基于SRM电动汽车动力驱动系统及驱动方案研究毕业设计论文.doc

毕 业 设 计（论 文） 设计(论文)题目： 基于SRM的电动汽车动力驱动系统结构 与驱动方案研究 学生姓名： 朱伟达 指导教师： 吴钟鸣 二级学院： 机电工程学院 专业： 车辆工程 班级： 10车辆工程 学号： 1004102007 提交日期： 2014年 5 月 4 日 答辩日期： 2014 年 5 月 14 日 金陵科技学院学士学位论文 目录目 录摘 要IIIAbstractIV一、绪论11.1 电动汽车的研究背景和研究意义11.2 电动汽车概况11.3 国内外电动汽车的发展现状31.4 本章小结3二、驱动电机的要求及类型52.1 驱动电机的类型52.2 电动汽车对驱动系统的要求6 2.3 开关磁阻电机控制系统的特点及优势62.4 本章小结7三、电动汽车驱动系统的设计83.1 开关磁阻电机驱动系统的研究现状83.2 开关磁阻电机的结构和原理83.2.1 开关磁阻电机基本结构83.2.2 开关磁阻电机的基本原理93.3 开关磁阻电机的基本方程式93.4 开关磁阻电机的线性模型103.5 开关磁阻电机的运行特性113.6 驱动差速器的设计11 3.6.1 对称式圆锥行星齿轮差速器的差速原理123.6.2 差速器齿轮的基本参数的选择123.6.3 差速器齿轮的几何计算143.6.4 差速器齿轮的强度计算与校核15四、电动汽车驱动方案的设计174.1 驱动系统的结构174.2 DSP芯片的选择和处理174.3 智能功率驱动模块184.4 电流与位置检测184.5 本章小结20五、驱动差速器主要零件建模215.1 主减速器主从动齿轮建模215.2 差速器行星齿轮和半轴齿轮建模235.3 半轴建模245.4 差速器总装图24六、结论26参考文献27致 谢28I金陵科技学院学士学位论文 摘要基于SRM的电动汽车动力驱动系统结构与驱动方案研究摘 要随着汽车保有量的不断增加，环境污染和能源危机日益引起人们的关注，寻找一种可以取代传统燃油汽车的交通工具已成为世界各国的研究热点，纯电动汽车以其无污染，噪声低等优点而受到各国汽车企业的重视，并将之作为研究的重点。世界各大汽车生产商都在不断研究电动汽车新技术，致力于电动汽车产业的发展。本课题讨论了纯电动汽车的动力驱动系统结构和驱动方案，比较了当前各种电动汽车驱动电机的优缺点后，本课题选用了开关磁阻电机作为驱动电机，分析了开关磁阻电机作为驱动电机的优点，对由开关磁阻电机构成的电动汽车动力驱动系统结构进行了研究，设计了电机到驱动轮之间的减速机构。驱动系统设计方案采用DSP作为智能控制单元，主要由驱动系统结构模块、功率变化模块、位置检测模块等组成。关键词：电动汽车；开关磁阻电机；驱动系统；研究金陵科技学院学士学位论文 AbstractThe Power-driven Program And Structure Of Electric Vehicle Based On SRM SystemAbstractWith the increasing in car ownership, environmental pollution and energy crisis have attracted much attention. Looking for a way to replace the traditional fuel vehicles has become a hot topic around the world. With no pollution and low noise, electric vehicles attract all the car manufacturesattention and they are constantly researching new technologies for electric vehicles.These automobile enterprises are committed to the development of electric vehicle industry.This paper discusses the structure of power drive systems and drive solution.After comparing the advantages and disadvantages of various electric vehicle drive motor,we chose switched reluctance motor as the drive