（电机与电器专业论文）电动汽车用大起动转矩srm驱动系统的研制.pdf

北京交通大学硕士学位论文 的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 。该芯片集成了几种先进外设， 形成了真正的单芯片控制器。它将d s p 的高速运算能力和 面向电机的高效控制能力集于一体，使得实现开关磁阻电 机驱动系统的高精度控制成为可能。 本文首先介绍了电动汽车国内外的现状，并介绍了开 关磁阻电机调速系统的构成，特点及原理，重点分析了低 速起动阶段的转矩，功率等公式，得出适合电动汽车低速 运行工况的绕组连接方式。根据电动汽车驱动系统的特点， 研制了本系统所采用的功率变换主电路，驱动电路，控制 电路及相应的保护电路。其中功率变换主电路采用不对称半 桥型结构并与绕组切换电路结合；驱动电路选择了德国 s e m i k r o n 公司的高性能产品s k h l 2 4 作为本系统的驱动模 块，研制了相应的驱动电路并进行了调试，并采用光纤传 输控制板与驱动板之间的信号；控制电路采用d s p 与c p l d 相结合的设计方法。在电动汽车驱动特性和s r d 的控制方 式的基础上，提出了本系统所采用的控制策略，对控制器 的硬件电路进行了综合设计，调试。在试验的基础上给出 了系统在不同绕组下转矩，转速及功率曲线，并对曲线进 行了分析，论证了理论推导结果的正确性。 关键词：开关磁阻电机，d s p ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ， s k h l 2 4 ， i g b t 北京交通大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fh i g hs t a r t t o r q u e 0 fs r mi na p p u c a t l 0 n t o e l e c t r i ca u t o m o b i l e a b s t r a c t n o w ， a o t o m o t i v e i n d u s t r y h a sb e c a m et h em o s t i m p o r t a n ti n d u s t r yo ft h ew o r l d ，w h i l ei t h a sb r o u g h ts o m e t r u b l e rt ou s ，f o re x a m p l e ，e n e r g y ，e x h a l e ，r u m b l e b e c a u s e e l e c t r i cv e h i c l eh a ss om a n ym e r i t s ，c l e a r ，p o l l u t i o n - f r e e ， h i g he f f i c i e n c ya n d s oo n ，i th a sb e c a m e g r e e n v e h i c l ei n2 1 c e n t u r y w h i c hh a s r e p l a c e d f u e lo i lc a r i ti sn o t o n l y p r e d o m i n a n ta n dc o m p e t i t i v ei ne n e r g ya n de n v i r o n m e n t ，b u t a l s ov e r ya d a p t e dt or e a l i z em e c h a t r o n i c s w i t hm o d e r nc o n t r o l t e c h n i q u e s s oi t i sv e r yp r o m i s i n gi nf u t u r e t h e r ea r et w o k e yp r o b l e m s i nt h ed e v e l o p i n go fe l e c t r i cv e h i c l e o n ei st h e e x p l o i t a t i o n o fh i g h p e r f o r m a n c eb a t t e r i e s ，t h eo t h e ri st h e e x p l o i t a t i o no fh i g h - p e r f o r m a n c e m o t o rd r i v e s n o wt h e r ea r e m a n y m o t o rt os e l e c t ，s u c ha sd c m o t o r , a c i n d u c t i o nm o t o r , b r u s h l e s sd cm o t o ra n ds w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r e s p e c i a l l y ，t h e m a i n a d v a n t a g e s o fs w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o ri nt e r m