（电力系统及其自动化专业论文）用于电动汽车的开关磁阻电机驱动系统研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n t a g eo fc l e a n n oc o n t a m i n a t i n g t h ee n e r g ys o u r c ed i v e r s i f i e sa n d h i g he n e r g ye f f i c i e n c y t h ee l e c t r i cv e h i c l e sh a v eb e e np a y i n gs i g n i f i c a n ta t t e n t i o n t h r o u g h o u tt h ew o r l d t h em a i nw o r ki nt h i st h e s i si st od e v e l o pt h es r md r i v e s y s t e mw h i c hi su s e di nt h ee l e c t r i cv e h i c l e s 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 s a n da l lk i n d so fr e f e r e n c e t 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 ld r i v e n m o t o ri ne l e c t r i cv e h i c l e sw e r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r c o m p a r i n gw i t ho t h e rd r i v e n s 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 md r i v es y s t e mw a sa n a l y z e d t h e na l i n e a rm o d e lb a s e do nm a t l a b s i m u l i n kw a sb u i l ti nt h i sp a p e r i nt h ed o u b l e l o o po fc o n t r o ls y s t e m an o v e lt o r q u ev e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yw a sa d o p t e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h em e t h o dw a sr e a s o n a b l e e f f e c t i v ea n dh e l p f u li nt h e a n a l y s i sa n dd e s i g no ft h es r m d r i v es y s t e m s e c o n d l y as r md r i v es y s t e mu s e di ne l e c t r i cv e h i c l ew a sd e v e l o p e db a s e do n d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a a c c o r d i n gt ot h ec 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 n c i r c u i t d r i v ec i r c u i to fi g b t c o n t r o lc i r c u i t s d e t e c t i n gc i r c u i ta n dp r o t e c t i o nc i r c u i t w e r ed e s i g n e d t h e n t h ed s pc o n t r o lc i r c u i ta n dp e r i p h e r a l sw e r ed e s i g n e d i no r d e r t oi m p r o v et h ea b i l i t yo fe m c t h eo p t o c o u p l e rc i r c u i t sw e r ed e s i g n e d t h e n t h es o f t w a r eo fs y s t e mw a sd e s i g n e d t h ev a r i a b l e p a r a m e t e rd i g i t a lp i r e g u l a t o rf o rs r dw a sa d o p t e di nt h i ss y s t e m 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 f a n dp