（机械电子工程专业论文）电动车用开关磁阻电机低转矩脉动控制系统研究及实现.pdf

硕，i ：学位论文 摘要 开关磁阻电机调速系统是一种新型的变速拖动系统，也是极具发展潜力的电 动车驱动系统之一。由于它仍然存在一些问题，如：电机转矩脉动大、噪音大以 及位置传感器的使用增加了电机的结构复杂性等，所以阻碍了它在电动车上的应 用。但这些问题均可以采用控制的方法解决。本文则是以降低开关磁阻电机转矩 脉动为主要控制目标兼考虑减小其噪声，研究和设计开关磁阻电机的控制系统。 首先本文在对前人研究成果以及大量资料文献的了解下，介绍了当前电动车 车用电机的情况和发展趋势，通过对比其他调速系统，分析说明了开关磁阻电动 机调速系统的优缺点。全面总结了开关磁阻电动机的发展方向及应用前景，描述 了开关磁阻电动机调速系统的四个组成部分和运行情况。 其次从分析开关磁阻电机的性能入手，基于b p 神经网络建立了开关磁阻电机 非线性磁链特性反演模型以及转矩特性模型。并且研究和改进了b p 神经网络的快 速自构形算法。最后在m a t l a b s i m u l i n k 下建立了开关磁阻电机的非线性仿真模型。 该模型可用于进一步的控制研究。 再者研究了基于转矩观测的瞬时转矩控制与三步换相控制相结合的综合控制 方法，并进行了仿真分析，其结果表明该方法能有效降低开关磁阻电机转矩脉动， 提高其驱动系统性能。 论文最后设计了四相电机控制器，选择专用的d s p 电机控制芯片作为主控制 器，选择i p m 智能功率模块作为功率变换器主开关器件，并对位置检测、电流检测 等外围电路进行了设计，对系统进行了软件的分析和编程实现。所设计的控制器 为进一步的实验研究奠定了坚实的基础。 关键词：开关磁阻电机；b p 神经网络；快速自构形算法；转矩脉动抑制；d s p a b s t r a c t s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rd r i v es y s t e m ( s r d ) i san e w t y p eo fs p e e dr e g u l a t i n g s y s t e m a s a ne l e c t r i cv e h i c l ed r i v e s y s t e m ，i t h a sg r e a td e v e l o p m e n tp o t e n t i a l h o w e v e r s r m ：h a sm a n yq u e s t i o n ss u c ha sh i g he l e c t r i c a lt o r q u er i p p l e ，h i g hn o i s e ，t h e p o s i t i o n s e n s o r sw h i c hi n c r e a s et h e c o m p l e x i t y o fs t r u c t u r e sa n dr e d u c et h e r e l i a b m t y t h e s eq u e s t i o n s a r eo b s t a c l e so ft h es r m s a p p l i c a t i o n i n e l e c t r i c v e h i c l e b u t ，t h ep r o b l e m so fs r mc a nb er e s o l v e db yt h ec o n t r 0 1 i no r d e rt or e d u c et h e v i b r a t i o nn o i s ea n dt o r q u er i p p l ei ns r d ，t h i sa n i c l er e s e a r c h e da n dd e s i g n e dt h es r m c o n t r o ls y s t e m f i r s t l y ，b a s e do nt h er e s u l t so ft h ep r e d e c e s s o r sa n da l lk i n d so fr e f e r e n c e ，t h i s p a p e ri n t r o d u c e dt h ec u r r e n ta p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a id r i v e nm o t o ri n e v ：c o m p a r i n gw i t ho t h e rd r i v e ns y s t e m s ，t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fs r dw a s a n a l y z e d ，w h i c hd e m o n s t r a t e dt h a ti t i ss u i t e df o ru s ea sd r i v i n gs y s t e mi ne v t h e d e v e l o p m e n t a ld i r e c