so fas i m p l e c o n s t r u c t i o n ，h i g ht o r q u ed e n s i t i e s a n d h i g hf a u l tt o l e r a n c eh a v e b e e n r e c o g n i z e df o ral o n g t i m e i i i 北京变通大学硕士学位论文 s r md r i v e sh a v e b e e n g a i n i n gp o p u l a r i t y e v e rs i n c et h e a d v a n c e si n p o w e r e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g i e s h a v em a d ei t f e a s i b l et ou t i l i z et h e i r a d v a n t a g e s t h e s e d r i v e sa r en o w c o n s i d e r e da s h a v i n gg r e a tp o t e n t i a l f o r a p p l i c a t i o n f o r e l e c t r i cv e h i c l ed r i v e sa n dt h ef o c u so fr e s e a r c hp e o p l e w es e l e c ts w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o ra st h ed r i v em o t o r f o re l e c t r i cv e h i c l ea n dc h a n g ei t sa t t e n d e dm o d e o f w i n d i n g ， i no r d e rt oi m p l e m e n th i g ht o r q u ea n de f f i c i e n c yi nl o ws p e e d t h ec p ui s t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，p a r t o ft h et m s 3 2 0 c 2 0 0 0 p l a t f o r mo ff i x e d p o i n td s p s s e v e r a la d v a n c e dp e r i p h e r a l s ， o p t i m i z e df o rd i g i t a l m o t o ra n dm o t i o nc o n t r o la p p l i c a t i o n s ， h a v eb e e n i n t e g r a t e d t o p r o v i d e at r u e s i n g l e c h i p d s p c o n t r o l l e r ，i ti sa d a p t e dt oc o n t r o l l i n gs r mv e r ym u c h t h i st h e s i s f i r s t l y i n t r o d u c e st h ec u r r e n ts t a t u s o f e l e c t r i cv e h i c l e s i ta l s oi n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo fs r m a n d t h ea p p l i c a t i o ni ne l e c t r i cv e h i c l e sa n da n a l y s e se m p h a s i s l y t h ef o r m u l a so fs p e e d ，t o r q u e ，a n dp o w e r i nl o ws p e e dp e r i o d a f t e r d e r i v i n g a n d e m u l a t t i n g ，w eg e t am o r ee f f e c t i v e a t t e n d e dm o d eo fw i n d i n gw h i c ha d o p tt o i n ni nl o ws p e e d p e r i o d a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i cv e h i c l e ， m a i nc i r c u i t d r i v e rc i r c u i t o f1 g b t , c o n t r a lc i r c u i t s a n d p r o t e c t i o nc i r c u i t a r ed e s i g n e d m a i nc i r c u i t si sm a d eu po f d u a l s w i t c h e da n