w ms i g n a lo fe a c hp h a s e c o m b i n e dw i t hp r o t e c t i n gs i g n a la n dc u r r e n t c h o p p i n gs i g n a l i tc a nc o n t r o lt h ei g b to na n do f f t h ec o n t r o ls o f t w a r eu s e dt h e m o d u l a rp r o g r a mc a nm a k et h ep r o g r a mu n i v e r s a la n dr e a d a b l e f i n a l l y t h es y s t e mf u n c t i o nw a ss u m m e du pi n t h i sp a p e r t h er e s e a r c ho f e l e c t r i cv e h i c l ed r i v es y s t e mb a s e do ns r mh a sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ei nt h ee l e c t r i c v e h i c l e si n d u s t r y k e y w o r d s e l e c t r i cv e h i c l e s r m t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a i g b t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 雷旅d 签字同期 力d 7 年2 月2 争日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留 使用学位论文的规定 特授权鑫鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 l 雷诲对廷 导师签名 苏磊起 签字日期 刎7 年2 月z 孕日签字r 期 z 口口尸年z 月彬日 第一章绪论 第一章绪论 1 1本课题的选题意义及研究背景 1 1 1 电动汽车驱动系统的研究意义 随着全球经济的迅猛发展 汽车成为人们日常生活中不可缺少的代步和运输 工具 由于汽车要消耗大量的石油资源 排放大量的废气 制造噪音和严重污染 环境 因此也带来了无法回避的负面影响 随着全球汽车产量和保有量的不断增 长 该问题也日益突出 严重危害到人类的健康 为了解决能源危机和环境污染 危机 世界各国都在积极寻求开发低排放 使用清洁能源的新型交通工具 电动 汽车具有环境污染小 噪声低 能量综合利用率高 电能的来源方式多 结构简 单 便于维修等特点 是一种安全 经济 清洁的绿色交通工具 不仅在能源 环境方面有其独特的优越性和竞争力 而且能够更方便采用现代控制技术实现其 最佳的运行效能 因而具有广阔的发展前景 1 1 2 国内外电动汽车驱动系统的研究概况 美国 欧盟和日本在电动汽车的研究方面居于世界领先水平 1 9 7 6 年7 月 美国通过 电动汽车和复合汽车的研究开发和样车试用法令 以立法的形式 政府资助和财政补贴等手段加速发展电动汽车 此后 美国三大汽车公司通用 福特 戴姆勒 克莱斯勒签定协议 成立先进电池联合体 u s a b c 合作研究电 动汽车用电池 1 9 9 3 年 美国能源部先后与通用 福特和戴姆勒 克莱斯勒三大 汽车公司合作 积极推动电动汽车的开发研制工作 并在随后的研究中取得了丰 硕的成果 日本政府在电动汽车的开发 研制与推广方面一直很重视 很早就制 定了电动汽车发展计划 1 9 9 1 年 在日本政府制定第三届电动汽车普及计划后 几乎所有的汽车生产商 如丰田 尼桑 本田 马自达 大发 三菱 铃木 五 十铃汽车公司都制定了自己的商业化电动汽车的发展计划 推出了一系列电动汽 车概念车和实用型车辆 在欧洲 由瑞士 德国 法国 英国 意大利 挪威等 组成的1 3 个工作区域联合实施了欧洲乌托邦计划 即u t o p i a 计划 该计划 的重心致力于对混合动力 燃料电池 传统发动机的改造 并提供整个欧洲地区 汽车工业的发展与能源 环境问题的整体解决方案 同时 该计划也为欧洲各国 发展电动汽车提供了动力与参考 标致一雪铁龙与雷诺两大汽车公司也合作 在 第一章绪论 1 9 9 0 年就使j 5 和c 2 5 型电动货车投入生产 1 9 9 5 年 两公司又共同建成世 界第一条电动轿车专用生产线 同年标致1 0 6 和雪铁龙a x 电动汽车投入生产 我国从7 0 年代起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 现己研制出部分样车 目前 我国部分城市及地区 武汉 北京 天津 上海 长春 广东等 以及三大汽车集团都在进行电动汽 车的相关项目的开发及课题的研究 全国承担该项目的企业约有7 0 多家 天津 市清源电动车辆有限责任公司与多家科研单位合作已开发了5 辆国际先进水平 的纯电动轿车 并将在两年内实现产业化 奇瑞汽车有限公司与上海交通大学等 