motor and analyze its advantages.This article also researches the drive system of electric vehicle,which is composed of switched reluctance motor. Whats more ,the design of the driving speed reducing mechanism between the driving wheel is included .The design of the drive system uses the DSP as an intelligent control unit,which includes the drive system configuration, the power variation of the module, the position detection module and other components.Key word:Electric Vehicle；Switched Reluctance Motor；The Power-driven Program；ResearchI金陵科技学院学士学位论文 一、绪论1、 绪论1.1 电动汽车的研究背景和研究意义自进入21世纪以来，节能环保成了当今世界的焦点，各国不惜投入大量资金和人员用于科研开发，而电动汽车是很多国家重点研究开发的对象之一，汽车虽然给人们带来了交通上的便利，但却消耗掉了每年全世界石油产量的一半以上，而空气污染、酸雨等都与汽车排放的尾气有着直接的联系，并加剧了能源的紧张等一系列问题，最近几年，在我国有些地方就出现了柴油、汽油紧缺的现象。而电动汽车是解决这一系列难题的很好出路。节能和减轻污染是研发电动汽车的意义所在，它不仅可以保证国家能源和经济安全，同时，研究电动汽车对我国汽车工业的发展也有重要作用，它将推动我国汽车工业在新的起点上赶超世界先进水平。我国政府近年来在电动汽车的开发上也投入大量人力、物力、财力，并已取得丰富的研究成果，很多高校、科研机构和汽车生产商都在研究和开发电动汽车。目前在电动汽车行业里，我国的科技水平和产业化程度与国外差距相对较小，甚至在某些地方还处于先进水平。电动汽车的开发有利于我国汽车产业结构的调整，同时，对电动汽车的研发，必将促进其他高新技术的发展和一批新型产业的兴起。因此，电动汽车的研制对我国具有非常重要的意义。由于具有清洁无污染、能量效率高等的优点，电动汽车的发展对公路运输来说是一次重大革命，它必将成为未来运输工具的发展方向。随着技术的日益进步和成熟，电动汽车将是未来社会最环保有效的交通工具。1.2 电动汽车概况1.2.1 电动汽车的概念和特点电动汽车就是采用电力作为动力源的汽车，它利用驱动电机把存储在蓄电池中的电能转换成汽车运动的动能。电动汽车与内燃机汽车最大的不同点是其驱动系统采用电动机代替传统汽车上的发动机，其动力能源也由化石燃料变为蓄电池或燃料电池。与内燃机汽车相比，电动汽车具有很多优点，例如：1.环境污染小。电动汽车使用的是电能，它来源很广，主要有火力发电、水力发电、风力发电、潮汐发电、太阳能发电、地热发电等，行驶过程中不会产生废气，因此根本不存在大气污染的问题，这是电动汽车最大的长处。2. 噪声低。在城市中，汽车产生的噪声已成为严重的污染，与传统汽车相比，在这方面电动汽车有非常明显的优势。它在行驶运行中基本不产生噪音，对于需要降低噪声污染的城市来说是非常合适的。3.高效率。车辆在城市中因为红绿灯，必须不断的起停，对于传统燃油汽车而言，这就意味着燃油消耗和尾气排放的增多。而电动汽车可以通过电磁效应将减速停车过程中的动能转化为电能并储存在蓄电池中，这是电动汽车在能源使用方面最大的有点。4.构造简单和维修方便。与一般汽车相比，电动汽车运行部件少、操纵轻便，不需要使用机油和冷却水等，修理和维护的工作量也少，这是电动汽车在造价方面的一大亮点，如果蓄电池够好，它的使用寿命甚至比内燃机汽车还长。5.使用范围很广，能适应各种环境。在某些特殊场合，如不通风、低温场所，或缺氧的地方，传统汽车效率很低甚至不能工作，而电动车则不受影响。1.2.2 电动汽车分类根据不同的驱动系统配置和使用能源，电动汽车可分为纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车。1 纯电动汽车（BEV）纯电动汽车又叫做蓄电池电动汽车，它行驶时所需的能量全由蓄电池提供。目前，由于受电池技术的限制，电动汽车续驶里程有限，因此主要在短程工况中使用。