d c u t o v e rc i r c u i t s ；a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fi g b t , t h eh i g h p e r f o r m a n c ed r i v e r ，s k h i 2 4 ，i ss e l e c t e dt od e s i g n e df o rd r i v e rc i r c u i t t h ed e s i g no f i v 北京交通大学硕士学位论文 c o n t r a lc i r c u i t si st h ec o m b i n a t i o no ft h ed s pa n dc p l d c o n s i d e r i n g t h e r e q u e s t o fe l e c t r i c v e h i c l e s ，t h e c o n t r o l m e t h o d sf o rs r da r e g i v e n t h ed s pc o n t r o l c i r c u i ta n d p e r i p h e r a l sa r ed e s i g n e d i no r d e rt oi m p r o v et h ea b i l i t y o f e m c ，a n a l o go p t o c o u p l e rc i r c u i t i s d e s i g n e d a c c o r d i n gt o t h e e x p e r i m e n t w i t ht h es r d ，t h ec u r v e so f s p e e d ，t o r q u e ，a n d p o w e ra r ep r e s e n t e da n da n a l y s e d ，w h i c hc e r t i f i c a t et h a tt h e r e s u i to fd e r i v a t i o na n de m u l a t i o mi sc o r r e c t k e yw o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) ，d s p ， t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，s k h l 2 4 ，i g b t v 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 1 8 世纪8 0 年代以来随着汽车的问世，汽车已成为人们生产和 生活中不可缺少的生产和生活工具，成为现代社会文明的重要组成 部分。根据2 0 0 1 年的统计数据，世界汽车产量约为5 5 7 7 万辆，就 我国而言，2 0 0 2 年的汽车产量也超过了3 0 0 万辆。作为汽车的能源 目前仍主要依赖于石油产品( 汽油、柴油和天然气等) 。根据专家预 测，按照目前的石油开采量，世界石油己勘查的储藏量只能使用7 9 年。因此从发展看，给汽车寻找新的能源是必由之路。此外，因燃 油汽车排放所带来的环境污染更令人担忧，据环保部门提供的资料， 城市空气中污染物的污染源6 0 以上来自交通运输车辆的排放。因 此从保护环境降低汽车污染物的排放量，以绿色环保汽车代替燃油 汽车也是社会可持续发展战略的需要，成为世晃共同关注的问题。 电动汽车因其具有低噪声、零排放、综合利用能源等突出的优点， 而倍受世界关注，发展电动汽车已成为世界汽车业的共同呼声。我 国政府在“十五”期间也将电动汽车的发展作为我国科技攻关的 主要项目之一。本课题就是在这种背景下由国家科技部立项的8 6 3 重大专项：x l 纯电动轿车的驱动电机及其控制系统。 1 1 1 电动汽车的国内外发展情况 8 0 年代以来，电动汽车的研制热潮在全世界范围内兴起，其中 在欧洲、北美和日本等地，水平较高，发展较快，正在逐步由样车试制 向小批量商业化生产的方向发展。欧洲以法国为代表，标致雪铁龙集 团生产的s a x o 电动车在1 9 9 6 年面向个人、集体和行政单位销售。 在美国，三大汽车公司采用铅酸电池的电动汽车将于近期上市，其中 包括克莱斯勒公司的e p i c 微型货车，福特公司的r a n g e r e y 电动卡车， 通用公司的s 一1 0 电动卡车和e v l 电动跑车。日本的丰田和本田汽 车公司采用镍氢电池的r a v 4 e v 和h o n d a e v 也将进入北美市场。尼桑 公司的p r a i r i e j o y e v 采用锂电池，在日本上市后也将打入美国销 售。另外，其他一些国家和地区的电动汽车研制和生产也有长足的进 步。“1 北京交通大学硕士学位论文 国外电动汽车开发热早己引起我国科研、高校、国有企业以至 民营企业的关注。国家计委“八五”计划中安排有电动车开发项目， 电动汽车产业化工程项目也早已列入“九五”国家科委计划，并组 织实施，包括开发概念车和若干关键技术研究，班及在广东省创办 电动汽车试验示范区两大部份。国家近年还安排了电动汽车标准化 工作，以推动我国电动汽车开发健康发展。 