国内十多家单位共同承担了国家8 6 3 电动汽车重大专项q p 纯电动轿车项目 该项目解决了一些电动汽车相关的共性技术问题 取得了一些具有自主知识产权 的成果 样车一次充电后均可行驶2 0 0 公里以上 最高时速达1 6 0 公里 目前 奇瑞公司正在制定小批量生产计划 并力争两年内建立起一支具有我国自主知识 产权的纯电动轿车示范运营车队 广东省承担国家重大科技产业工程电动汽车项 目中的改装车与试验示范区两个分项 1 9 9 6 年 完成了e v 6 4 6 0 n 电动轻型客 货车和e v 6 6 0 0 电动轻型客车 中巴 的研制任务 1 9 9 8 年 完成永磁直流电 机及其控制系统的研究 并装车试验 试运行了1 0 0 0 多公里 其效率可达9 0 以上 1 9 9 8 年 开展了永磁无刷电机及其控制系统及镍福 镍氢 铿离子 锌 一空气等电池的研究 小批试制了电动轻型客货车5 辆 电动轻型客车2 辆 送试验示范区试运行 试制了混合型电动大客车一辆 已经完成空载和带负荷试 验 1 2 电动汽车关键技术 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 其中动力电池和电机技术是电动车 的核心技术 它们的技术指标的高低 直接影响电动汽车的性能 如最大行程 最高速度 爬坡能力 起动时间 安全性 可靠性 可维护性以及成本 电池是电动汽车的动力源泉 也是一直制约电动汽车发展的关键因素 电动 汽车用电池的主要性能指标是比能量 e 能量密度 e d 比功率 p 循环寿命 l 和成本 c 等 电动汽车对能源系统的要求是 高的比能量和能量密度 高的 比功率和功率密度 快速充电和深放电的能力 充电效率高 寿命长 安全性好 且成本低廉 免维修 对环境无危害 可回收性好等 这些要求也是电动汽车能 2 第一章绪论 否与燃油汽车相竞争的关键所在 电机驱动系统的主要任务是把电能转换为机械能 使汽车能克服阻力运行 电机驱动系统由电机及其控制系统 变速装置和车轮组成 其中变速装置是选用 的 电机驱动的关键是电机及其控制系统 主要是由电动机 功率变速器和电子 控制器等组成 现代电机的高转矩 低转速和恒功率一高转速的工作范围可以通过 电子控制来获得 使得电动汽车的驱动系统设计更加灵活多样 电动汽车对电机 驱动系统的要求如下 瞬时功率大 过载能力强 加速性能好 功率密度高 在 汽车起步和爬坡时具有低速转矩的输出特性 具有较大的转速范围足以覆盖恒 转矩和恒功率区 快速的转矩响应特征 在转矩 转速特性的较宽范围内具有高 的效率 再生制动时的能量回收效率高 能在不同的工作条件下可靠地工作 成 本低等 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 永磁电机调速系统和开关磁阻电机调速系统等 随着现 代电力电子技术的发展 交流电动机驱动系统 永磁电机驱动系统和开关磁阻电 机驱动系统越来越多地出现在e v 车上 驱动电机控制系统的核心是控制算法 为了得到理想的电动汽车驱动性能 不仅要研究和设计先进的电动机 还要研究先进的控制算法 优良的控制方法可 以大大改善电机驱动的性能 弥补电机设计的不足 在工业电机驱动领域中常用 的控制方法 如传统的p i d 控制 矢量控制 f o c 模糊控带l j f c 自适应控制 眦c 和变结构控制 v s c 等 目前均已被广泛移植到电动汽车的驱动控制中 并取得了较好的效果 尽管电源技术和电力驱动至关重要 但能量管理系统和系统的优化也同样重 要 事实上 如果没有很好的能量管理和系统优化 电动汽车难以达到成功 由于电动汽车的车载能量有限 其续驶里程远远达不到燃油车的水平 能量 管理系统 动力总成控制系统 的目的就是要最大限度地利用有限的车载能量 增加续驶里程 能量管理系统采集从各个子系统输入的信息 来实现以下基本功 能 优化系统的能量分配 预测电动汽车电源的剩余能量和还能继续行驶的里程 数 提供最佳的驾驶模式和驱动力矩 再生制动时 合理地调整再生能量 诊断 系统的故障 并能做故障处理 1 3 电动汽车电机驱动系统的种类和特点 电动汽车可选用的驱动电机有多种类型 目前在电动汽车中 主要有直流电 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关磁 阻电机调速系统等 各种驱动电机的性能如表1 1 所示 下面结合电动汽车的要 求对目前使用较多的几种电机进行评价 第一章绪论 表1 1 电动汽车所采用的电动机的性能比较 i 啬 直流交流感应永磁同步 开关磁阻 比较性能 电机电机电机电机 功率密度 差 一般好 一般 力矩转速性能 一般好好好 转速范围 r m i i l 1 4 0 0 0 6 0 0 09 0 0 0 15 0 0 04 0 0 0 1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 最大功率 8 5 8 99 4 9 59 5 9 7小于9 0 效率 1 0 负荷时 8 0 8 77 9 8 59 0 9 27 8 8 6 易操作性 最好好好好 可靠性差好一般好 结构的坚固性差好一般好 尺寸及质量大 重一般 一般小 轻小 轻 单位轴功率成本 美 l o8 1 21 0 1 56 1 0 元 k w 1 控制器成本 13 