t i o na n dt h ep o pi s s u eo fs r dw e r ep u tf o r w a r di nt h i sp a p e r ，a n d t h ef o u rc o m p o s i t i o n sw e r ei n t r o d u c e da n dt h ep e r f 0 彻a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fs r dw a s a n a l y z e d s e c o n d l y ，t h en o n l i n e a rf l u x - l i n k a g ei n v e r s i o na n dt o r q u em o d e l so fs r mw e r e d e v e l o p e d ，w h i c hm a d eu s eo fm e a s u r e da c c u r a t ed a t aa n dn o n l i n e a rm a p p i n ga b i l i t yo f b pn e u r a ln e t w o kb a s e do nf a s t s e l f - c o n 丘g u r i n g a r i t h m e t i c a n dt h e f a s t s e l f - c o n n g u “n ga r i t h m e t i ch a sb e e nr e s e a r c h e da n di m p r o v e d t h e ns r mm o d e lw a s b u i l tb a s e do nm a t l a b s i m u l i n k t h i sm o d e lc a nb eu s e dt or e s e a r c ht h ec o n t r o lo f s r m t h i r d l y ，t h et o r q u er i p p l em i n i m i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt o r q u eo b s e n r a t i o na n d i n s t a n tt o r q u ec o n t r 0 1a n dt h r e e - s t e pc o m m u t a t i o nm e t h o dh a v eb e e nr e s e a r c h e d t h e n t h ei n t e g r a t i o no ft h i st w om e t h o d sw a sd e s i g n e da n du s e dt oc o n t r o ls r m t h e s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i si n t e g r a t i o nc o n t r o lm e t h o di su s e f u lt om i n i m i z e t o r q u er i p p l ea n dr e d u c et h ev i b r a t i o nn o i s ei ns r d a tl a s tac o n t r o l l e ro fa4 一p h a s e 8 6 p o l e s r mw a sd e v e l o p e db a s e do n t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p ：、v h i c hm a d ef u l lu s eo ft h ea b u n d a n tr e s o u r c e so fd s p ：a d o p t e d i p ma st h ep o w e rs w i t c h t h ec u r r e n tf e e d b a c kc i r c u i t ，p o s i t i o ns e n s o ri n t e r f a c ec i r c u i t a n df a u l t p r o t e c t i o n e t c w e r ep r o v i d e d t h ep r o g r a mw a sc a r r i e do u tb yt h e m o d u l a r i z e dp r o g r a m m i n gm e t h o d a uo ft h e s ew i l lb er e a l i z e di ne va n de s t a b l i s h e sa i i i g o o df o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h 硕j ：学位论文 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 ) ；b a c kp