在诸多类型的蓄电池中，能在纯电动汽车使用的主要有镍氢电池、铅蓄电池、以及锂离子电池。纯电动汽车的续驶里程主要由蓄电池的存储量决定，蓄电池对容量要求越高，需要的技术要求也越高。由于蓄电池的发展遇到了瓶颈，因此，纯电动汽车的广泛应用也受到了限制，此外，其他一些技术的发展，如电动机控制系统的开发、新型材料在车上的使用、电池管理系统的设计和蓄电池充电配套设施等，都影响着纯电动汽车的整车性能和使用程度。2 混合动力汽车（HEV）混合动力汽车是能够从燃料和能量储存装置这两类车载能量中获得动力的汽车。按照动力系统结构的不同，可分为：串联式混合动力汽车（SHEV）：驱动力只由电动机提供的混合动力汽车。它的发动机与发电机串联，并带动发电机发电，然后通过电机控制器将电能传给电动机，由电动机驱动汽车行驶。此外，电能也可以由电池单独提供。并联式混合动力汽车（PHEV）：驱动力由电动机和发动机同时提供，或者由两者单独供给电动汽车。它的特点是发动机和电动机并联，两者可以单独向驱动系统提供动力，也可以同时驱动汽车行驶。混联式混合动力汽车（CHEV）：将串联和并联两种驱动方式融合在一辆汽车上的混合动力汽车，因此它可以在串联和并联两种模式下工作，同时具备了串联式和并联式的特点。目前，市场上的混合动力电动汽车，都是用同时配以电动机和发动机的方法来改善低速动力性能和燃油消耗率的。国内市场上，混合动力汽车使用的发动机主要是汽油机，而国际市场上，柴油混合动力汽车的发展也非常快。3 燃料电池汽车（FCEV）燃料电池汽车是以燃料电池作为动力电源的汽车，燃料电池的化学反应过程不会产生有害物，具有高效率、无污染、零排放、的汽车。通过电机将化学能转化成电能来驱无噪声等有点，而且其能量转换效率比汽油机要高23倍，因此，从能源利用效率和环境保护方面来看，燃料电池汽车是一种非常优越的车辆。燃料电池汽车最关键的技术是如何通过某种方式将燃料电池组成燃料电池组，只有这样才能提供足够的动力来驱动汽车行驶。近几年来，燃料电池技术发展很快，但燃料电池汽车的发展却面临着很多难题，如燃料电池组的一体化等。1.3 国内外电动汽车的发展现状1.3.1 国外电动汽车发展现状国外对电动汽车研究较早，开始于19世纪30年代。在1881年，世界上第一台电动三轮车诞生于法国，它使用的是铅蓄电池。目前，在电动汽车领域，美国和日本处于世界领先水平，欧洲各国也有研究。美国电动汽车研发主要以克莱斯勒、福特和通用三大汽车生产商为主。奥巴马政府也把发展电动汽车作为其能源政策的一个主要组成部分。由于技术的原因，美国主要发展插电式混合动力电动汽车。根据政府规划，到2015年，美国插电式混合动力车的保有量要在100万辆左右。日本由于受到自然资源尤其是油气资源的限制，其政府一直高度重视新能源汽车的发展，为保持自己在电动汽车领域的领先位置，日本政府推出了一些列政策。其国内主要的汽车生产商，如丰田、日产等先后推出了普锐斯(Prius)混合动力汽车、Leaf纯电动汽车等品牌。日本在混合动力电动汽车技术方面一直走在世界前列，在全球混合动力汽车市场上占据主导地位。在欧洲各国，电动汽车发展也很快，法国电动汽车的推广应用非常成功，并在多个城市建立了纯电动汽车充电站网等基础设施，使其运行体系初步形成；德国联邦政府正式通过了“国家电动汽车发展计划”，并拨巨资用于相关基础设施的建设和技术的研发，计划于2020年实现电动汽车保有量在100万辆；英国的电动客车和轿车已经上市，并已有超过4万辆的电动汽车在使用。1.3.2 国内电动汽车发展现状多年来，我国政府也非常重视电动汽车的发展，积极引导研发工作。我国电动汽车的研发开始于“九五”期间，经过“十五”、“十一五”两个五年计划的技术攻关，确立了“三纵三横”的总体研发布局，并取得了重大的技术突破，“十二五”期间，相信会有更大的进展。国内一些大型汽车企业如一汽、上汽、东风等都在对电动汽车做开发和研究。比亚迪、奇瑞等自主品牌的汽车企业，也推出了自己的电动汽车，如比亚迪的F3DM混合动力汽车，奇瑞的东方之子燃料电池汽车等。目前，国内有部分城市已经有电动公交车在运营。预计在未来10年，我国的新能源汽车的保有量达到500万辆。1.4 本章小结本章主要论述了电动汽车的研究背景和国内外电动汽车的研究现状，在这种现况下提出研究电动汽车的意义。电动汽车在许多方面有着不可替代的优点，但还存在技术缺陷等待我们去解决。总之，随着能源短缺和环境污染两大问题日夜严峻，电动汽车必将成为汽车行业的主角，当前，纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车正在引发着一场世界汽车工业革命。