1 1 2 电动汽车的关键技术 现代电动汽车是融合了电力、电子、机械控制、计算机控制、 材料科学以及化工技术等多种高新技术的综合产品。其研制和开发 电动汽车的关键技术为，蓄电池技术及电池韵智能化管理；电动汽 车车身和底盘技术；驱动电机系统及控制技术。” 本课题是关于电动汽车关键技术中的驱动电机及其控制系统方 面的技术内容。 驱动系统是电动汽车中十分关键的部分，一般由四个主要部分 组成，即控制器、功率变换器、电动机及传感器。控制系统接收加速 踏板、制动和转向盘输出的信号，经过信号处理，输入到电动机驱 动器，控制功率电路的功率输出量，实现控制驱动电动机转速和扭 矩，再通过机械传动装置，驱动车辆行驶。 1 ，1 3 电动汽车的运行工况 运营路段行驶距离k m能量消耗能量消耗率 ( k w h )( k w h k m _ 1 ) 市区公交路1 6 7 0 08 0 7 2i 2 0 4 市区公交路2 8 2 0 08 4 6 31 0 3 2 环线路t7 3 0 06 7 1 70 9 2 0 环线路21 0 5 0 0l o 1 9 40 9 6 1 市郊公交路1 1 3 6 0 01 1 9 7 60 8 8 2 市郊公交路2 6 1 0 05 3 2 20 8 5 8 e c e 工况仿真 1 1 0 2 29 4 9 30 8 6 1 表1 - 1 工况对能耗的影响 t a b 1 一】t h ei n f l u e n c eo fdr iv i n gm o d et oe n e r g ye o n s u m p ti o n 北京交通大学硕士学位论文 电动汽车主要是在城市中运行，所以其工况主要以城市交通为 主，而城市交通总体表现出平均车速低，平均行驶周期短，怠速比例 高，等速行驶比例小的状况，体现出交通车辆加减速频繁，等速和准 等速行驶时问短的特点。以北京市公共交通为例，表卜1 为 b j d 6 1 0 0 电动客车在不同路段按沿线公交工况行驶能量消耗率的情 况测试时问均选择在上午9 ：0 0 1 0 ：0 0 可以看出，不同路段，能耗率变化比较大，总体讲，由于市区公交 车站密度比市郊车站密度大，客流量大，平均车速低；行驶周期短： 车辆加减速频繁，因此其能量消耗率比较高。( 能量消耗率是以平均 每k m 消耗的电池组直流电量评价，不把充电设备和电动汽车作为一 个大系统考虑，能较直接和客观地反映电动汽车的实际性能) 所 以要求驱动电机在低速状态下要有相对较高的转矩和效率。 1 2 电动汽车对电动机的基本要求 电动汽车的运行要适应其具体的运行工况，与一般的工业应用 不同，非常复杂，因此，对驱动系统的要求是很高的。 ( 1 ) 电动汽车用电动机应具有瞬时功率大，过载能力强( 过载系 数应为3 - 4 ) ，加速性能好，使用寿命长的特点； ( 2 ) 电动汽车用电动机应具有宽广的调速范围，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 )电动汽车用电动机调速系统应能够在汽车减速时实现再生制 动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电动汽车具有最佳能 量的利用率，这在内燃机汽车上是不能实现的； ( 4 )电动汽车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以 提高1 次充电的续驶里程。 另外还要求电动汽车用电动机可靠性好，能够在较恶劣的环境 下长期工作，结构简单适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修 方便，价格便宜等 1 3 电动汽车用驱动电机调速系统和控制方法 目前在电动汽车中，主要的几种驱动系统包括直流电机斩波调 速系统、感应电机变频调速系统、永磁同步电机变频调速系统和开 北京交通大学硕士学位论文 关磁阻电机调速系统等。 直流电机由于有电刷和换向器，所以结构复杂，体积大，维护工作 量大，摄高转速受到限制。因此，在现代电动汽车的应用中已经基本不 再使用直流电机斩波调速系统。1 下面将现代电动汽车常用的几种 驱动电机调速系统迸行比较。 1 感应电机变频调速系统 ( 1 ) 交流三相感应电动机的基本性能 交流三相感应电动机是应用得最广泛的电动机。其定子和转子 采用硅钢片叠压而成，在转子和定子之间没有相互接触的滑环、换 向器等部件。结构简单，运行可靠，经久耐用。 ( 2 ) 交流感应电动机的控制系统 由于交流三相感应电动机不能直接使用蓄电池供给的直流电， 因此，在采用交流三相感应电动机的电动汽车上，需要应用逆变器 中的功率半导体器件，将直流电变为频率和幅值都可以调节的交流 电来实现对交流三相电动机的控制。主要v f 控制法、转差频率控 制法，矢量控制法。对交流三相感应电动机的励磁绕组交流电的频 率和输入交流三相感应电动机的端电压进行控制，控制交流三相感 应电动机旋转磁场的磁通量和转矩，实现改变交流三相感应电动机 转速和输出转矩，来满足负载变化特性的要求，并能够获得最高效 率，从而使得交流三相感应电动机能够在电动汽车上得到广泛应用。 ( 3 ) 交流三相感应电动机的不足 交流三相感应电动机的功率因数较低，使得变频变压装置的输 入功率因数也较低，因此需要采用大容量的变频变压装置。交流三 相感应电动机的控制系统的造价远远高于交流三相感应电动机本 身，增加了电动汽车的成本。