp控制器软件设计.pdf

北京交通大学硕士学位论文 统所采用的控制策略。 本系统采用p i 数字调节，发出相通断信号和p w m 信号，并和电流、电压等保护信号相结合，实现对主 功率元件的通断控制。控制软件采用模块化编程，增 强了程序的通用性和可读性。 在设计控制系统时，还采用了全数字分段变参数 p i 控制。首先针对电动汽车的需要，设计了电流单闭 环p i 数字调节系统，实现转矩控制；然后为了使系统 能够应用于其他场合，又设计了转速电流双闭环系统。 最后，对两个系统进行了实验研究及分析。 目前，该控制系统已基本调试完毕，并在不断的 改进过程中完善。 关键词：开关磁阻电动机，电动汽车，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ， p i 控制，p w m s o f t w a r ed e s i g n0 fd s p - b a s e ds r m c o n t r o l l e rf o r e l e c t r i cc a r a b s t r a c t i n r e s p o n s e t oc o n c e r n sa b o u t e n e r g yc o s t ，e n e r g y d e p e n d e n c e a n de n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n ，ar e k i n d l i n g o f i n t e r e s ti ne l e c t r i cv e h i c l e sh a sb e e no b v i o u s s w i t c h e d r e h i c t a n c em o t o r ( s r m ) s e e m st ob eo n eo ft h es o l u t i o n so f e l e c t r i cv e h i c l e si nt e r m so fi t sf l e x i b l ec o n t r o lm e t h o d c o m p a c t n e s s ，r o b u s t n e s sa n dg o o d e l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c s a sah i g hp e r f o r m a n c ed r i v es y s t e mm a k i n gu ps r m ， p o w e re l e c t r o n i cs w i t c h e dc i r c u i ta n dd r i v i n gc o n t r o l l e r ，s r d ( s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ) h a s ag r e a tp o t e n t i a l i t i e sb e c a u s e o fi t sm a n ym e r i t s m a n yr e s e a r c h e r sa th o m ea n da b r o a dh a d s t u d i e ds r m s y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h es o f t w a r e p a r to fs r mc o n t r o l s y s t e mw i t ht m s 3 2 0 u f 2 4 0 7a sd s p m o t o rc o n t r o l l e ru s e dt o e l e c t r i c v e h i c l ei sd e s i g n e d i th a saq u i c k s p e e di nc a l c u l a t i o n f i r s t ，t h i sd i s s e r t a t i o nr e v i e w st h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c v e h i c l e si nt h ew o r l d t h ec u r r e n ts t a t u so fm u l t i d i s c i p l i n a r y t e c h n o l o g i e s i n e l e c t r i cv e h i c l e si s p r e s e n t e d a 1 s o ，t h e s t r u c t u r eo fs r ds y s t e ma n di t sd e v e l o p m e n ta th o m ea n d a b r o a da r ei n t r o d u c e d t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i co fs r ma n di t s e l e c t r o m a g n e t i cp r i n c i p l e w e r ed e s c r