r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k s ； f a s t s e l f c o n f i g u r i n g a r i t h m e t i c ； t o r q u er i p p l em i n i m i z a t i o n ； d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s l n g i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：名j 哆良 日期：) pg 年罗月2 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 石t j - 多k日期：劫穆年f 月加日 日期：2 g 年 月汐日 硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 世界汽车工业发展到今天，无论从生产、技术、规模、经济效益等等各个方 面来看都取得了巨大的成就。但是随之而来的是石油能源的逐渐趋于枯竭、环境 污染日益严重和全球温室效应，这些都是全人类的公害，同时使汽车工业面临严 峻的考验。 2 0 世纪9 0 年代以来，全球性的石油危机以及大气污染使汽车的节能与环保 性能日益得到重视。特别对于汽车密集、交通拥挤的大城市而言，汽车频繁起停 造成的内燃机变工况( 特别是加速、低速、怠速) 运行是造成尾气排放严重、耗油 率高的主要原因之一。尽管电控技术和代用燃料技术能够在一定程度上改善内燃 机的经济性能和排放性能，但是进一步单纯用传统内燃机技术发展汽车工业将会 给我国的能源安全和环境保护造成巨大的压力。在汽车保有量不断上升的今天， 汽车尾气在大气污染中的分担率也越来越高。据有关资料表明，城市大气中c o 的8 2 、n o 。的4 8 、h c 的5 8 和微粒的8 均来自汽车的尾气排放物，严格限 制汽车尾气排放倍受世界各国人民的共同关注。与此同时，在2 0 0 1 年初作为燃 料使用的石油的埋藏量被确认为一亿兆桶。据估计这么多的石油可开采的年数为 4 2 年。虽然这一数字还可能会增加，但是总的来说，以廉价石油为能源的汽车总 有一天会动不了比1 。 伴随着能源危机以及严重的环境污染，电动车的研究获得生机，成为世界汽 车工业发展的新趋势，受到各国政府的重视，同时也使得电动车的研究与应用取 得了重要的进展。电动汽车具有高效率、低排放的特性，它基本上都不以汽油为 直接燃料，能源的利用效率高、环境污染度低。其次电动汽车的转矩响应迅速， 加速快，比燃油汽车高出二个数量级。再者电动汽车的电机可以分散配置，易于 实现四轮独立驱动和四轮转向，它也还可以实现再生制动和能量回收，提高电动 汽车制动的安全性和可靠性。从2 0 世纪9 0 年代开始，世界各大汽车集团公司如 f o r d 、g m 、n i s s a n 、t 0 y o t a 和h o n d a 等，在电动汽车的研究上投入了大量的资金， 已经研制出多种电动汽车及一些概念车，如f o r d 的t h i i l l 【c i t y ，g m 的e v l ，t o y o t a 的r a 4 、p r i u s 和f c e v ，h o n d a 的e v p l u s 、i n s i g h t 和f c x v 3 等。在新一轮的 电动汽车革命中抢得主动，是决定将来我国汽车工业国际地位的关键步骤。国家 科技部8 6 3 计划将电动汽车列为重点。 电动汽车可以分为三类，即纯电动汽车( b e v ) 、混合动力电动汽车( h e v ) 和 电动车用开关磁阻电机低转矩脉动控制系统研究及实现 燃料电池电动汽车( f c e v ) 。其中纯电动汽车是研究的最早的技术，但是电池技 术以及成本问题成为其产业化的障碍。燃料电池汽车，尤其是立足于氢能基础上 的燃料电池汽车正在成为电动汽车研发的新热点，但技术尚不成熟。在这种情况 下，混合动力汽车作为一种过渡技术被世界各国，尤其是美日等国加以研究。我 国政府及各大汽车生产商也在加大混合动力汽车的研发力度。 混合动力汽车也称为复合动力汽车。混合动力汽车是兼顾燃油消耗和减少排 放污染两种意义而研制的。根据发动机和电机组合方式不同，h e v 大致可以分为 三种：并联h e v 、串联h e v 、串并联h e v 。混合动力电动车通过一定的控制策 略及采用不同的驱动模式使发动机工作在相对稳定的状态下，能够提高发动机效 率，降低污染气体的排放，在市区行驶时采用纯电动驱动模式可以达到零排放标 准。现阶段在电池瓶颈未被突破的情况下，h e v 成为2 l 世纪初世界各国汽车界 的重要研究课题。但是它只是由内燃机向电动车辆发展的中间暂时过渡产品，随 着新材料新技术的不断发展，特别是电池能量密度的提高，混合动力电动汽车终 将被纯电动汽车所代替。 电动汽车是一种集汽车技术、电机技术、电池技术、空气动力学、计算机技 术、控制技术、新材料技术以及人体工程多学科于一体的高新技术机电产品。现 有的电动汽车大致可以分为以下几个部分：动力电池及其能量管理系统、驱动电 机及电机管理系统、整车管理系统和车体等。