“另外，交流三相感应电动机的调速 性能也较差，功率因数低，控制装置复杂，还需使用电源逆变器。 这些不利因素仍较大的影响着交流感应电机在电动汽车上的应用。 2 永磁同步电机变频调速系统 ( 1 ) 永磁无刷直流电动机的基本性能 永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就 是具有直流电动机的外特性而没有换向器和电刷组成的机械接触结 构。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗；发热的电枢绕组又 北京交通大学硕士学位论文 装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有换 向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。 ( 2 ) 永磁无刷直流电动机的控制系统 典型的永磁无刷直流电动机是一种准解耦矢量控制系统，由于 永磁体只能产生固定幅值磁场，因而永磁无刷直流电动机系统非常 适合于运行在恒转矩区域，一般采用电流滞环控制或电流反馈型 s p w m 法来完成。为进一步扩充转速，永磁无刷直流电动机也可以 采用弱磁控制。弱磁控制的实质是使相电流相位角超前，提供直轴 去磁磁势来削弱定子绕组中的磁链。 ( 3 ) 永磁无刷直流电动机的不足 永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺的影响和限制，使得永 磁无刷直流电动机的功率范围较小，最大功率仅几十千瓦。永磁材 料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或 发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机， 在使用中必须严格控制，使其不发生过载。永磁无刷直流电动机在 恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂的控制系统，从而使得永 磁无刷直流电动机的驱动系统造价很高永磁材料价格昂贵，性能受 工作温度影响较大，较难实现电动机最大功率的恒定输出。“”1 3 开关磁阻电机调速系统 ( 1 ) 开关磁阻电动机的基本性能 开关磁阻电动机是一种新型电动机，该系统具有很多明显的特 点：它的结构比其它任何一种电动机都要简单，在电动机的转子上 没有滑环、绕组和永磁体等，只是在定予上有简单的集中绕组，绕 组的端部较短，没有相间跨接线，维护修理容易。因而可靠性比交 流感应电动机要高。损耗主要在定子，电机易于冷却；转予无永磁 体，可允许较高温升。调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊 要求的转矩，速度特性，而且在很广的范围内保持高效率。更加适 合电动汽车动力性能要求。 ( 2 ) 开关磁阻电动机的控制系统 开关磁阻电动机具有高度的非线性特性，因此，它的驱动系统 较为复杂。它的控制系统包括功率变换器、控制器和位置检测器等。 ( 3 ) 开关磁阻电动机的优缺点 北京交通大学硕士学位论文 开关磁阻电机( s r m ) 是本世纪七十年代以后才逐渐发展起来 的一种新型驱动装置，是磁阻同步电动机和电力电子开关电路相结 合而产生的一种机电一体化新产品。它可以实现高精度、快相应、 商效率以及高输出的性能指标。 作为种驱动装置，s r m 综合了交流感应电动机和直流电动机 的许多优点，被广泛认为是极具潜力的电动汽车驱动方式，s r m 的 主要优点包括： 结构简单，转子仅由叠片构成，没有任何形式的绕组、滑环、 换向器等；定子上只有简单的集中绕组，端部连接短，没有相间跨 接线。具有制作工序少、成本低、工作可靠等优点。 转矩与电流的极性无关，只需要单向的电流激励。从理论上 讲，s r m 的功率变换电路中每相可以只用一个开关元件。而且每个 开关元件都与电机绕组串联，不存在p w m 逆变器中电源有直通两 个开关的危险。所以，s r m 系统简单，可靠性高，成本低于p w m 交流调速系统。 由于明显的双凸极结构，转子上没有导体和永磁体，以及开 关频率相对较低，因此s r m 只考虑叠片的压装质量和轴承质量就可 以容易地获得高速运行。s r m 低速应用下优点也很多，可以提供高 而连续的转矩，机械设备中取消变速箱成为可能。 s r m 系统可以通过电流幅值、开通角及关断角等的控制，得 到满足不同负载要求的机械特性，易于实现系统的软启动和四象限 运行等功能，控制灵活。 由于采用了独特的结构和设计方法以及相应控制策略，s r m 控制系统的效率和出力在宽广的速度和负载范围内都可维持较高水 平，单位出力完全可以与交流感应电机相媲美。 s r m 的主要不足之处在于： 由于双凸极结构和磁路饱和的非线性影响，使s r m 的合成转 矩是含有一定谐波分量的脉动转矩，谐波的存在对s r m 的低速运行 性能有影响。 噪声和振动比一般的电机大。出线较多。” 下表是当前常用的几种调速系统在电动汽车应用方面的综合比 较。 