通过各方面的研究，必将迎来一个电动汽车发展的新时代。29金陵科技学院学士学位论文 二、驱动电机的要求及类型2、 驱动电机的要求及类型2.1 驱动电机的类型当前电动汽车上配用的动力驱动电机以直流电动机、直流永磁无刷电动机、交流永磁电动机、交流感应电动机和开关磁阻电动机这五种电机为主。（1）直流电机 早期电动汽车上多采用他励或串励两种类型的直流电动机。直流电机一般采用脉冲调制(PWM)控制方式，具有控制系统简单、调速方便、起动加速时驱动力大和技术成熟等优点，但直流电动机的效率较低，体积大、质量重；在换向时，因有电刷与机械换向器的存在，所以容易产生电火花，长期运行的话还会使碳刷和换向器损坏，维护量大5。（2）直流永磁无刷电动机直流永磁无刷电动机是由一块或多块永磁体建立磁场的直流电动机，它可以被看做是一台用电子换相装置取代机械换相的直流电动机，主要由永磁电动机本体、转子位置传感器和电子换向电路组成。根据所用的永磁材料不同，直流永磁无刷电动机分为铝镍钴永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和稀土永磁直流电动机。直流永磁无刷电动机的性能与恒定励磁电流的他励直流电动机相似，可以由改变电枢电压来方便地调速。（3）交流永磁电机交流永磁电机有永磁同步电机和永磁无刷直流电机两种。永磁无刷直流电机励磁磁场在定子相绕组中感应出的电动势为梯形波，而永磁同步电机为正弦波，这是两者最大的区别。永磁同步电机采用矢量控制，其功能特点使其特别适合于混合动力系统，而永磁无刷直流电机通常采用脉冲调制(PWM)控制方式，它不仅有交流感应电机的诸多优点，同时输出转矩大、控制器简单、运行效率高，但成本和散热要求都较高，在电动汽车上得到了一定应用。（4）交流感应电机 交流感应电机有鼠笼式和绕线式两种，采用矢量控制方式或者直接转矩控制的变频调速方式，它能够实现无级变速，因而提高了传动效率，其结构牢固、便于维护、易于冷却和使用寿命长，被广泛应用于电动客车中。交流感应电动机最大的缺点是驱动系统和控制系统复杂,价格高,同时控制性能受到电机参数变化的影响较大,相对永磁电机而言,交流感应电机的效率和功率密度较低,因而感应电动机未能在电动汽车中得到广泛应用14。（5）开关磁阻电机开关磁阻电动机是一种新型电机，性能很优越，其系统也具有很多优点：它的结构相比其它电机要简单，电机转子上没有任何形式的绕组部件，只是在定子上有简单的集中绕组，绕组的端部较短，因此工作可靠、制造工艺少。电机的转速可达15000r/min，效率多在85%94%。主要在定子上有损耗，SR电机易于冷却；转子无永磁体，可允许较高温升，因而能够实现在各种有特殊环境下的正常运转，并能在很大范围内保持高效率以保证电动汽车对动力的要求。开关磁阻电动机采用的是双凸极结构，然而这种结构存在转矩脉动，造成的噪声和震动也比一般电动机要大。但近年来的研究和研发表明，开关磁阻电机的这些不足可以通过采用合理的控制技术和制造技术得到很好地改进，这使其在电动汽车上面已经得到了应用。2.2 电动汽车对驱动系统的要求电动汽车的整车性能主要与电机驱动系统、控制系统及电源系统有关，其中最关键的是电机驱动系统。作为“心脏”部件，电机驱动系统产生电动汽车行驶时所需的动力，所以电机驱动系统技术的研发对电动汽车的发展至关重要。电动汽车驱动系统在负载要求、性能要求及运行环境方面与传统汽车驱动系统有许多不同之处，因此电动汽车对其驱动系统的要求也很特殊。电动汽车的驱动系统有如下要求：1、要求电动汽车整个系统的价格不能高于内燃机系统；2、有较强的过载能力和较大的起动转矩，并要求其加速性能好；3、能量利用率高，即在重量最轻时,具有最高的电气和机械效率；4、驱动系统的效率要高，以提高电池的续驶里程；5、制动时要能很好的将制动能量转换为电能；6、其质量和尺寸应便于安装在各种车辆上。2.3 开关磁阻电机控制系统的特点及优势开关磁阻电机系统具有以下优点: 1、电动机运行速度高、部件少、成本低； 2、效率高、功耗小； 3、起动转矩高、起动电流低，最高时起动转矩可达到额定值的150%；而起动电流为额定工作电流的 30%，4、可控参数多,系统控制灵活。开通角、关断角、电压等都可以作为电机的控制参数，并可根据运行要求和电动机的情况，采用不同的控制方法，使电动机在最佳状态运行，也可以使电动机满足不同要求的转矩速度特性曲线。其中表1为不同类型驱动电机的基本性能。