i b e di nd e t a i l s t h e v a r i a t i o no fs r m w i n d i n gc u r r e n ti n d i f f e r e n t s t a g ea n dt h e 3 北京交通人学硕士学位论文 f o r m u l a so ft o q u ea n dp o w e rw e r ea l s oa n a l y z e di ni t n e x t i t d e a l sw i t hs r d c o n t r o l l i n gm o d e c o m p o s i t i o n o f s p e e d r e g u l a t i n gs y s t e ma n dt h ec o m m o nd e s i g n i n gm e t h o do fi t s c o n t r o l l e r t h ec o n t r o l l e rp r o d u c e st h eo na n do f fa n dp w m s i g n a lo f e a c h p h a s e c o m b i n e d w i t h p r o t e c t i n gs i g n a l a n dc u r r e n t c h o p p i n gs i g n a l ，i t c a nc o n t r o lt h ei g b to na n do f f t h e c o n t r o ls o f t w a r ew a s p r o g r a m m e d t h em o d u l a rp r o g r a mc a n m a k et h e p r o g r a mu n i v e r s a la n dr e a d a b l e t h ev a r i a b l e p a r a m e t e r d i g i t a l p i r e g u l a t o r f o rs r di s d e s i g n e d a c u r r e n tp ic o n t r o l l e ru n d e r c o n s t a n t t o r q u e o p e r a t i o nf o rt h ec o m m o nc u r r e n tc o n t r o l l e ri s d e s i g n e df o r e l e c t r i cv e h i c l e s t om e e tt h er e q u i r e m e n t so fo t h e rs i t u a t i o n s ， ad o u b l ec l o s e d l o o pc o n t r o ls c h e m ei s d e s i g n e d ，s p e e da n d c u r r e n tb o t hc o n t r o l l e d t h ee x p e r i m e n tw a v e so fc u r r e n ta n d v o l t a g eo f e a c h p h a s e i nd i f f e r e n ts p e e da n dc u r v eo f s p e e d a r e g i v e na n da n a l y z e d a tt h ee n do ft h ea r t i c l e k e yw o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o r ，e l e c t r i c v e h i c l e ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，p ic o n t r o l ，p w m 4 j b 京交通人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 保护人类赖以生存的自然环境，珍惜地球上有限的石油资 源，足摆在人们面前迫切需要解决的两个重大课题。传统燃油 汽车在这两个问题上与人们的愿望正好背道而驰。未来的汽车 应该向环保、清洁的方向发展，电动汽车的出现正顺应了这种 形势【1 1 。 电动汽车是一种安全、经济、清洁的绿色交通：l ：具，不仅 在能源、环境方面有其独特的优越性和竞争力，而且能够更方 便地采用现代控制技术实现其机电一体化的目标，因而具有广 阔的发展前景。电动汽车在研究开发中存在的关键问题主要有 两个：高性能电池的开发和高性能电机的开发。目前已开发的 高性能电机品种很多，从各种资料来看，主要有直流电动机、 交流感应电动机、无刷直流电机以及开关磁阻电机( s w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r 简称s r m ) 。其中，丌关磁阻电机具有结构 简单、控制灵活、可四象限运行、可靠性高、能在较宽的速度 和转矩范围内高效运行等特点，已成为研究人员的研究热点， 必将成为电动车辆选用的驱动系统之一。本课题作为国家8 6 3 计划中的重大攻关项目，选用的是开关磁阻电机作为电动汽车 的驱动电机。 