北京交通大学硕士学位论文 项目 永磁同步电机变频 感应电机变频调速系开关磁阻电机调速系 调速系统 统统 电机功率密度中高较高 电机蜂值效率9 0 9 59 5 9 7 1 5 0 0 0 电机可靠性好优秀好 电机结构的坚固性好一般优秀 电机外形尺寸 中 小小 电机质量 d 】 轻轻 电机成本8 ，1 01 0 1 58 1 0 控制器操作性能好 好好 控制器成本高高般 控制方式矢量控制逆变矢量控制逆变斩波控制、角度控制 主要控制量电流、速度电流、速度、相位电流、开通角、关断角 控制结构简图 勤黯，勤 注：i n v 一逆变器，t g 一测速机，p s 一位置传感器，s m 一同步电机， i m 一 感应电机，s r 一开关磁阻电机，c o s t - - g * , i 器。1 表卜2 电动汽车常用驱动电机调速系统比较 t a b 1 2c o m p a r a t i o ni 1 1d r i v e su s e di ne i e c t r i co a r 通过查阅大量的参考文献，对现代电动汽车常用驱动电机调速 系统进行全面的比较，认为开关磁阻电机调速系统的各项性能综合 指标比较高。值得指出的是，对开关磁阻电动机的最新研究表明， 开关磁阻电动机上述缺点通过对它的优化设计和采取更为合理的控 制方案，是可以得到改进的。同时，英、美等国一些机构应用s r m 开发电动汽车的成果，也很好地证明了s r m 能够以优良的性能用于 牵引驱动。所以本课题关于电动汽车驱动电机调速系统采用的就是 开关磁阻电机调速系统。 北京交通大学硕士学位论文 1 4 开关磁阻电机调速系统概述 开关磁阻电机调速系统( s w i t c h e dr e l u e t a n c ed r i v e ，简称 s r d ) 是开关磁阻电动机( s w i t c h e dr e l u e t a n c em o t o r ，简称s r 电动机) 和电力电子开关电路相结合而产生的一种机电一体化的 调速电机，集直流调速与交流调速电机优点于一体，结构简单可靠， 调速性能优良。在宽广的调速范围内具有较高频率，可以在很小的 电流下实现启停和频繁正反转，可以实现高精度、快响应、高效率 和高输出的性能指标。s r m 的转矩电流、转矩惯量都明显高于大 多数电机，而且不需要永磁材料，优势非常明显。 开关磁阻电机调速系统主要由s r m 、功率变换器、控制器、位 置检测、电流检测等构成。如图所示。 图1 - 1s r d 系统构成框图 f i g l 一1 s tr u c t u l eo f s r d 1 、开关磁阻电机( s r m ) s r m 是s r d 中实现机电能量转换的部件，其主要优点前面已 经有所论述。s r m 可以设计成多种不同相数结构，且定、转子的 极数有多种不同的搭配。对于有自起动、四象限运行要求的驱动场 合，定、转子极数都应该有合理的组合方案。 2 、功率变换器 功率变换器的作用是将电源提供的能量经适当转换后提供给 s r m 。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 仅结构较简单，而且相绕组与主开关器件是串联的，因而不会发生 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、电机 北京交通大学硕士学位论文 相数以及主开关器件的种类等有关。 3 、控制器 控制器是系统的中枢，它综合处理速度指令、速度反馈信号及 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。 4 、s r d 系统的结构与性能特点 电机结构简单、成本低、适于高速； 功率电路简单可靠； 因为电机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电 流，故功率电路可以做到每相一个功率开关，电路结构简单。另外， 系统中每个功率开关器件均直接与电机绕组相串联，避免了直通短 路现象。因此开关磁阻电机调速系统中功率电路的保护电路可以简 化，既降低了成本，又具有高的工作可靠性。 效率高、功耗小； s r d 系统是一种非常高效的调速系统。这是因为一方面电动机 转子不存在绕组铜耗，另一方面电动机可控参数多，灵活方便，易 于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。图卜2 给出了典 型产品的输出特性和效率曲线，其系统效率在很宽的范围内都在 8 7 以上，这是其他一些调速系统不易达到的。 输出功率( k w ) 转遵( r m i n ) 图卜2s r d 输出特性与效率曲线 f ig 1 - 2 0 u t p u t a n de f f i c i e n c yc u f v oo fs r d 9 北京交通大学硕士学位论文 高起动转矩、低起动电流； 从电源侧吸收较少的电流，在电动机侧得到较大的起动转矩是 本系统的一大特点。 可控参数多，调整性能好。 控制开关磁阻电动机的主要运行参数和方法至少有四种：控制 开通角；控制关断角；控制相电流幅值；控制相绕组电压。1 可控参数多，意味着控制灵活方便，可以根据对电动机的运行 要求和电动机的情况，采用不同控制方法和参数值，即可使之运行 于最佳状态( 如出力最大、效率最高等) ，还可使之实现各种不同的 功能和特定的特性曲线。 