表2.1 不同类型驱动电动机的基本性能 项目最高效率/%最高转速/(r/min)单位输出功率的相对成本电动机的质量电机尺寸控制系统成本交流感应电机949512000150000.8 1.2重中高永磁无刷电机909740001000011.5轻小高开关磁阻电机90150000.61.0轻小一般从表 2.1 及前述可以得出，开关磁阻电机具有质量轻、控制灵活、制造成本低的特点，这些优点若在电动汽车动力驱动中得到应用，对于电动汽车更快发展具有很大意义的。2.4 本章小结本章主要讲述了电动汽车驱动系统的要求、各种类型电机的优缺点，电动汽车在发展的历程里，不同类型的电动机曾被采用，每种都有自己的特点。通过系统地分析和比较后，因开关磁阻电动机综合性能较强，可以作为电动汽车的驱动电机，因而本文主要对开关磁阻电动机及其组成的驱动系统进行研究和讨论。虽然开关磁阻电机系统有着其他类型电机无法具有的优点，使其更能够适应电动汽车的要求。但它也有缺点：开关磁阻电动机的控制系统比其他电动机的控制系统更复杂，而且不可避免的存在转矩波动，导致噪音及振动。这些开关磁阻电机的缺点，可以通过采用合理的设计、制造和控制技术很好的解决。金陵科技学院学士学位论文 三、电动汽车驱动系统的设计3、 电动汽车驱动系统的设计3.1 开关磁阻电机驱动系统的研究现状1838年，苏格兰学者Davidson用两个U型电磁铁制造了一台驱动电机，并应用于机车上，其工作原理与SR电机很相像；英国Leeds大学和Nottinghan大学在20世纪70年代共同研制出了能用于电动汽车上的SR电机控制系统，其单位输出功率和效率均优于同类的异步电机驱动系统；1980年，Lawrenson等人系统的论述了SR电机的原理及其设计特点，从而奠定了现代SR电机在国际上的地位5。我国对开关磁阻电机的研究起步较晚，但开关磁阻电机驱动系统的研究备受关注，先后被列入我国中、小型电机多个五年科研规划项目中，在充分吸收国外研究成果的基础上，我国的开关磁阻电机驱动系统的研究进展很快。目前国内有很多高校和公司在从事SR电机的研究工作，其中华中科技大学研究成果颇为突出，在“九五”期间，该校研制出具有完全自主知识产权的纯电动轿车用SR驱动系统，“十五”期间，城市混合动力公交车已开始使用SR驱动系统，并取得了比较好的运行效果；2010年10月，北京中纺锐力机电公司研发出新一代SR电机系统，经测试，其各项性能都非常优越。3.2 开关磁阻电机的结构和原理3.2.1 开关磁阻电机基本结构开关磁阻电机作为电动汽车驱动系统的动力元件，在结构和工作原理方面，它与传统交流驱动电机和直流驱动电机存在着本质的区别。图 3.1 为四相 8/6 极 SR 电机结构示意图，它由双凸极定子和转子组成，定子和转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成，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”5。根据定子和转子极数搭配的不同，SR电机可以被设计成三相、四相等不同的相数。虽然增多相数能够减小转矩脉动，降低震动和噪声，但这将会使其结构变得复杂、主开关器件增多。目前，三相 6/4 极结构和四相 8/6 极结构使用的较为广泛。 图3.1 四相8/6 极 SR 电机结构示意图3.2.2 开关磁阻电机的基本原理SR 电机是根据磁场力原理工作的，遵循“磁阻最小原理”。即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合5。以A相为例，通过命令单独给A相绕组通电时，电动机内将在定子凸极轴线上建立磁场，此时在磁场作用下产生转矩，使转子形成逆时针运动状态，当转子极与定子极轴线重合，即达到磁阻最小的位置，此刻A相绕组的电感将达到最大，转子达到平衡状态。若在重合时将 A 相绕组切断，给 B 相绕组单独通电，这时 B 相绕组磁场产生的磁力则迫使转子极与定子极轴线重合，这样就迫使电机继续转动。由此可得，如果把图中的相对位置作为开始位置，按照A-B-C-D的顺序给相绕组依次通电，转子旋转的方向则是逆时针。相反，如果依次给A-D-C-B通电，转子就会按照顺时针的方向连续转动，与电流的方向无关。3.3 开关磁阻电机的基本方程式SRM的动态过程方程由电路方程、运动方程和机电方程三个方程组成。电机定子绕组的磁链、电流等参数随着转子位置变化而变化，而且是非线性的，一般很难用简单的解析表达式来表示。为了使SR电机的基本物理特性得以体现，依据 SR 电机运行理论，对于m相SR电机，在忽略磁滞、涡流及绕组间互感时，可将其按一对电端口和一对机械端口的两端口装置来处理，并建立磁链方程、电磁方程和机械方程,为简化分析，在建立方程之前，设 m 相 SR 电机的各相结构和参数一样，且第 p (p=1,.,m)相的磁链为、绕组端电压为U、相电流为、相电感为、转矩为绕组电阻为R、转子位置角为、电机的实时转速为。