1 2 电动汽车 1 2 1 电动汽车的发展及特点 电动汽车e l e c t r i c v e h i c l e ( e v ) ，它是以储电池为能源，经 北京交通大学硕+ 学位论文 过驱动控制系统驱动电动机，带动汽车的驱动轮转动，推动汽 车在公路上的快速行驶。早在世界第一辆燃油汽车诞生之前， 1 8 8 1 年在法国巴黎街上就出现了世界上第一台电动汽车。此后 电动汽车曾盛行一时，到1 9 世纪末电动汽车几乎成为汽车主流。 当时，在美困电动汽车发展很快，2 0 世纪美国汽车保有量中， 以蓄电池为动力的电动汽车占3 8 ，1 9 1 5 年美国电动汽车的年 产量达5 0 0 0 辆。随着燃油汽车技术发展逐渐趋于完善，电动汽 车便逐渐销声匿迹了。其原因是电动汽车充电时问长，行驶里 程短，限制了它的应用和发展。然而在2 0 世纪末，石油资源危 机及汽车尾气排放对环境污染问题日趋严重，对应用电动汽车 的需求又开始升温【”。 现代电动汽车绝不是百年前陈旧技术的重复，它是集光、 机、电、化各学科领域中的最新技术于一体，是汽车、电力拖 动、功率电子、智能控制、化学电源、计算机、新能源、新材 料工程技术中最新成果的集成产物。它清洁无污染，能量效率 高及能源多样化，结构简单，维修使用方便，是2 1 世纪重要的 新型绿色环保交通工具。现在世界著名的汽车公司已经有多个 电动汽车车型投入了小批量生产，比如美国通用汽车公司建立 了电动汽车生产线，每天装1 0 多辆车，1 年卖8 0 0 辆左右；法 国雪铁龙1 年生产销售2 0 0 0 多辆电动汽车，日本本田、福特、 克莱斯勒等公司的电动汽车生产线都已经启动。我国7 0 年代清 华大学就开始了电动汽车的研究，1 9 9 2 年，国家科委把电动汽 车的研究列入国家“八五”重点攻关项目，接着，电动汽车研 究又列入国家“九五”计划重大工程项目，现已研制出部分样 车。同时，上海、天津、黑龙江、辽宁、四川等地区也正进行 电动汽车的研制。国家还在南方建立了电动汽车试验场和示范 区【“。 2 北京交通人学硕十学位论文 电动汽车的优点是：( 1 ) 减少环境污染。电动汽车与燃油汽 车相比，碳氢化物排放量前者仅为后者的0 ，0 1 4 、一氧化碳 排放量为0 0 0 1 、氮氖化物排放量为0 2 8 6 。因此，电动汽 车可称为零污染汽车。( 2 ) 噪声低。( 3 ) 能量综合利用率高，可 以安装制动能量回收装置，在行驶巾实施制动的同时向蓄电池 充电，临时停车时可切断电源。( 4 1 电能的来源有多种方式， 不必依赖日益短缺的不可再生能源，可以在用电低谷时充电以 减轻供电量。( 5 、结构简单、紧凑，便于维修。 电动汽车的缺点：( 1 ) 电动汽车产业化面临的。个关键问题 就是全世界至今还没有研制出实用的电动汽车电池，也没有找 到解决这一问题的方案。现在使用的蓄电池大多容量小、质量 大、寿命短、充电时间长、价格昂贵。( 2 1 电动汽车的最高车 速、加速性能、续驶里程等性能都不如燃油汽车，虽然已有续 驶罩程超过2 0 0 k m 的电动汽车，但绝大部分不超过l o o k m 。( 3 ) 电动汽车本身虽不排放废气，但大多数国家的电力是由热电厂 供给，燃烧大量的煤，同样造成污染。( 4 ) 电动汽车目前使用 较多的是铅蓄电池，铅对人体的危害很大，在开采、冶炼及使 用过程中将对环境造成严重污染。 1 2 2 电动汽车的电气驱动系统 1 电动汽车的系统组成 诈如燃油汽车的驱动系统，不同电动汽车的驱动系统也不 尽相同，甚至有着很大差异。然而，相同的功能要求决定了它 们都具有一个基本相同的结构，都可以分成能源供给系统、电 气驱动系统、机械传动系统三部分，其中电气驱动系统是电动 车的心脏，主要包括电动机、功率电子元器件及控制部分，如 3 北京交通人学硕十学位论文 图1 1 所示【”。 能源供给系统 ；电气驱动系统；机械传动系统 图1 1 电动车驱动系统基本结构 f i g1 - 1s t r u c t u r eo fe v sd r i v e rs y s t e m 2 电动汽车对电气驱动系统的要求 汽车是一种在陆地上露天运行、结构紧凑、具有车载能源 的步行机械，工况复杂，既要能高速飞驰，又要能频繁启制动、 上下坡、快速超车、紧急刹车：既要能适应雪天、雨天、盛夏、 严冬、雪后洒盐等恶劣天气条件，又要能承受道路的颠簸振动， 还要保证司乘人员的舒适与安全。电动汽车的核心，是要用电 气传动系统取代其机械推进系统，用电池代替汽油作为车载能 源，在实现零排放或少排放的前提下，满足燃油汽车各项性能、 价格指标的要求。因此，它除了具有普通电气传动的共性外， 还具有如下特殊性1 7 】： ( 1 ) 瞬时功率大，过载能力强，加速性能好。 ( 2 ) 调速范围宽广，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩 区要求低速运行时，具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求： 在恒功率区，要求低转矩时，具有高的速度，以满足汽车在平 坦的路面能够高速行驶的要求。 ( 3 ) 在整个运行范围内，具有高的效率，以提高一次充电 的续驶里程。 ( 4 ) 可靠性高，以满足车辆的各种工况( 如高低温、坏天 北京交通大! 学硕+ 学位论文 气和剧烈振动等) 。 