52 54 5 1 3 1 直流电机驱动系统 由于电动汽车以电池输出的直流电作为电源的供给 所以在电动汽车上采用 直流电动机较为简单 直流电动机的优点是机械特性好 具有良好的调速性能 可以做成较大的功率 缺点是电动机木身体积大 质量大 价格高 有刷直流电 动机平均效率较低 另外 工作时电刷与换向器之间的换向火花和机械磨损 不 仅使电动机经常需要维修和维护 维修量很大 而且还有能量损失 不利于向高 速方向发展 同时对电动汽车的电磁环境有不良影响 在某些转速范围内效率较 低 1 3 2 交流感应电机变频调速系统 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 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 4 第一章绪论 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愉出转 矩 来满足负载变化特性的要求 并能够获得最高效率 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 1 3 3 永磁同步电机变频调速系统 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 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 4 开关磁阻电机驱动系统 开关磁阻电动机 s g m 交流调速系统是2 0 世9 7 0 年代问世的一种新型机电 一体化调速装置 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 s r m 结构十分独特 它的转子上无绕组或永磁体 是用硅钢片 成型叠成 定子为集中绕组 其线圈安装容易 端部短而牢固 且很容易做到散 热 易于密封 电机坚固耐用 制造和维修十分方便 同时 开关磁阻电动机交 流调速系统的效率在很宽的调速范围内可大于9 0 以上 这是其它调速系统不容 易达到的 是一种高效调速电机 能实现电动汽车要求的调节控制 而转子无绕 组 转动惯量小 启动和反转快 尤其是开关磁阻电动机的机械特性呈串激特性 类似于直流串激电动机 这恰好与电动汽车对电机的要求不谋而合 其性能和经 济指标优于普通的交流感应电动机调速系统 所以 开关磁阻电动机较适合于作 第一章绪论 车辆牵引 本文采用了此种电机 1 4 本文的主要研究内容 在充分调研的基础上 完成开关磁阻电动机控制系统总体方案设计 从 分析s r 电机的性能入手 在m a t l a b s i m u l i n k 下建立一个7 5 0 w 开关磁阻电机的线 性仿真模型 并对模型进行详细的仿真分析研究 与传统的s r 电机控制方式不 同 为了克j j 艮s r 电机的转矩脉动和噪声 本系统设计过程中 引入转矩矢量控 制技术 通过采用转矩微步控制策略 能有效地抑制电机转矩脉动和噪声 提高 系统的运行性能 具有很好的抗负载能力 在系统仿真的基础上 设计了以t i 公司d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为c p u 的硬 件控制系统 实现了s r m 的数字化控制 其中包括 1 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 2 研制了驱动电路 保护电路和控制电路设计和测试 3 d s p p 围电路的设计和测试 硬件系统设计并调试完毕后 进行了软件方面的设计 软件采用了模块化编 程 d s p 具有集成度高 运算速度快的特点 为实现复杂的控制算法提供了可能 系统控制的性能得以保障 利用d s p 高速采样及高速运算的特点 采用矢量控制 策略进行了软件设计 从而实现电动汽车用s r m 的数字化控制 6 第二章电动汽车用s r m 的工作特性分析 第二章电动汽车用s r m 的工作特性分析 2 1s r m 的数学模型 2 1 1 电动势方程 s r m 是一个高阶 非线性 强耦合的多变量系统 绕组电流的非正弦与铁心 磁通密度的高饱和是s r m 运行的两大特点 为了便于分析 假定 a 主电路电源的直流电压 u 不变 b 半导体开关器件为理想开关 即导通时压降为零 关断时电流为零 c 忽略铁损 不计涡流和磁滞损耗 d 电动机各相参数对称 每相的两个线圈作正向串联 忽略相间互感 d 不考虑频率和温度变化对绕组的影响 e 在一个电流脉动周期内 认定转速恒定 对于任意相s r m 第k 相绕组的电压平衡方程可表示为 u 女 r i t 押女 d t 2 1 式中巩 i 相绕组的电压 r 矗一相绕组的电阻 后相绕组的电流 甲 七相绕组的磁链 电机的磁链可用电感和电流的乘积表示 即 甲 甲 i k 0 夕 l t f f 女 0 i k 2 2 将式 2 2 代入式 2 一1 得 耻b 等鲁 等等 咄州 淳凤c l t 警车d t q 3 d z d a 式 2 3 表明 电源电压与电路中三部分电压降相平衡 其中 等式右端第一 项为第k 相回路中的电阻压降 第二项是由电流变化引起磁链变化而感应的电动 势 所以称为变压器电动势 第三项是由转子位置改变引起绕组中磁链变化而感 