1 电路方程：由电磁感应定律和能量守恒定律可知，每个定子绕组端的电压等于电阻电压降加上因磁链变化而产生的感应电势，即p相绕组电动势平衡方程：（3-1）每相绕组磁链可用电流与自感、其余各相电流和互感与转子位置角的函数表示：(3-2)在忽略SRM各相之间的自感及互感影响时，磁链方程可近似为：(3-3)1. 运动方程：根据动力学定律，可得在电机电磁转矩和负载转矩下的转子运动方程为：(3-4)其中D和J分别为粘滞系数和转动惯量。3机电联系方程由机电能量转换原理知，SRM的电磁转矩可以用磁场转矩使转子位置增加的速率来表示，即：（3-5）其中，只有p相供电时的绕组的磁共能可用下式表示：（3-6）电机的合成转矩由各相转矩相加之和：（3-7）上各式即组成了开关磁阻电机的基本平衡方程组。3.4 开关磁阻电机的线性模型为了在不陷入繁杂的数学推导情况下搞清楚SRM内部的基本电磁作用和特性，假设：）在不计磁通边缘效应和磁路非线性的影响下，且磁导率，因此绕组电感L可表示为转子位置的分段函数；）忽略功率损耗的误差；）功率管开关动作瞬时完成；）在一个电流脉动周期内，电机按照恒定转速运转。本论文采用SRM的理想线性模型，对理想相电感进行研究。基于理想线性的假设，可以近似看作相电感线性的变化随转子转动作周期性变化。其关系曲线如图3.2所示。图3.2 绕组电感L与转子位置角的关系图中的横坐标是转子位置角，纵坐标为电感，转子凹槽与定子凸极中心重合位置定义为原点位置，此时电感最小；1和5是定子凸极前沿与转子凸极后沿重合的位置；在12内，由于定子凸极和转子凸极不存在重合部分，所以相电感一直处于最小值Lmin状态，此时磁阻最大。2为定子凸极后沿和转子凸极前沿相遇的位置，这点称为突变点，此后相电感开始呈线性上升，一直到3位置，此时定子凸极和转子凸极刚好完全重合；到4位置，转子凸极后沿和定子凸极后沿相遇，在34区域磁阻为最小值，而此时相电感为最大值Lmax；但经过后相电感便开始呈线性下降，直到再次回到定子凸极前沿与转子凸极后沿重合处。如此往复循环。 3.5 开关磁阻电机的运行特性SRM的驱动系统多采用计算机控制，其运行特性如图.所示。当电机转速小于或等于时，可以采用电流或电压斩波控制方式，这种情况下可以采取改变相绕组中的电流大小的方法来控制电机转矩及实现电路过流保护控制，从而达到使电机恒转矩运转的目的。当电机转速大于并且小于或等于时，可以采用角度位置控制方式，此时电机的转矩T会随转速的增加而下降，但电机的功率保持不变，能够保持恒功率运转特性。当电机转速大于时，由于可控条件很难把握，转矩的运转也不再随转速的特性来改变，开关磁阻电机改变成串励特性运行，电机转矩随转速的增加而下降。图. SRM运行特性3.6 驱动差速器的设计差速器的功用：（1）实现两侧驱动车轮差速滚动，既有转速差滚动；（2）实现多轴驱动汽车的各驱动桥差速旋转。差速器主要有普通齿轮式差速器和防滑差速器两种。目前，汽车上广泛使用对称式锥齿轮差速器，差速器壳有剖分式和整体式两种。剖分差速器壳的对称式锥齿轮差速器主要由圆锥行星齿轮、行星齿轮轴、圆锥半轴齿轮、行星齿轮垫片和差速器壳组成。本次设计选用的是剖分差速器壳的对称式圆锥行星齿轮差速器，因该差速器是在电动汽车上使用，根据汽车工程手册，其行星齿轮数目选为2。3.6.1 对称式圆锥行星齿轮差速器的差速原理 图3.1差速器差速原理当两侧驱动轮的转速相等、无差速行驶时，半轴齿轮的转速相等，等于差速器壳的转速，即=，差速器不起差速作用，行星齿轮、半轴齿轮和差速器壳之间无相对运动，随同主减速器的从动齿轮同速转动。当行星齿轮绕自身轴线以角速度自转时，啮合点A的圆周速度为=+，啮合点B的圆周速度为=-。于是+=（+）+(-)（3-8）即+ =2（3-9）若角速度以每分钟转数表示，则（3-10）从式（3-10）可知，左右两侧半轴齿轮的转速之和等于差速器壳转速的两倍，而与行星齿轮的转速无关，当一个半轴齿轮的的转速高于差速器壳的转速时，另一个半轴齿轮的转速低于差速器壳的转速，差速器壳的转速介于两个半轴齿轮转速之间。从而实现汽车在转弯行驶或路面不平时时，通过行星齿轮的自传来使两侧驱动轮以不同的转速在地面上实现差速行驶。3.6.2 差速器齿轮的基本参数的选择（1）行星齿轮球面半径的确定差速器的尺寸通常由公式决定，它也是行星齿轮的安装尺寸，在此，取487.8Nm行星齿轮球面半径系数，=2.522.99（通常有四个行星齿轮的轿车和公路用货车取小值；有2个行星齿轮的轿车，以及越野汽车、矿用汽车取大值）；在此取2.95。 