随着交流驱动的发展，异步电机、永磁电机以及，l ：关磁阻 电机，已经取代直流电机驱动而成为电动车动力系统的主流驱 动电机。而s r m 在电动车驱动中有着明显的优势，这是冈为 它有着简单可靠的结构；在宽的转速和转矩范围内能保持很高 的效率；方便地实现四象限运行；高起动转矩和低的起动功率 以及低成本。由此可见，s r m 可以完全满足电动车的动力要 求，成为电动车的一种主要的驱动电机。在本系统中，电气瓢 动系统选用的就是s r m 驱动系统。 1 3 开关磁阻电机 13 1 开关磁阻电机的发展概况”1 s r m 是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一种新型电机。1 9 8 3 年英国t a s cd r i v e s 有限公司将世界上第一台s r m ( 7 5 k w ， 1 5 0 0 r r a i n ) 商品投放市场；1 9 8 4 年，又推出4 2 2 k w ，4 个规 格的系列产品：原联邦德国在1 9 8 4 年至1 9 8 6 年期间也先后完 成了1 k w ，1 2 k w ，5 k w 样机的试制。 s r m 驱动系统( s r d 系统) 作为一种结构简单、鲁棒性好、 价格便宜的新型调速系统，问世不久便引起各国电气传动界的 广泛重视，美国、加拿大、南斯拉夫、埃及、新加坡等国也都 竞相发展，我国于1 9 8 4 年左右也以较高的起点开始s r m 的研 究、开发工作。s r m 成为8 0 年代热门的调速电动机，9 0 年代 后，形成了理论研究与实际应用并重的发展态势。 s r m 既可作电动机运行，也可作发电机运行。s r m 主要 用于调速系统。由于s r d 在运行可靠性、方便性及成本等方 面可与其它凋速系统竞争，所以，s r d 系统已应用于许多场 台。国外生产的s r d 产品有通用型和特殊型，容量可达5 m w ， 北京交通大学硕士学位论文 转矩达1 1 0 6 牛米，转速高达1 0 r m i n 。通用型产品供一般 工业用，如风机、泵、卷绕机、压缩机、食品加工及纺织工业 等。特殊性产品主要用于牵引机车、电动汽车及飞机的启动电 动机、伺服系统以及日用家电等方面。我国在s r d 系统的理 论研究方面也已取得了长足发展，并研制出多种规格的样机。 s r 发电机结构简单，容错能力强，调节性能好，运行可靠。 目前，s r 发电机的研究也已起步。 1 3 2 开关磁阻电机驱动系统 团 图1 2s r d 系统组成框图 f i g1 - 2b l o c kd i a g r a mo fs r ds y s t e m s r d 系统由s r m 、功率变换器、控制器、电流检测器和 位置检测器组成，其组成框图如图1 2 所示【3 6 1 。 ( 1 ) s r m 是s r d 中实现机电能量转换的部件，也是s r d 有别于其它电动机调速系统的主要标志。 ( 2 ) 功率变换器向s r m 提供运转所需的能量，由蓄电池或 交流电整流后的直流电供电。由于s r m 绕组电流是单向的， 使得其功率变换器主电路不仅简单，而且具有普通交流及无刷 直流调速系统所没有的优点，即相绕组与主开关器件是串联 的，因而可预防短路故障。s r m 的功率变换器主电路的结构 形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类等有关。 ( 3 ) 控制器是系统的中枢，它综合处理速度指令、速度反 北京交通大学硕上学位论文 馈信号及电流传感器、位置传感器的反馈信息，控制功率变换 器中主开关器件的工作状态，实现对s r m 运行状态的控制。 f 4 1 传感器包括电流传感器、位置传感器和速度传感器。 s r m 在基速以f 常采用电流斩波控制，利用电流传感器检测 绕组中的实际电流，与电流斩波幅值比较，提供电流斩波控制 信号，通过改变相绕组电流值控制电机的输出转矩。 本系统选用霍尔电流传感器，其特点是灵敏度高，并具有 电隔离和抗干扰等优点，位置传感器是s r m 的重要特 i e 部件， 它由与转子同形状的齿盘和光电传感器组成，安装在磁阻电机 上，其功能是正确提供电动机转予位置信息，以便控制装置在 转子转到适当位置时导通和关断相应的相绕组，保证电动机正 常运行；同时控制装置可根据角位移传感器提供的信号，对磁 阻电动机实现转速闭环控制。 1 4 本文的主要研究内容 本课题作为国家8 6 3 计划中的重大攻关项目，选用开关磁 阻电机作为电动汽车的驱动电机，选用美国t i 公司生产的面 向电机控制的d s p 控制器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为主控芯片，以 s r m 的调速控制理论及工程实践为主题，深入研究了s r d 系 统的调速特性、控制方式、系统的整体设计及实现等。设计了 电动汽车用开关磁阻电机d s p 控制系统软件，控制电动机的转 速连续可调，并能够四象限运行。主要研究工作如下： ( 1 ) 分析s r m 的工作原理及其数学模型，综述比较s r m 的控制方式以及它们所适用的速度范围，结合电动汽车驱动系 统的实际要求，确定合理的控制方案。 ( 2 ) 研究s r m 的变参数p i 控制，设计数字p i 调节器结 构，提出分段变参数p i 控制。针对电动汽车，设计了电流闭 7 北京交通大学硕十学位论文 环p i 调节系统，同时，为了将来能在其他场合应用，设计了 转速电流双闭环p i 调节系统。 ( 3 ) 根据所确定的方案，绘制软件流程，编写本控制系 统的d s p 控制程序，并进行编译调试。 ( 4 ) 设计实验方案，对样机进行测试，测出电机的转速、 转矩及相电压、相电流波形，从而对控制电路及控制软件进行 验证。 8 北京交通大学硕士学位论文 第二章开关磁阻电机的控制理论基础 2 1 开关磁阻电机基本结构 开关磁阻电机是) j ：关磁阻电机调速系统的执行元件，它的结 构和工作原理与传统的交直流电动机有着根本区别。它遵循磁通 总是要沿着磁导最大的路径闭合的原理，产生磁拉力形成转矩一 磁阻性质的电磁转矩。因此，它的结构原则是转子旋转时磁路的 磁阻要有尽可能大的变化。所以开关磁阻电动机采用凸极定子和 凸极转子的双凸极结构，并且定转子极数不同。 图2 - 1三相12 8 极开关磁阻电机定、转子结构图 f i g 2 - 1s t a t o ra n dr o t o rc o n f i g u r a t i o no fs rm o t o rw i t h3p h a s e s1 2 8p o l e s 开关磁阻电机的定子和转子都是凸极式齿槽结构。定、转子 铁芯均由硅钢片冲成一定形状的齿槽，然后叠压而成，图2 - 1 是 三相1 2 8 极开关磁阻电机定、转子冲片的结构图。 2 2 开关磁阻电机工作原理 以1 2 8 极三相开关磁阻电动机为例，图2 - 2 为该电机一相电 路的原理示意图，s 1 、s 2 是电子开关，d ，、d 2 是二极管，e 是直 流电源。 ：i e 京交通大学硕士学位论文 e 图2 2开关磁阻电动机的工作原理 f i g2 - 2o p e r a t i o np r i n c i p l eo fs r m o t o r 电机定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转子由叠片构 成，定子绕组可根据需要采用串联、并联或串并联结合的形式在 相应的极上得到径向磁场，转子带有位置检测器以提供转子位置 信号，使定予绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。电 机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，因 为电感与磁阻成反比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相 绕组电感最大，当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕 组电感最小。 当定子a 相磁极轴线o a 与转子磁极轴线o a 不重合时，开 关s 1 、s 2 合上，a 相绕组通电，电动机内建立起以o a 为轴线 的径向磁场，磁通通过定子轭、定子极、气隙、转子极、转子轭 等处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁导小于定、 转子磁极轴线重合时的磁导，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力 线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针方向转动，转 子磁极的轴线o a 向定子a 相磁极轴线o a 趋近。当o a 和o a 轴线重合时，转子已达到平衡位置，即当a 相定、转子极对极时， 切向磁拉力消失。此时打开a 楣开关s 1 、s 2 ，合上b 相开关， 即在a 相断电的同时b 相通电，建立以b 相定子磁极为轴线的磁 北京交通大学硕士学位沦文 场，电动机内磁场沿顺时针方向转过3 0 。，转子在磁场磁拉力的作 崩下继续沿着逆时针方向转过1 5 。依此类推，定子绕组a b c i 棚轮流通电一次，转子逆时针转动了一个转子极距r ，( r ，= 2 y n ，) ，对于三相1 2 8 极开关磁阻电机，t ，= 3 6 0 。8 ：4 5 。，定子 磁极产生的磁场轴线则顺时针移动了3 3 0 。- 9 0 0 空间角。可见， 连续不断地按a b c a 的顺序分别给定子各相绕组通电，电动机 内磁场轴线沿a - b ca 的方向不断移动，转子沿acb a 的方向 逆时针旋转。如果按a c b a 的顺序给定子各相绕组轮流通电， 则磁场沿着a - c ba 的方向转动，转子则沿着与之相反的a bc a 方向顺时针旋转。 2 2 1 开关磁阻电机的数学模型” 建立开关磁阻电机数学模型，通常有以下三种方法：线性 模型、准线性模型( 分段线性模型) 和非线性模型。线性模型忽 略了饱和及边缘效应，认为绕组电感与电流无关。准线性模型 将磁化曲线分段线性化，近似考虑定转子齿极重叠时的饱和。 以上两种模型，电感参数有解析表达式，用于求解电机性能时， 电流和转矩有解析解，一般用于定性分析。事实上，由于电机 的双凸极结构和磁路的饱和、涡流和磁滞效应所产生的非线 性，加上电机运行期间的开关性和可控性，在电机运行期间绕 组电感不是常数，而是电流和转子位置角的函数。开关磁阻电 机定子绕组的电流、磁链等参数随着转子位置不同而变化的规 律是很复杂的，难以用简单的解析表达式来表示，因此很难建 立精确可解的数学模型。 为了简化分析，忽略了铁芯损耗部分，并设开关磁阻电机 的相数为m ，各相结构和参数对称。