电动汽车的研发中存在几个关键的 技术，如电池技术、电机驱动及其控制技术、电动汽车整车技术、电控技术等。 它们的技术指标的高低，直接影响电动汽车的性能。 驱动系统主要分成能源供给子系统、电气驱动子系统以及机械传动子系统三 部分，其中电气驱动子系统中的电机驱动系统主要由电机、电力电子变流器、数 字控制器和传感器等几个核心部分组成，它是电动汽车的心脏。 由于电动汽车要使用有限能源，还要适应上述电动汽车的特殊性能，所以对 驱动系统提出了高效率、动能再生利用、高功率密度、高起动力矩、低噪声和低 振动、良好的调速性，以及高可靠性、长寿命、易维护等技术要求，主要体现在 两个方面口1 ： ( 1 ) 驱动与控制技术的综合设计。根据电动汽车的使用条件及工况进行驱动 与控制技术的综合优化。电动汽车经常性地起动、停车、加速、减速，因此，驱 动电机功率选配和它的机械特性一定要满足这一工况要求。特别是启动时的短时 功率比其行驶时功率要大几倍。 ( 2 ) 能量有效利用和再生利用。为了提高驱动系统的能量利用效率，尽可能 增加行驶里程，电动汽车上的能量管理系统是电动汽车的智能核心，它根据各种 传感器信息( 包括各种负载、车速、加减速命令、行驶路况、电池工况、环境温 度等) ，合理调配和使用有限能源，并在电动汽车滑行、制动及下坡时再生利用动 2 硕士学位论文 能，对电池进行充电，以提高能量的利用率。 1 2 电动汽车电驱动的发展现状 1 2 1 驱动控制技术 电动汽车的电驱动系统由电动机、驱动器和控制器三个主要部分组成，它们 是电动汽车的核心。电机驱动及其控制技术是电动汽车研发的关键技术之一，而 设计和选择合理的驱动电机是其中最重要的环节。 由于直流电机结构简单，技术成熟，具有交流电动机所不可比拟的优良电磁 转矩控制特性，所以直到2 0 世纪8 0 年代中期，仍是国内外电动汽车用电机的主 要研发对象。但直流电动机也存在致命的弱点：利用电刷和换向器进行换向时会 产生换向火花，使之无法适应高速、大容量的场合；而且直流电动机的价格往往 是同功率交流电动机的2 3 倍，且体积大，重量重，需更多的维护，不适合在多 尘、潮湿、易燃气体的环境中使用，供电电压也有限制。这就迫使人们寻找无换 向器的交流电动机实现调速传动。但是，异步电动机有三相定子绕组，电磁转矩 是定、转子三相电流的复杂函数，且与转子的瞬时位置角有关，实际运行中能够 直接控制的只是定子电压( 电流) 、定子频率，但电磁转矩与他们之间不存在像直 流电动机那样简洁的函数关系，故在动态过程中，异步电动机电磁转矩的准确、 有效控制是一个难题。7 0 年代以来，为充分利用异步电动机优良的经济性及易向 高压、高速、大容量方向发展的优势，获得良好的调速性能，依托多变量解耦控 制、变结构控制、模型参考自适应控制等现代控制理论和新型性能优良的第二代 大功率全控型开关器件，出现了交流电机调频调压控制、矢量控制、直接转矩控 制。进入9 0 年代，交流调速系统慢慢取代了直流调速系统，占据主导地位，在电 驱动技术中被广泛采用。但交流调速技术还存在系统复杂、价格昂贵、性能指标 有待进一步提高等问题。在高性能永磁材料的支持下，永磁同步电动机和无刷直 流电动机也被采用，因其具有高的功率密度、体积小、惯性低、响应快、重量轻、 效率高，被认为在电动汽车中具有良好的应用前景h 1 。但鉴于永磁材料价格昂贵， 目前国外永磁同步电机仍只限于使用在小功率、二轮或三轮电动汽车上。目前， 由日本研制的电动汽车主要采用这种电机1 。开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o r ，简称s r 电机或s r m ) 是在交流调速技术发展的8 0 年代出现的一种简单 的新型电机，它结构非常简单，起动性能好，没有电流冲击、效率高，由其构成 的调速系统兼有异步电动机变频调速和直流电动机调速宽的优点，其运行性能和 经济指标比普通的交流调速系统，甚至比晶闸管一直流电动机都好，加上现代电 力电子学技术的发展，被认为是在电动汽车中一种极具潜力的驱动系统阳1 。 目前主要的几种电动汽车驱动电动机的部分使用情况可以参见表1 1 所示。 电动车用开关磁阻电机低转矩脉动控制系统研究及实现 由该表我们可以看出电动车电机驱动系统以使用感应电机、永磁同步电机和开关 磁阻电机的为多。而本文所研究的对象就是开关磁阻电动机。 表1 1 国内外电动汽车电机部分使用情况 1 2 2 驱动控制技术的发展方向 根据电动汽车的电驱动控制系统的组成及其驱动方式，驱动控制技术发展方 向可以归纳如下： ( 1 ) 在汽车用电机技术方面，电机的设计趋于无刷化、轻薄短小化、永磁化和 采用微机控制h 1 ； ( 2 ) 在驱动方式方面，由单个电动机驱动向两个电动机驱动发展，后轮驱动向 前轮驱动发展，进而向以四个电动机驱动四轮的方向发展；由带齿轮减速器驱动 向直接驱动方向发展，将外转子电动机与车轮一体化设计，实现四轮直接驱动阳1 ； ( 3 ) 电力电子逆变器向i g b t 集成模块发展，传感器向集成智能位置传感器发 展： 4 硕士学位论文 ( 4 ) 电动汽车各个部分如电动机、驱动器、控制器、电池均由微机集成控制， 实现电动汽车的电子化阳1 。 1 3 开关磁阻电机控制系统的发展 1 3 1 开关磁阻电机的发展简史 开关磁阻电机的最早文献记载可追溯到1 8 3 8 年，苏格兰学者d a v i d s o n 制造 了一台用以推进蓄电池机车的驱动电机。