1 5 本文主要研究方向 本文的主要研究方向有： ( 1 ) 设计无触点开关切换电路，并对切换前后的状态进行理 论分析，通过改变开关磁阻电机的绕组连接方式，实现 低速大转矩起动； ( 2 ) 设计数字化开关磁阻电机控制系统，包括功率主电路， 驱动电路，控制电路及相应的保护电路，以实现数字p i 等控制算法； 本课题组已开发成功基于a t 8 9 c 5 1 的3 0 k w ，6 0 k w 开关磁阻 电机控制系统，采用的是模拟p i 控制。但其设定参数较少，灵活性 不高。并且硬件相对较复杂，在控制的实时性和对转矩波动的解决 上显得捉襟见肘。所以在本课题中，设计了以t l 公司d s p 芯片 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为c p u 的控制系统，实现了s r m 的数字化控制。 本文设计了2 0 k w 开关磁阻电机的控制系统，具体内容如下： ( 1 ) 对开关磁阻电机两种不同的绕组连接方式下的电机运行状态进 行理论分析； ( 2 ) 设计了j j n ，, 绕阻切换电路的功率变换电路，根据电动汽车特性 及电机结构选择功率变换器主电路和主开关元件，并进行制作 与调试；通过改变电机绕组的连接方式，实现了低速大转矩起 动； ( 3 ) 设计了以t l 公司d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为主c p l l 的控制 电路； 北京交通大学硕士学位论文 ( 4 ) 控制电路板设计中采用了c p l d 可编程逻辑器件，简化了控制 板的硬件电路，提高了控制电路的可靠性 ( 5 ) 采用高可靠性的s k h l 2 4 作为系统的驱动模块，研制了驱动电 路并进行制作与调试，并利用光纤进行控制板与驱动板之间的 信号传输，提高了系统的抗干扰能力； ( 6 ) 通过实验，测量样机的实际输出功率，转矩，转速曲线，验证 理论分析的结果，以及控制器设计的合理性； 附：x l 纯电动轿车项目要求： 电机 电机控制器 电机额定功率：2 0 k w ； 昂高转速：3 0 0 0 8 0 0 0 r m i n 效率9 3 ， 有效材料重量比功率 6 0 万公里； 1 1 北京交通大学硕士学位论文 第二章开关磁阻电机的基本原理 2 1 开关磁阻电机的基本结构及原理 2 1 1 基本结构“ 开关磁阻电机是开关磁阻电机调速系统的执行机构，它的结构和工 作原理与传统的交直流电机有着根本的区别。它遵循磁通总是要沿着磁 导最大的路径闭合的原理，产生磁拉力形成磁阻性质的电磁转矩。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。开关磁阻电动 机采用凸极定子和凸极转子的双凸极结构。为了避免单边磁拉力，径向 必须对称，所以双凸极的定子和转子齿槽数应为偶数。但它们应尽量接 近，因为定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定子相绕组电感随转角 的平均变化率，这是提高电机出力的重要因数。 二十多年来，研究人员提出了各种电机结构方案，按相数分有单相、 两相、三相和四相，从自起动能力及能否反转考虑，应选择相数大于等 于三，所以对三相和四相开关磁阻电机研究最为广泛。按照每极齿数分 有单齿和多齿结构，一般说来，多齿结构单位铁芯体积出力要大一些， 但其铁芯和主开关元件的开关频率和损耗也增加，这将限制开关磁阻电 机的高速运行和效率，因此，一般不使用多齿结构。本课题开关磁阻电 机调速系统所用的开关磁阻电机结构采用的是三相1 2 8 极结构。图2 - 1 所示的就是三相1 2 8 极开关磁阻电机定，转子结构图。 北京交通大学硕士学位论文 图2 - 1 三相1 2 1 8 极开关磁阻电机定、转于结构图 f i 9 2 1 s t a t o ra n dr o t o rc o n f i g u r a t i o no fs r m o t o rw i t h3p h a s e s1 2 8p o l e s 2 1 2 工作原理 下面以所研究的1 2 8 极三相开关磁阻电机为例，介绍开关磁阻电 机的工作原理。 首先介绍一下关于开关磁阻电机的参数：t 表示定予齿槽数；z ， 表示转子齿槽数；破表示定子齿距角：啡表示转子齿距角，a ，表示 转子步距角，即每一步角度的位移；，表示每转步数。他们的一般 关系为： 以：掣q ：掣 ( 2 1 ) 厶j厶r 。一生：型 ( 2 - 2 ) 口p2 _ l = = - 、7 m ，配 n 。，3 6 0 - - m z ， ( 2 3 ) 由于每个周期m 相轮流导通，因此若以f 表示变换器供电的基本 变化频率，则每分钟由6 0 m ，个步进状态。所以其转速( 每分钟转数) n 6 0 m r 盟，l l = n d z r ( 2 4 ) 由上述公式可以得出，本系统采用的1 2 8 级开关磁阻电机的一些 参数：定子齿槽数1 2 ；转子齿槽数8 ；定子齿距角3 0 ；转子齿距角4 5 ； 转子步距角1 5 ；每转步数2 4 。 图2 - 2 表示该电机的横切面和一相电路的原理示意图，s 1 、s 2 是 北京交通大学硬士学位论文 电予开关( 本系统主电路中采用的是i g b t ) ，d 1 、1 ) 2 是二极管，e 是 直流电源。