设p = j ，册相的电压、 北京交通大学硕十学位论文 磁链、电阻和电流及转矩分别为u p 、帅、琊、昂、n ，转子位 置角为0 ，转速为。 1 、电压方程 根据能量守恒定律和电磁感应定律，施加在各定子绕组端 的电压等于电阻压降和因磁链变化而产生的感应电势作用之 和，第p 相绕组电压方程 加肼+ 警 ( 2 1 ) 2 、磁链方程 各相绕组磁链为该相电流与自感、其余各相电流与互感以 及转子位置角的函数 帅= v ，( ，1 ，与， ，日)( 2 一 由于开关磁阻电机各相之间的互感相对自感来说甚小，为 了便于计算，在开关磁阻电机的计算中一般忽略相间互感，不 考虑两相以上电流导通时定、转子轭部饱和在各相之间产生的 相互影响，这时磁链方程可近似成 v 俨= 1 | f ，( 昴，日) 一三( 如，日) 厶( 2 3 ) 3 、转矩方程 根据机电能量转换原理，开关磁阻电机的电磁转矩表示为 磁共能对转子位置增加的速率 耳：墨掣：地口) ( 2 - 4 ) d 8 7 。7 电机的合成转矩由各相转矩叠加而成 玷荟r ( 厶 印 4 、机械运动方程 其中，j 、口、t ，分别为转动惯量、 ( 2 5 ) 粘滞系数及负载转矩 北京交通人学硕十学位论文 ja o , ：死一b 一z 出 d o 一= d f ( 2 6 ) ( 2 7 1 2 2 2 数学模型的求解方法 上述数学模型由于有严重的非线性，不可能得出解析解。 冈此，在性能分析求解数学模型时不得不在实用和理想之间寻 求一种折衷的处理方法。到目前为止，针对磁链的变化，采用 了以下几种方法建立模型： 1 、理想线性模型 若不计电机磁路饱和的影响，假定相绕组的电感与电流的 大小无关，且不考虑磁场边缘扩散效应，可采用开关磁阻电机 的理想线性模型将磁链v 。近似为电流i ，的线性函数，这种方 法可了解电机工作的基本特性和各参数问的相互关系，并可作 为深入探讨各种控制方式的依据，但求解的误差较大，精度较 低。 2 、准线性模型 因为磁链矿，的饱和区和非饱和区有不同的线性变化率， 为了近似地考虑磁路的饱和效应、边缘效应，可将实际的非线 性磁化曲线分段线性化，同时不考虑相问耦合效应，这样可以 用解析式来表示每段磁化曲线。可将v f 曲线分为两段( 线性 区和饱和区) 或三段( 线性区、低饱和区和高饱和区) 。 3 、非线性函数拟合模型 将磁链v ，用非线性函数近似拟合，函数的选取决定拟合 的精确度。 4 、查表法 该方法是把实测或计算所得的等角度、等电流问隔电机磁 北京交通大学硕士学位论文 特性数据l f rf j ，0 ，反演为等角度、等磁链问隔的电流特性数据 j f 矿，叫，连同矩角特性数据r “，0j 以表格形式存入计算机 中，然后用查表法数值求解非线性模型，这种方法较为直接、 也较为精确，既可用于稳态分析，也可用于解瞬态问题。 2 3 开关磁阻电机的基本分析阳5 。蚓 2 3 1 电感与转予位置角的关系 由于开关磁阻电动机的电磁转矩是磁阻性质的，又是双凸 极结构，其磁路是非线性的，加上运行时的开关性和可控性， 使电动机内部的电磁关系十分复杂。为弄清电机内部的基本电 磁关系，有必要从简化的线性模型，也就是上节所说的理想线 性模型开始进行分析研究，所得到的相绕组电感随转子位置角 周期性变化的规律可用图2 3 说明。 日l u 性如h日_协 0 图2 - 3 电感与转子位置角的关系 f i g2 - 3r e l a t i o nb e t w e e ni n d u c t a n c ea n dr o t o rp o s i t i o n 图中横坐标为转子位置角，它的基准点即坐标原点目= o 的位置，对应于定子凸极中心与转子凹槽中心重合的位置，这 时相电感为最小值三。在0 j 一02 ( 02 为转子磁极的前沿与 定子磁极的后沿相遇的位置) 区域内，定转子磁极不相重叠， 电感保持最小值厶椭不变，这是因为开关磁阻电机的转子槽宽 北京交通人学硕士学位论文 通常大于定了极弧，所以当定子凸极对着转子槽时，便有一段 定了极与转子槽之间的磁阻恒为最人并不随转子位置变化的 最小电感常数区；转子转过口2 后，相电感便丌始线性l ：升直 到0 ；为止，03 是转子磁极的前沿与定子磁极的前沿重叠处， 这时定转予磁极全部重叠，相电感变为最大值l m a x ；基于电机 综合性能的考虑，转子极弧卢，通常要求大于定子极弧卢。，凶 此在8 j 一0 。( 0 。为转了磁极的后沿与定子磁极的后沿相遇的 位詈) 区域内，定转子磁极保持全部重叠，相应的定转子凸极 问磁阻恒为最小值，相电感保持在最大值l ；从0 。相电感 开始线性地下降，直到05 处降为l 。帕05 、0j 均为转子磁 极后沿与定子磁极前沿重合处。如此闰而复始，往复循环。 丌关磁阻电机基于线性模型的绕组电感的分段线性解析 式为 t ( o ) = l 。m0 1 e0s 0 2 归一日z ) + 三“。0 25 日5臼3(z-8、 l m a x0 3 0s 0 4 三一一k ( o 一0 4 ) 臼。9 0s 0 5 式中k ：墨! 竖二墨塑：墨! 