2 0 世纪2 0 年代，英国学者c l w a l k e r 发明并取得步进电机的专利，初具了现代v r 步进电机和开关磁阻电机的许多特 征。随着电力电子器件和电磁场计算技术的发展，开关磁阻电机又逐渐吸引了人 们的注意力。而“开关磁阻电机”一词源见于美国学者s a n a s a r l 在1 9 6 9 年所撰的 论文，它描述了这种电机的两个基本特性：一是开关性磁阻电机必须工作在一种 连续的开关模式，这是为什么在各种新型功率半导体器件可以获得后这种电机才 得以发展的主要原因；二是磁阻性它是真正的磁阻电机，双凸极结构，定、 转子具有可变磁阻回路n 叫。7 0 年代左右，英国l e e d s 大学步进电机和磁阻电机研 究小组首创了一台开关磁阻电机雏形，并进行了试验研究，发表了许多论文。1 9 8 0 年英国学者p j l a w r e n s o n 及其同事在i c e m 会议上，系统地介绍了他们的工作成 果，阐述了s r 电机的原理和设计特点，在国际上奠定了现代s r 电机的地位，使 这一新型变速驱动系统最终能引起人们的关注。同年，英国成立了世界上第一家 开关磁阻电机驱动装置的公司( s r dl t d ，现已并入美国e m e r s o n 电气公司) ，研 制了一系列的s r 电机产品。目前，s r 电机得到了很大的发展，产品已经广泛地 或开始应用于电动车驱动系统、家用电器( 洗衣机、食品加工机械等) 、通用工业 ( 风机、泵、压缩机等) 、伺服与调速系统、牵引电机及高转速电机( 用于纺织机、 航空发动机、电动工具、离心机传动等) 。功率范围从1 0 w ( 转速为1 0 0 0 0 r m i n ) 到5 m w ( 转速为5 0 r m i n ) ，转速上限达1 0 0 0 0 0 r m i n ，几乎难以找到s r 电机不 适合的领域。 1 3 2 开关磁阻电机控制系统 开关磁阻电机控制系统( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rd r i v es y s t e m ，简称s r d ) 是一种先进的机电一体化驱动装置，主要由四部分组成：开关磁阻电机、功率变 换器、控制器及位置检测器，如图1 1 所示。， 图1 1 中s r 电机是s r d 中实现能量转换的部件，也是s r d 系统有别于其他电动 机驱动系统的主要标志。s r 电机系双凸极可变磁阻电动机，其定、转子的凸极均 由具有高磁导率硅的硅钢片叠压而成，转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有 集中绕组，径向相对的两个绕组并联( 或串联) 构成“一相”，且定、转子极数不同。 功率变换器向s r 电机提供运转所需的能量，由蓄电池和交流电整流后得到的 电动车用开关磁阻电机低转矩脉动控制系统研究及实现 直流电供电。其主电路的结构形式与供电电压、电机相数及主开关器件的种类有 关。 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 电 机运行状态的控制n 0 l 。 位置传感器是s r d 不可缺少的一部分，由它向控制器提供转子位置信息，保 证在合适的时刻接通或者断开功率变换器主开关器件。位置检测是开关磁阻电机 能够运行的必要条件，但是现在也出现了无位置传感器的位置检测方法。 电源 给定输 机械输出 图1 1 开关磁阻电机控制系统组成 1 3 3 开关磁阻电机控制系统优点及存在的问题 长久以来对s r d 的理论研究和实践证明，该系统具有许多明显的特点n0 1 ： ( 1 ) 电机结构简单、坚固、制造工艺简单、成本低、转子仅由硅钢片叠压而成， 可工作于极高转速；定子线圈为集中绕组，嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠， 能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。 ( 2 ) 损耗主要产生在定子，电机易于冷却；转子无永磁体，可允许有较高的温 升。 ( 3 ) 转矩方向与相电流方向无关，从而可减少功率变换器的开关器件数，降低 系统成本。 ( 4 ) 功率变换器不会出现直通故障，可靠性高。 ( 5 ) 起动转矩大，低速性能好，无异步电动机在起动时所出现的冲击电流现象。 ( 6 ) 调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩一转速特性。 ( 7 ) 在宽广的转速和功率范围内都有高效率。 ( 8 ) 能四象限运行，具有较高的再生制动能力。 各种突出的优点，使s r d 已成为交流电机驱动系统、直流电机驱动系统及无 刷直流驱动系统的有力竞争者1 ，在电动车运用上有很大的发展潜力。但由于s r 电机的双凸极结构和磁阻最小工作原理，它不可避免地存在着一些缺点。具体来 6 硕士学位论文 说，就目前发展水平而言，这些缺点可归纳为n 劓： ( 1 ) 由于是磁阻式电动机，其能量转换密度低于电磁式电动机； ( 2 ) 转矩脉动较大，通常s r 电机转矩脉动的典型值为士1 5 。