差速器计算扭矩。计算得 23.53mm 取25mm（2）预选其节锥距 mm （3）行星齿轮与半轴齿轮齿数的选择为了获得较高的强度，通常将模数取得大些，而齿数取得小些，但齿数最少不少于10。半轴齿轮齿数一般取1425；半轴齿轮与行星齿轮的齿数比通常在1.52范围内；左、右半轴齿轮的齿数和必须是行星齿轮数目的整数倍，否则将不能安装。根据这些要求初定半轴齿轮齿数为16，齿数为10，差速器行星轮个数为2。（4）行星齿轮节锥角的计算行星齿轮和半轴齿轮的节锥角、计算如下：（5）大端模数及节圆直径的计算 取3分度圆直径 ， （6）压力角汽车差速器齿轮的压力角在过去都取为，这时齿高系数为1，而最少齿数为13。现在大都选用的压力角，齿高系数为0.8，最少齿数可减少至10。初定压力角为。（7）行星齿轮安装深度及安装孔直径的确定根据汽车工程手册中：(3-11)式中：差速器传递的转矩； 行星齿轮数；2 为行星齿轮支撑面中点到锥顶的距离（，为半轴齿轮齿面宽中点处的直径，而），计算结果为25.6； 支撑面的许用挤压应力，取为69N/。3.6.3 差速器齿轮的几何计算表3.1 汽车差速器直齿锥齿轮的几何尺寸项目计算公式计算结果行星齿轮齿数10，应尽量取最小值=10半轴齿轮齿数=1425，=16模数=3分锥角，压力角齿面宽 (0.250.30)10工作齿高齿顶高，齿根高，齿根角锥距齿根角顶锥角根锥角全齿高3.6.4 差速器齿轮的强度计算与校核差速器齿轮和主减速器齿轮的材料基本上都是用渗碳合金钢制造，通常差速器齿轮轮齿要求的精度较低，所以其制造方法多采用精锻差速器齿轮。差速器只有在汽车转弯或左右轮以不同的行驶路程行驶，齿轮才处于啮合状态，而且此时承受的载荷较大，因此，对差速器齿轮主要应进行弯曲强度的校核。轮齿弯曲强度为:（3-11）式中：尺寸系数，当6.1时,在此=0.629；载荷分配系数，当两个齿轮均用骑马式支承型式时，1.001.1；其他方式支承时取1.101.25。支承刚度大时取最小值。在此取=1.25；质量系数，可取1.0；过载系数，在此取=1； 差速器一个行星齿轮传给一个半轴齿轮的转矩，其计算式,在此为413.4Nm； 差速器的行星齿轮数； 半轴齿轮分度圆直径； 、分别为计算齿轮的齿面宽、和模数； 计算汽车差速器齿轮弯曲应力用的综合系数，由图4.4查得=0.256图4.4弯曲计算用综合系数根据上式 =符合要求。金陵科技学院学士学位论文 四、电动汽车驱动方案的设计4、 电动汽车驱动方案的设计4.1 驱动系统的结构本论文研究的驱动系统是以3KW四相8/6极结构SRM为驱动电机来设计动力驱动系统方案，并对其进行分析研究。电动汽车与传统内燃机汽车相比，因其动力源不同，所以动力控制方法与传动模式都有很大不同。但SRM的运行必须有控制器，它可以实现电动机运行和发挥优良驱动性能。本方案的驱动系统是在数字处理芯片DSP控制下以SR电机驱动为核心的一个闭环控制系统，控制系统的结构图如图4.1所示。芯片起数据处理和控制作用，将接收控制参数，并根据控制策略得到的转子转速、位置来控制功率模块将对应的电流及电压输送给驱动电机，进而可以根据实际的情况控制电机输出所需的功率、转速，来满足电动汽车的驱动要求，同时DSP时刻监测电机的运行参数，形成一个闭环数字控制路径。整个系统由DSP芯片、SRM、位置与电流检测模块、智能功率变换模块及电动汽车整车控制模块组成。车载电源智能功率变化模块SRMDSP芯片电流检测位置检测控制参数图4.1 电机动力驱动系统结构框图4.2 DSP芯片的选择和处理DSP是 Digital Signal Processing的英文缩写，也被称为数字信号处理器，它具有特殊的结构。DSP芯片的内部采用数据和程序分开的哈佛结构，装有特有的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。强大的数据处理能力和高运行速度是它最大的优点。采用DSP芯片控制具有如下优点：(1)整个驱动范围内的有效控制都可以在DSP芯片上面得到有效的控制，从而减少整个系统的价格；(2)通过合理的算法能够减少电机的转矩脉冲，从而解决电机会产生噪音和震动的缺点；(3)通过改进算法来减少谐波，不用再安装别滤波器，节约了成本；(4)能够仅使用DSP芯片实现整个系统的控制；特别是DSP的PWM电路很符合电机的运转控制情况。系统方案中DSP是采用美国 TI 公司的16位数字信号处理器TMS320F24x系列中的TMS320LF2407 DSP 芯片作为智能控制单元。