应的电动势 所以称为运动电动势 它与电磁机械能量转换直接有关 s r m 的任一相等效电路如下图2 1 所示 图中 动态电感l 半 随转 第二章电动汽车用s r m 的工作特性分析 速变化的运动电动势e 可以看成两部分 e f 和e r a 之和 其中 k e f 是由于相电感 变化 绕组中磁场能量的变化率 而i k e m 为输出的机械功率 u k 2 1 2 电磁转矩方程 图2 1s r m 一相等效电路 e 当电动机电磁转矩t 与作用于电机轴上的负载转矩t l 不相符时 转速就会发 生变化 产生角加速度d 2 0 d t 2 根据力学原理 可以写出这时的转子机械运动 方程为 t c 謦 d 詈 t l 2 4 式中j 一系统转动惯量 0 一转子位移角 d 一摩擦系数 t l 负载转矩 当s r m 稳态运行时 d 2 e d t 2 0 则 疋 d 粤 瓦 2 5 对于m 相s r m 电磁转矩可以用磁共能表示为 t 薹疋 兰k l 轨a 0 l i i 叫 2 6 彰 i 为s r m 绕组的磁共能 即 形 j i i 战i 2 7 式 2 1 2 7 一起构成了s r m 的数学模型 应该指出 上述s r m 的数学 模型尽管从理论上完整 准确地描述了s r m 电磁及力学关系 但由于s r m 磁 路的非线性 磁通的复杂分布及时间的非线性耦合等因素 使得对上述非线性方 程求解变得十分困难 在实际应用中根据具体的电动机的结构及所要求的精确程 第二章电动汽车用s r m 的工作特性分析 度进行适当的简化 2 2s r m 的数学模型求解方法 如何在满足工程精度的条件下 以最简洁的近似方法求解s r m 的数学模型 是s r d s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e 开关磁阻电机调速系统 理论研究中的一项重 要内容 因此 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 人们针对磁链的变化 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 i 近似为电 流i k 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 i 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 这样可以用解析式来表示每段磁化曲线 可将 i 一i 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 i 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 等电流间隔电机磁特性数据 i i o 反 演为等角度 等磁链间隔的电流特性数据f 沁 0 连同矩角特性数据t i 0 以表 格形式存入计算机中 然后用查表法求解非线性模型 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 2 1 基于简化线性模型的s r m 分析 1 电感与转子位置角关系 由于s r m 的定转子是双凸极结构 电机在运行时其定转子磁极存在着显著 边缘效应和高度局部饱和而引起整个磁路的高度非线性 绕组电感既是转子位置 的函数 又是绕组电流的函数 在s r m 的线性模型中 不计电动机磁路饱和的 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 这时 相绕组电感只与0 有关 且随转子位置角0 周期性的变化规律如下图2 2 所示 9 第二章电动汽车用s r m 的工作特性分析 l 1 一j 弦 匕 转了 l j l 霄 l y 一 r l l l n l 蔬x i 上一 i 竺 i 0 l t 28 3o a 鲥 鸥 i o 一 图2 2 定转子相对位置展开图及不饱和时相绕组电感曲线 图中 横坐标为转子位置角 机械角 它的基准点即坐标原点0 0 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l m 胁 当 转子转过半个极距 口 2 7 c 时 该相定 转子凸极中心完全对齐 电感为最 大值 一 随着定 转子磁极重叠的增加和减少 相电感则在 一和三脚加之间线 性地上升和下降 一股化的频率正比于转子极对数 变化的周期即为口 对于 8 6 相s r m 口 6 0 图中 0 为转子磁极的前沿与定子磁级的后沿相遇的位置 在0 0 区域内 定 转子磁极不相重叠 电感保持最小值三m 加不变 这是由于s r m 的转子槽宽 通常大于定子极弧 所以当定子凸极对着转子槽时 便有一段定子极和转子槽之 间的磁阻恒为最大但却不随转子位置变化的最小电感常数区 转子转过0 后 相 电感便开始线性地上升直到0 为止 0 系转子磁极的前沿与定子磁极的前沿重 叠处 这时定 转子磁极全部重叠 相电感变为最大值 基于电机综合性能 的考虑 转子极弧口 通常要求大于定子极弧口 因此在0 0 区域 0 一0 口 一口 内 定 转子磁极保持全部重叠 相应的定 转子凸极间磁 阻恒为最小值 相应电感保持在最大值厶以 这一区域习惯称为死区 0 为 