由转矩脉动所 导致的噪声及谐振问题也较为突出； ( 3 ) 电机相数越多，所需功率器件数越多； ( 4 ) 需要位置检测，增加了系统的复杂性和成本，降低其可靠性。 1 3 4 开关磁阻电机控制系统研究方向 s r d 技术涉及到电动机、微电子、电力电子、微机、机械及控制工程应用等 众多学科领域，是一项正在发展中的新技术。从目前的发展状况来看，无论是在 理论还是应用上，都存在不少问题，有待进一步的研究与完善。而国内外学者正 在进行四个方面的深入研究： ( 1 ) 电机优化设计和一体化研究 由于电机磁场分布的高度非线性，计算非常复杂，其数学模型难以简单精确 建立；同时由于开关电路供电的非线性，电流波形规律特殊导致转矩脉动，只有 将电机、变换器及控制模式一体化设计，协调优化电机、电路结构及控制参数等 才能获得较为满意的设计结果，得到高性能的s r d 。 ( 2 ) 功率变换电路的设计 由于s r d 系统的性能和成本很大程度取决于功率变换器的性能和成本，目前 研究主要集中在功率变换器拓扑结构设计、主开关器件的选择和使用等方面，尽 可能的减少功率器件数目和复杂性。 ( 3 ) 无位置传感器研究 位置闭环控制是开关磁阻电机的基本特征之一，s r 电机的各种高级控制技术 都是以高精度的位置检测为首要条件。但它的存在使结构复杂化，同时也增加了 成本、降低了可靠性，限制了其在恶劣场合下的运用。无传感器转子位置检测技 术成为s r 电机研究的一大热点。 ( 4 ) 转矩脉动及噪声控制的理论研究 由于s r 电机的双凸极结构，电磁特性以及开关的非线性影响，采用传统控 制策略得到的合成转矩不是一恒定转矩，因而导致了相当大的转矩脉动和噪声。 这点限制了s r d 在很多直接驱动领域的应用。研究抑制s r 电机的振动和噪声也 是改善s r d 性能的首要课题。减少s r 电机的转矩脉动、噪声的关键在于减小作 用在定子上的径向力的大小。 1 3 5 开关磁阻电机控制系统应用 开关磁阻电机结构简单，性能优越，可靠性高，作为调速驱动应用具有许多 显著的优点。因此使得开关磁阻电机存在许多潜在的应用领域，在各种需要调速 7 电动车用开关磁阻电机低转矩脉动控制系统研究及实现 和高效率的场合，从小功率电机到大功率电机，均能提供所需的性能要求。近2 0 年来，随着电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，开关磁阻电机的发展取得了 明显的进步，已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器、纺织机械等各 个领域，功率范围从1 0 w 到5 m w ，最大转速高达1 0 0 0 0 0 r m i n 。开关磁阻电机的 规格也已从多相发展到单相、两相。总的来说，根据不同使用特点，s r 电机常用 于以下方面n 朝： ( 1 ) 高效调速传动； ( 2 ) 起动和低速性能要求高的机械传动； ( 3 ) 频繁正反转生产机械； ( 4 ) 恶劣环境中工作的生产机械； ( 5 ) 要求高可靠性的应用； ( 6 ) 日用电器传动装置； ( 7 ) 高速传动机构。 在开关磁阻电机的各个应用领域，牵引运输始终是非常重要的一个，本文所 研究的就是开关磁阻电机在电动车驱动方面的应用及其控制。 1 4 研究的内容和意义 开关磁阻电机作为驱动电机具有很多显著的特点，在电动车用驱动电机中占 有一定的比例。但是由其本身结构所决定的转矩脉动以及较大的噪声阻碍了它在 电动车上的进一步应用。解决这一问题可以从两个主要的方面来进行，一方面从 结构上对开关磁阻电机进行优化和改进；另一方面从控制角度入手采用高性能的 控制方法降低开关磁阻电机转矩脉动和减小其噪声。而本文所研究和设计的就是 电动车用开关磁阻电机低转矩脉动控制系统，完成的具体工作如下： ( 1 ) 分析当前电动汽车用驱动电机的发展现状和趋势，描述开关磁阻电机作为 一种新型的调速系统具有的一系列优点，从而论证其作为驱动系统有很好的发展 前景。 ( 2 ) 简单介绍了开关磁阻电机驱动系统各组成部分以及开关磁阻电机的运行 原理和运行特性，着重分析了开关磁阻电机转矩脉动和电磁噪声产生的原因，介 绍了其解决方法。 ( 3 ) 从分析s r 电机的性能入手，先简单分析并介绍了可用于开关磁阻电机控 制研究的线性模型和非线性电感模型。然后采用基于快速自构形算法的b p 神经 网络建立了开关磁阻电机磁链反演模型以及转矩特性模型，最终在 m a t l a b s i m u l i i l l 【环境下建立了开关磁阻电机的仿真模型。该模型有助于进一步的 开关磁阻电机控制研究。 ( 4 ) 以降低开关磁阻电机转矩脉动为主要目的，减小其噪声为次要目标，结合 8 硕士学位论文 基于转矩观测的瞬时转矩控制方法和三步换相法控制开关磁阻电机，并且建立控 制系统的仿真模型进行仿真研究，仿真结果表明该控制方法能有效的达到控制目 标。 ( 5 ) 最后完成控制系统的软硬件设计，采用专用的d s p 电机控制芯片做主控 制器，选择智能功率模块i p m 做为功率变换器主开关器件，并对位置传感器、电 流传感器等外围电路进行设计，对系统进行软件的分析和编程实现。 最后对全文进行了总结，分析了本文所设计的控制系统的优点及不足之处， 并指出了进一步改进研究的方向。 