DSP通过接收位置、电流检测器所提供的转子位置信号的命令，然后进行一些关于运行参数、角度变化、电流电压变化、故障分析的逻辑运算的分析处理，向功率变化模块发出指令，最终通过PWM（脉冲宽度调制）驱动信号的输出来控制电机的运行。通过采用PMW技术的控制方法来实现数字化闭环控制，可以满足动力驱动系统在电动汽车整车控制模块的控制下达到闭环精确控制的要求。4.3 智能功率驱动模块功率变化模块提供了SRM运行时所需能量，属于开关部件。可以选择绝缘栅双极型晶体管IGBT作为功率变换模块的功率器件，它由外围驱动电路与保护电路构成。本方案采用智能功率变换模块IPM来构成，不仅有高速、低耗的优点，而且又兼备完善的电路保护功能。正常的功率变换模块可以由单个的H型 IPM来构成，或者由其它结构的IPM组成。本方案中选择两个C型IPM来构成功率驱动模块，型号为三菱PM75CSD060，结构由两块PM75CSD060构成，原理如图4.2所示。图4.2 IPM功率变化电路图通过简化了的电路连接形式来表示功率电路的状态，每两相绕组共用一个功率开关器件，在电路图中，Q1Q6、M1M6分别代表单元IPM 的IGBT功率开关管，DQ1DQ6、MD1MD6代表内部IGBT每个所对应的续流二极管，其中M1和Q2为A相绕组的功率开关，Q5和M4为B相绕组功率开关，M1和Q4为C相绕组功率开关，Q5和M6为D相绕组功率开关，其他IGBT为用其作续流工作。IPM驱动电路将采用专用驱动模块，可以作为嵌入式系统级开关电源的作用，具有功率范围广，输入电压范围宽的功能，有9路输出、8路隔离输出，实时监控直流母线电压，能够满足IPM的驱动要求。4.4 电流与位置检测4.4.1 电流检测如果需要时刻知道电路的运转情况，就需要对电流进行检测，这样就需要电流检测器。本方案驱动系统的电流检测采用的是LA58-P霍尔电流传感器，其中霍尔电流传感器的M端为检测信号输出端。整个电路也采用简化的方法，只需要两个LA58-P来实现电流的检测，检测电流经处理后直接与DSP的10位A/D转换ADCIN00、ADCIN01通道连接，然后将其情况反馈到输出信号。整个电流输出电路如图4.3所示。图4.3 电流检测处理电路4.4.2 位置检测根据SRM的结构及原理特征，要掌握SRM正常运转状态，就必须要时刻了解转子运转的情况，在文献15、文献16中都介绍了检测转子运转状况的方法，虽然原理不一样，但许多方面都可以借鉴的。本方案从可行性方面出发，选择了传统的直接检测转子位置的方式。位置检测采用4096线的光电编码器进行检测。主要原理为：首先在电机一相定子绕组的中心线上安装光电元件，然后顺时针转过15继续安装另外一个，遮光盘的6个齿槽等分为30，电机工作时遮光盘将与电机轴同步旋转，这样就会得到输出两相周期为60，间隔15的位置信号，通过检测两相位置信号的上下沿也可得到间距为15的脉冲序列。DSP芯片的捕获单元与CAP相连，这样就可以根据编码器发出的脉冲将光电编码器的输出信号经过处理直接与数来准确判断转子的位置和运转情况，确定SRM的下一个导通相，同时DSP通过一定的编程算法计算出位置传感器通过一个脉冲宽度所需时间，进而可以算出SRM的转速。4.5 本章小结本章主要介绍了驱动系统方案的设计过程，本方案的整个动力系统是在数字处理芯片DSP控制下以SRM电机为主体的一个闭环控制系统。其设计方案包括系统结构、DSP控制单元、功率变化模块、电流与位置检测模块等，并通过各个模块的理论分析及电路图分析的方法来研究分析方案的可行性和合理性，从而使电动汽车的动力系统得到有效的控制，满足现代电动汽车的动力驱动要求。金陵科技学院学士学位论文 五、驱动差速器主要零件建模5、 驱动差速器主要零件建模本设计采用的参数化设计软件为Creo Parametric 2.0。Creo的全称是Creo Parametric 2.0，它是美国参数技术公司（简称PTC）的重要产品，在当前的三维造型软件中有着重要的地位。Creo是整合了该公司Pro/Engineer的参数化技术、CoCreate的直接建模技术和ProductView的三维可视化技术的新型CAD设计软件包。此外，Creo通过模块化的方式可以让使用者能够结合自身的需求来选择，因此使用者无需安装所有的模块，它在各大工作站和单机上都能应用。Creo采用了模块方式，能够分别进行草图绘制、零件设计、钣金制造、装配，确保使用者能够根据自身的需要进行选择。Creo Parametric 2.0的特点有以下几条：（1）参数化设计（2）基于特征建模（3）单一数据库（4）直观装配管理5.1 主减速器主从动齿轮建模斜齿轮的建模分析参数化设计斜齿轮的过程中应用了大量的参数与关系式。大致过程如下：（1）输入所选参