坚二墨些1 0 3 0 2卢， 2 3 2 电磁转矩的分析 根据能量守恒定律，在不考虑电路中电阻损耗、铁芯损耗 和转子旋转产生机械损耗的情况下，绕组输入的电能肌应等 于结构中磁储能晰与输出机械能眠之和，即为 d w e = d w r + d w ，m ( 2 9 ) 如果把电压u 和感应电势e 的参考方向选得一致，根据电 磁感应定律，绕组电路的电压方程为 北京交通大学硕士学位论文 “：一p ；坐( 2 1 0 1 d f 绕组输入的电能可由其端电压、端电流计算，即为 d w e = u i d t ( 2 1 1 ) 将式( 2 一l o ) 代入式( 2 - 1 1 ) ，得 d w e = i c l e p ( 2 1 2 ) 机械能可由电磁转矩t 和角位移0 计算，即为： d w m = t d o ( 2 一1 3 ) 将式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 3 ) 代入式( 2 - 9 ) ，则得 d w i f q 砂= i d w t d 0 ( 2 1 4 ) 式( 2 1 4 ) 表明，对无损系统，磁储能是由独立变量咿和0 表示 的状态变量，磁储能由掣和0 所决定。当v 为恒定值时，由 式( 2 - 1 4 ) 得到一般转矩计算式，为 t ：一掣 ( 2 _ 1 5 ) a d 、7 在考虑转子处于任意位置时的电磁转矩时，可以假设转子 无机械转动，则由式( 2 - 9 ) 得 矾砍一d w - f 2 1 6 ) 将式( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 6 ) ，得 = 阻l ；f ，( 2 1 7 ) 设磁路中无磁滞损耗，再假设磁路为线性磁路f 这在气隙不太 小，磁路不太饱和时近似成立) ，则磁链p 可由电感三表示为 l f ，= l i ( 2 1 8 ) 将式( 2 1 8 ) 代入式( 2 1 7 ) ，得到磁储能的计算式 w e ；去三f 2( 2 1 9 ) 、， 1 6 北京交通人学硕士学位论文 ( 2 - 2 0 ) 由以上分析町得出如卜结论： 1 、电动机的电磁转矩是由转子转动时气隙磁导变化产生 的，当磁导对转角的变化率大时，转矩也大。 2 、电磁转矩的大小同绕组电流的平方成j f 比，即使考虑 到电流增大后铁芯饱和的影响，转矩不再与电流平方成正比， 但仍随电流的增大而增大，因此可以通过增大电流有效地增大 转矩，并且可以通过控制绕鲴电流得到恒转矩输出的特性。 3 、转矩的方向与绕组电流的方向无关，只要在电感曲线 的上升段通入绕组电流就会产生正向电磁转矩，而在电感曲线 的下降段通入绕组电流则会产生反向的电磁转矩。 2 3 3 绕组电流的分析 当开关磁阻电机由恒压直流电源以供电时，在绕组电感 仅是转子位置的线性函数的假设和忽略绕组电阻影响的情况 下，由式( 2 1 ) 得 州5 = 警( 2 - 2 1 ) 将式( 2 - 1 8 ) 代入上式，得 u 。一出d i + i 6 0a o l p ( 2 - 2 2 ) 1 、在口一02 区段，l = l ，将i ( 0 。) = o ( 0 。为开始导通 角) 代入式( 2 - 2 2 ) 中，解得 丝船得垮2 ，二， = 晤 r 犯 式入代 0 式将 北京交通大学硕士学位论文 f p ) ：_ u , 0 - 9 0 ( 2 2 3 ) 式f 2 2 3 ) 表明，电流在最小电感恒值区域内是直线上升的， 这是冈为该区域内电感恒为最小值，且无旋转电动势，因此开 关磁阻电动机相电流可在该区域内迅速建立。 2 、在口2 bo f f 区段( 9o f f 为关断角) ，将上述结果作为该区 段的初值条件，把式( 2 8 ) 代入式( 2 - 2 2 ) ，得 i 徊) = 砸u 了, ( o 硐- o o ) ( 2 出) 3 、在0 o f f 一03 区段，绕组电流同理可得为 f p ) = 砸v , ( 2 了o o 炉硐- o o , - o ) ( 2 2 5 ) 4 、在03 04 区段，绕组电流为 f p ) ：燮墼墨型( 2 - 2 6 ) f 0 l m 旺 5 、在04 05 区段，绕组电流为 i 。) = 砸u , ( 2 i o o ”硎- o o - o ) ( 2 2 7 ) 显然，当0 = 20o f f 一0 。时，相电流已衰减至零。 这些分段电流函数可以用下面的通式统一描述，即： i p ) 一生厂p )( 2 2 8 ) 由上式可知，绕组电流与外加电源电压u 。、角速度。、 开通角0 。关断角0o ：、最大电感三。最小电感工。定 子极弧p ，等有关。对结构一定的电动机，在0 。和0o 不变 的情况下，绕组电流随外加电压的增大而增大，随转速的升高 而减小：通过调整开通角和关断角也可以影响绕组电流。由此 ：f k - x 交通大学硕士。学位论文 式以及式( 2 2 0 ) ，还可以发现通过增大外加电压来提高绕组电 流，从而就间接地使电动机的电磁转矩增大。 2 ，3 。4 开关磁阻电机的调速特i 生分析3 控制直流电机的转速需要调节其外施电压或励磁电流，而控 制感应电机的转速则需调节电源的频率。l j 其它电机一样，开关 磁阻电机也有其自己的控制方法。这里仍然针对丌关磁阻电机的 线性模型来加以讨论，对其转速控制特性加以定性分析。 将上面得到的式( 2 2 8 ) 表示的绕组电流代入式( 2 2 0 ) 中，得 到 ，；- 1 - 笔- t 2f 22 p ) 盖 ( 2 _ z 9 ) 、0 a 、 由此进一步得到： 也j 事 ( 2 _ s o ) 其中f = j 1 厂2 p ) 面0 l 若外旋电压、开关角恒定，转矩和功率可迸一步表示为： t了k(2-31) c o p ；一k r 2 3 2 ) 可见，转矩与转速的平方成反比，功率与转速的一次方成 反比，类似于直流串励电机的特性。 