9 电动车用开关磁阻电机低转矩脉动控制系统研究及实现 第2 章开关磁阻电机驱动系统 开关磁阻电机驱动系统是由开关磁阻电动机、功率变换器、控制器以及检测 器四个部分组成，并相互协调工作的一种调速系统。它是2 0 世纪8 0 年代迅猛发 展起来的一种新型调速电机驱动系统。本章简要说明了开关磁阻电机的基本结构 和工作原理，论述了开关磁阻电机驱动系统的四个组成部分，着重分析了开关磁 阻电机驱动系统转矩脉动和噪声产生的原因。 2 1 开关磁阻电机驱动系统的组成 开关磁阻电机驱动系统是一种新型调速电机驱动系统，结构简单坚固，成本 低，调速性能优异，是传统交、直流电机调速系统的强有力竞争者。其主要由开 关磁阻电动机、功率变换器、控制器以及检测器四个部分组成。其中s r 电机是 s r d 中实现机电能量转换的部件，功率变换器是s r 电机运行时所需能量的供给 者，检测器反馈s r 电机信息以用于控制，控制器控制s r 电机以实现高性能驱动。 2 1 1 开关磁阻电机的结构 s r 电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理，s r 电机既可以将电能转 换为机械能即电动运行，也可将机械能转换为电能即发电运行，它的结构和工作 原理与传统的交直流电机有着很大的差别。 s r 电机的结构简单，其定子、转子的磁极均为凸极结构，从原理上看，它是 变磁阻步进电动机的一种。定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成，转子既无 绕组也无永磁体，定子上有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一个两极磁 极，称为一相。s r 电机可由相数不同而分为单相、两相、三相及多相等不同的相 数结构，且每极单齿结构和每极多齿结构，轴向气隙、径向气隙和轴向一径向混 合气隙结构，内转子和外转子结构。低于三相的电机一般没有自启动能力。相数 多，步距角小，利于减小转矩脉动，但结构复杂，并且主开关器件多，成本高。 目前用的最多的是四相( 8 6 ) 和三相( 6 4 或1 2 8 ) 电机n 们。常见定、转子极数 组合方案可参见表2 1 。 表2 1 常见s r 电机的定子和转子极数组合 图2 1 所示为四相( 8 6 ) s r 电机结构原理图，仅画出a 相绕组及供电电路。 1 0 硕上学位论文 其中a a 1 为一相，s 1 和s 2 为主开关，v d l 和v d 2 为续流二极管，当s 1 、s 2 导通时，a 相绕组从直流电源吸收电能，关断时，绕组电流通过续流二极管将剩 余的能量回馈给电源。因此，它具有能量回馈的特点，系统效率高。 2 1 2 功率变换器 i k 图2 1 四相s r 电机结构 功率变换器是s r d 中连接电源和电动机绕组的开关部件。通过它将电源能量 馈入电机，也可将电机内的磁场储能反馈回电源。由于s r 电机的绕组只需要单 方向电流，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驱 动系统所没有的优点，即相绕组与主开关器件是串联的，因而可预防短路故障。 在整个s r d 成本中，功率变换器占有很大的比重，合理选择和设计功率变换 器是提高s r d 的性能价格比的关键之一。功率变换器的主开关器件的设计和选用 以及功率变换器主电路形式的选取都是非常重要的，应根据具体性能、使用场所 等各方面综合考虑，找出最佳组合方案。 对于功率主开关器件，由于s r 电机的工作电流、电压波形、系统的运行条 件及电动机设计参数的制约，很难准确预料，其定额计算较为复杂。它的选择与 电动机功率、供电电压、峰值电流、成本等有关，还与主开关器件本身的开关速 度、触发难易、开关损耗、抗冲击性、耐用性等有关。当前电力电子经过多年的 发展，可供选择的功率器件主要有普通晶闸管、可关断晶闸管( g t o ) 、功率晶体 管( g t r ) 、功率m o s 场效应管( m o s f e t ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 以及 智能功率集成模块( i p m ) 。 功率变换器主电路的形式是功率变换器选择和设计时着重考虑的对象。一个 理想的功率变换器主电路结构形式应同时具备如下条件h 钔： ( 1 ) 最少数量的主开关元件： ( 2 ) 可将全部电源电压加给电动机相绕组； 电动车用开关磁阻电机低转矩脉动控制系统研究及实现 ( 3 ) 主开关器件的电压额定值与电动机接近； ( 4 ) 具备迅速增加相绕组电流的能力； ( 5 ) 可通过主开关器件调制，有效地控制相电流； ( 6 ) 在绕组磁链减少的同时，能将能量迅速地回馈给电源。 目前，s r d 常用的功率变换器主电路有许多种，应用最普遍的如图2 2 所示。 + a ) 不对称半桥电路 c ) 电容裂相式电路 。l b ) 双绕组电路 d ) h 桥型式电路 图2 2 常见的四种功率变换器电路 图2 2 a 所示的主电路为不对称半桥电路，单电源供电方式，每相有两个主开 关，工作原理简单。斩波时可以同时关断两个主开关，也可只关断一个。这种主 电路中主开关承受的额定电压为u 。它可用于任何相数、任何功率等级的情况下， 在高电压、大功率场合下有明显的优势。 