它的定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转子由叠片构 成，无绕组，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( 本系统中采用的是并联和串并联结合) ， 转子带有位置检测器以提供转子位置信号，使定子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。 e 困2 - 2 开关磁阻电机的工作原理 f i g 2 - 2p r i n c i p l e0 fs r mo p e r a t i o n 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 t 为轴线的径向磁场， 磁通通过定子轭、定子极、气隙、转予极、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，印当a 相 定、转子极对极时，切向磁拉力消失转子不再转动。此时打开a 相 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场，电动机内磁场沿顺时针方向转过定子齿距 角3 0 ，转子在磁场磁拉力的作用下继续沿着逆时针方向转过转子步距 角1 5 。依此类推，定子绕组a - b c 三相轮流通电一次，转子逆时针转 动了一个转子齿距角4 5 ，定子磁极产生的磁场轴线则顺时针移动了3 定子齿距角3 0 = 9 0 。空间角。可见，连续不断地按a b c a 的顺序 北京交通大学硕士学位论文 分别给定子各相绕组通电，电动机内磁场轴线沿a - b c a 的方向不断 移动，转子沿a - c b - 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 b ，a 的方向转动，转子则沿 着与之相反的a b c - a 方向顺时针旋转。 2 2 开关磁阻电机的数学模型及分析方法 2 2 1 开关磁阻电机的数学模型“6 。“” 开关磁阻电机很难用传统电机的基本理论和方法来分析和计 算。这一方面因为该电机本身很特殊，它的磁场分布和电路参数比 较复杂，特别是在脉冲性电流供电及转子步进运行中无法像其他电 机那样建立简单和规范的数学模型。另一方面该电机由可控开关电 路供电，必须将非线性的电机参数，非常规的开关变换器供电电路 以及特殊的控制方案进行一体化分析和研究。 为了了解开关磁组调速电动机基本理论和掌握其基本规律，就 要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。首先利用线性模型分析， 忽略了饱和及边缘效应，认为绕组电感与电流无关，求近似的解析 解；然后研究准线性模型，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，分析能量关系；由对以上两种模型的分析， 可以得出有解析表达式的电感参数，以及电流和转矩的解析解，可 以用于对电机性能定性分析。最后在讨论非线性模型确立开关磁阻 电机的计算机辅助分析和设计基础。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，因此很难建立一种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 = ， 用相的电压、磁链、电 阻和电流及转矩分别为却、伽、肺、昂、t p ，转子位置角为日，转 速为m 。 1 、电压方程 北京交通大学硕士学位论文 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 驴b + 警 阻5 ) 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 枷一妒( ，r ”昂，厶，口)( 2 6 ) 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 妒p = 妒( b ，口) = ( ，p ，口) f 。( 2 7 ) 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 t p = 鼍竽- t ( b 聊( 2 - 8 )a 口 电机的合成转矩由各相转矩叠加而成 l 一7 r ，8 ) (2-9) - , 4 4 、机械运动方程 其中， 矗，乃分别为转动惯量、粘滞系数及负载转矩 ，塑；n b n ，一l( 2 - 1 0 ) 出 + d o ： r 2 1 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。因此， 北京交通大学硕士学位论文 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 性模型将磁链虬近似为电流f ，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间的相互关系，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 因为磁链扩，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，同时不考虑相间耦合效应，这样可阻用解析式来表示 每段磁化曲线。可将矿一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