因此，由速度和转矩定义的工作点可通过下面几个参数的 适当调整而获得，即开关磁阻电机调速系统的可控参数为： 北京交通大学硕士学位论文 ( 1 ) 施加到绕组电压上的有效电压u ( 2 ) 与开关角有灭的参数f ，f 是代表电动机结构参数( 如 绕组电感和定予极弧等) 和控制参数( 如开通角、关断角) 的函 数。 改变其中一个或两个参数，即可调节电机转速。因此，和 p w m 逆变器供电的感应电机不同，开关磁阻电机不需要复杂 的调制运算，不但控制灵活，而且控制较为简单。需说明的是， 电压【，控制既可以用电压可调的直流网络也可以通过相开关 的斩波而获得。 t 图2 4 开关磁阻电机转矩一转速特性 f i g2 - 4s r mt o r q u e s p e e dc h a r a c t e r i s t i c s 一般定义在最高外施电压和允许的最大磁链( 电流) 条件 下，电机能够获得最大转矩的最高速度为“基速”。6 。在基 速以下，由于最大磁链随转速减小而增大，因此必须对部分或 全部控制参数进行调节。在基速以上，由于电压不能再增加， 而开关角调节受相周期限制，因此存在获得最大功率的最高转 速，有的文献定义其为“第二临界转速”。( 相对于基速。6 ) 。 在两个转速点之间，转速的调节可通过改变开通角和关断角实 现。在。以上，由于电压和开关角均已达到限值，电机将输 出其自然特性。典型的开关磁阻电机转矩转速特性如图2 4 所示，即基速。b 以下为恒转矩区，6 96 与。之间为恒功率区， 2 0 北京交通大学硕士学位论文 m 。以e 为电机的a 然特性。 显然，通过合理的电机没计或4 i 同的可控条件匹配，可以 获得各种要求的机械特性，这也是s r 电机具有优良调速性能 的原因之一。 北京交通大学硕士学位论文 第三章电动汽车用开关磁阻电机控制算法设计 按现代控制理论，调速系统的关键就是对转矩进行控制。 s r d 系统性能较为理想，其特点之一就是其町控参数多，开通 角0j 、关断角0 ”相电压u 、相电流，都可影响转矩，从而 对转速进行调节控制，因而其调速控制策略也较多。就目前而 言，归纳其控制策略大体可分为以下几类： 角度位置控制； 电流斩波控制； 电压斩波p w m 控制。 针对本系统所采用的不对称半桥主电路，如图3 1 所示， 对以上几种控制策略进行分析与比较，进而提出适于本电动汽 车电动运行的控制策略。 u 图3 - l 系统主电路原理图 f i g3 - 1c o n f i g u r a t i o no fp o w e rg o n v e r t e r 3 1 控制策略的比较乜2 1 3 1 1 角度位置控制 电机高速运行时，相电流周期已经很短，电流的建立和续 北京交通大学硕+ 学位论文 流段会占有相当比例，又因为运动电势的存在使电流峰值不致 很大，因此通常不必采用斩波限流，而采用角度位置控制。 角度位置控制其实质就在于输入电压保持不变而通过改 变主开关的= j | ：通角和关断角来调节电流，以达到调节电机转矩 的日的。由于电流波形形似脉冲，角度位置控制又称单脉冲控 制。角度控制的关键在于将角度量转化为相应速度时的时间可 控量，同时应兼顾到精度要求及控制复杂性。 当0i 减小即提前触发导通丰开关，会使峰值电流加大， 电源供电时间加长，因此，有效电流增大。这样，在一定转速 时，电磁转矩随日，减小而增大：在一定负载转矩时电机转速 随口减小而增加。其中，目j 减小可延伸至出现负值即在虽 小电感出现之前就开通绕组。8 - 提前太多将可能导致局部瞬 间出现负转矩，总效果应当综合考虑，不宜过分超前。普通开 关磁阻电动机控制器就常以日一作为主要控制量，在调速系统 中实现自动调节控制。关断角82 也可作为控制量，实现对开 关磁阻电动机的调控。 综上分析知，角度控制一般应用于较高速区。对每一个由 转速及转矩定义的运行点，开通角、关断角有多种组合，每一 种组合对应不同的稳态性能。角度控制方式的优点在于有较大 的灵活性，可同时对多种参数进行优化，效率较高，但其不足 之处在于其在低速区不能工作，必须配合其它方式，如电流斩 波加调角度复合控制等，因此控制起来较为复杂。 3 1 2 电流斩波控制 电机低速运行时，反电势较小，电流变化率大，为了避免 电流上升过快，超过功率开关元件和电机允许的最大电流，可 以采用斩波方式限制电流。电流斩波控制方式一般应用于电机 北京交通大学硕士学位论文 低速区。 电流斩波控制的一般方法是保持0 、02 不变，通过主开 关器件的多次导通和关断，进而将电流限制在某一值附近，借 以控制转矩。它又可分为两种方式： ( 1 ) 电流上限控制 在0 = 0 。时，功率电路开关元件接通( 称相导通) ，绕组 电流从零开始上升，当绕组电流一旦超过电流的设定值( 斩 波电流上限值) 时，开关管关断，电流快速下降。经时间t 时再重新丌通。如此循环，从而达到控制电流的目的。这种控 制方式不足之处在于：虽然在一个控制周期内关断时间恒定， 但电流下降多少，则取决于绕组的电感、电感变化率、转速等 因素，因此电流的下限并不一致。如关断时间过长则相电流脉 动大；如关断时间过短，则斩波频率过高。因此采用该方式的 主要问题在于参数不易优化，电流脉动大，振动噪声大。 ( 2 ) 电流上下限控制 这种方式指的是在一个控制周