图2 2 b 所示的主电路为双绕组电路，其特点是有一个初级绕组w 1 与一个次 级绕组w 2 完全耦合。工作时，电源通过开关管v 向绕组w 1 供电：v 关断后， 磁场储能由w 2 通过续流二极管v d 向电源回馈。v 承受的最大工作电压为2 u ， 考虑到电压因素的影响，v 的反向阻断电压定额通常取4 u 。这种主电路每相只有 一个主开关，所用开关器件数少。但是电机与功率变换器的连线较多，电机绕组 利用率较低。 图2 2 c 所示的主电路为电容裂相式电路，它以对称电源供电。每相只有一个 主开关，上桥臂从上电源吸收能量，并将剩余的能量回馈到下电源，或从下电源 吸取能量，将剩余的能量回馈到上电源。因此，为保证上、下桥臂电压的平衡， 1 2 硕十学位论文 这种主电路只能使用于偶数相电机。主开关正常工作时的最大反向电压为u 。由 于每相绕组导通时绕组两端电压仅为u 2 ，要做到s r 电机出力相当，电机绕组 的工作电流须为采用不对称半桥电路时的两倍。 图2 2 d 所示电路为h 桥型功率变换主电路，这一电路可认为是上述电容裂相 型电路取消了电容器分压构成的双电源，并将电动机四相绕组中点浮空而形成的。 电机每相绕组的外施电压为电源电压的一半，因为任一相绕组电路必须以其它绕 组为通路，换相相的磁能一部分回馈电源，另一部份注入导通相绕组，因此只能 工作在两相同时通电方式，从而缺少一些控制灵活性。但这一变化也给本电路带 来了特有的好处，即可以实现零压续流，提高系统控制性能。但它只适合于四相 或者四的倍数相的s r 电机们。 这四种主电路各有优、缺点，图2 2 a 所示的主电路控制灵活，流经主开关的 电流小，适配电机的范围大。图2 2 b 、c 所示的主电路所需主开关的数目少。图 2 2 d 所示的主电路最大的特点是能实现零压续流，但是应用范围有限。除此之外， 近年来在这些基本的功率变换主电路的基础上也研发出不少新型的主电路，比如 具有最少数量主开关器件的功率变换器电路等，在此就不一一介绍。 2 1 3 控制器和控制策略 控制器综合处理位置检测器、电流检测器提供的电机转子位置、速度以及电 流等反馈信息及外部输入的指令，实现对s r 电机运行状态的控制，是s r d 的指 挥中枢。控制器一般由单片机或者d s p 芯片及外围接口电路组成，可用以实现电 机参数的比较分析以及控制算法的运行，在s i m 系统中，要求控制器实现下述功 能：( 1 ) 电流斩波控制；( 2 ) 角度位置控制；( 3 ) 启动、控制、停车及四象限运 行；( 4 ) 速度调节n 刚。高性能的控制器结合有效的电机控制策略，可以减少转矩 脉动和降低噪声，提高电机的调速性能。 高性能的控制器也给各种高级复杂控制技术的实用化提供了可能，同时推动 了控制策略的研究。现在一些现代的控制理论和方法在s r 电机的控制中也得到 了应用，如模糊控制、模糊控制与p i 控制结合在一起的混合式调节、滑模控制， 自适应控制、线性回馈控制、以及人工神经网络控制等n 引。但是这些控制方法的 实际应用推广还存在一定的问题，需要进一步的研究。随着控制器性能的不断提 高以及这些先进智能控制方法的深入研究，它们将在s r d 中得到切实的使用推 广。 2 1 4 检测器 开关磁阻电机驱动系统中所用到的检测器一般为位置传感器以及电流检测 器。位置传感器向控制器提供转子位置及速度等信号，使控制器能正确地决定绕 组的导通和关断时刻。通常采用光电式、磁敏式位置传感器以及接近开关等器件 电动车用开关磁阻电机低转矩脉动控制系统研究及实现 进行位置检测。为进一步提高s r d 的性能，采用无位置传感器的位置检测方法是 s r d 的发展方向之一。国内外有一批学者致力于此方向的研究，提出了多种无位 置检测方案，这些方案大致可分为两类n 引： ( 1 ) 有效电流定位法：不需人为产生电压电流信息，直接以电机运行时的电流、 电压信息为基础，根据电机的实际模型或特性曲线得到位置信息。主要的方法有 磁链法n n1 8 1 、感应电势法n 引、基于模型的观测器法。 ( 2 ) 脉冲注入定位法：利用空闲相，人为地注入低幅高频模拟测试信号，产生 需要的电流等信息，以得到位置信息，如电流波形监视法乜、信号调制编码法乜2 l 、 加测试线圈法乜朝、电容式位置检测法乜钉、神经网络和模糊逻辑技术乜引。 s r 电机的运行速度也可通过位置传感器的信号转换得来，当电机角速度为 缈，( r a d s ) 时，其一相转子位置检测信号的频率为： f ：盟：盟( 2 1 ) “万( j 一，) 3 0 ( m 一，) 、7 其中国，= 2 册，6 0 。通过变换就可以从转子位置信号的频率求得电机转速。 由此可见，转子位置检测信号的频率与电动机的转速成正比，测出转子位置检测 信号的频率即间接测得转速。 开关磁阻电机控制系统需要进行相电流的检测，电流检测是开关磁阻电动机 调速系统电流斩波控制方式的需要，也是实现过流保护的需要。目前，开关磁阻 电动机调速系统的电流检测方法主要有：( 1 ) 电阻采样法；( 2 ) 直流电流互感器采 样法；( 3 ) 霍尔电流传感器采样法；( 4 ) 磁敏电阻采样法。 2 2 开关磁阻电动机的工作原理和运行特性 2 2 1 开关磁阻电动机的工作原理 开关磁阻电机的转矩是磁阻性质，其运行原理遵循“磁阻最小原理”一磁通总 是要沿