转子磁极的后沿与定子磁极的后沿相遇的位置 至此 相电感开始线性地下降 直到e 处降为三m 加 0 0 均为转子后沿与定子磁极前沿重合处 如此周而复始 往复循环 由图2 2 可得到理想化线性s r m 绕组电感的分段线性解析式 即 l l l 血 0 l 0 0 2 k 0 2 l i 血 2 e 3 2 8 l 0 3 0 0 4 o 0 5 式中 k k k e 3 0 k 一上曲 口 三m 一相电感最大值 三肼加一相电感最小值 利用傅里叶级数分解式 2 8 且忽略高次谐波 得s r m 第七相绕组电感为 1 0 第二章电动汽车用s r m 的工作特性分析 l 女 l 加 l k l c o s n r o 2 9 式中 三加 t 一第k 相电感的恒定分量和基波分量的幅值 可根据下式计算 l k 加l 伍 l 一 三l 棚 i n 2 2 2 一l 卜 7 显然 对一台已制好的s r m 三一 三 加为常数 可以根据电动机的结构参数解 析计算 也可由实验确定 由于电动机各相结构相同 故各相电感的恒定分量和基波分量也是相同的 式 2 9 中的 加 三t 可统一记为勘 三 若选a 相为参考相 并设a bcd为 s r m 正常运行顺序 则各相电感曲线形状是相似的 可用下式表示 l l d l c o s n o a 2 l o l i c o s n e 一钒 垅 2 1 1 l l o 三 c o s n 0 2 x 如一1 m 2 电磁转矩分析 由于s r m 的转矩是由磁路选择最小磁阻结构的趋势而产生的 适当的磁路 饱和有利于提高s r m 驱动系统的总体性能 因此 电动机的磁路饱和是s r m 电动机的一个很重要的特征 由于电动机磁路的非线性 可得到 2 6 所示的电磁 转矩 显然 磁共能 i k 的改变取决于转子位置 亦取决于绕组电流的瞬时 值 对s r m 作性能分析时 为了避免繁琐的数学推导 忽略磁路饱和和边缘效 应 假定电感同电流无关 这时 一对定子极下电感随转子位置角的变化曲线如 图2 3 a 所示 电动机每转一圈 电感变化的周期数正比于转子极对数 该周期 长度为转子极距 基于图2 3 a 的简化线性模型可得 z 吾i 2 等 l i 丝d o 2 1 2 i t 鱼 二一 一 图2 3 相电感 转矩随转子位置的变化 第二章电动汽车用s r m 的工作特性分析 由式 2 8 和 2 1 2 可得 f d o d o e 委厨2 e e 0 2 知 e e 0 s 2 1 3 一 l k i 2 0 j 0 e 4 由式 2 1 3 可知 相绕组在恒定电流i 作用下 产生的对应转矩如图2 3 b 所 示 由此可得s r m 转矩的大小与方向 这正是s r m 驱动系统的调速原理 另 外 由图2 3 b 还可以看出 即使相绕组中通以理想的平顶电流 这种电动 机各相绕组的合成转矩 即电动机的输出转矩亦是脉动的 显然 增加电动机的 相数可以减小转矩的脉动 但导致控制复杂和功率变换器成本的提高 3 绕组电流分析 1 s r m 绕组磁链分析 当s r m 由恒定直流电源硌供电时 可写出一相电路方程为 虬 罢 识 2 1 4 式中 以为绕组励磁阶段的j b 力n 电压 弘为开关关断后续流阶段所加的电压 在式 2 1 4 中 绕组电阻压降啦与 i v i d t 相比很小 否则电动机的效率就会不高 故可忽略电阻压降 由此引起的误差不会超过线性化假设带来的误差 基于上述 分析 式 2 1 4 可化简为下式 u s 鲁 署 罢 等w r 2 1 5 整理得 d v d e 2 1 6 由式 2 1 6 可知 在某一转子角速度q 下 通电时相绕组磁链将以一恒定 比率以 随导通角的增加而增加 在关断瞬时 1 1 p o o 彬处 磁链获得最大 值 关断后 磁链则以恒定比率 下降 如图2 4 所示 相绕组在导电和续流的一个变化周期内 磁链的分段解析 式可推导如下 设t o 时 相绕组导通 此时 i o 0 0 0 e 式 2 1 6 即为 却 拥 2 一1 7 由初始条件 得通电期问磁链的解析式为 第二章电动汽车用s r m 的工作特性分析 i 一0 0 2 1 8 帆 当0 e 研时 相绕组关断 此时有 v 够 v u 6 够一0 0 w u 0 w r 2 1 9 式中0 为一相绕组的导通角 e e 讲一0 则关断期间 式 2 17 为 d v 一 羽 2 2 0 m 根据式 2 1 8 给出的初始条件 求得式 2 1 9 续流阶段的磁链解析式为 i 生0 研一0 一0 2 2 1 w 由式 2 2 1 可知 当0 2 0 祈一0 时 磁链衰减至零 并保持零值直到下一个 周期主开关器件开始导通时 故s r m 绕组磁链的线性模型为 i 由式 2 2 2 可得到磁链 i 随转子位置e 或时间t 的变化曲线 如图2 4 所示 p 节触 7 太l 痧 彻 2 a 妒a m 痧 图2 4 磁链 l r 随转子位置0 的变化曲线 2 s r m 绕组电流分析 由图2 3 分析s r m 的电感特性 若在电感上升区域0 一0 内绕组通电 旋 转电动势为正 产生电动转矩 电源提供的电能一部分转换为机械输出 一部分 则以磁能的形式贮存在绕组中 若通电绕组在0 一0 断电 贮存的磁能一部分转 换为机械能 一部分则回馈给电源 这时转轴上获得的仍是电动转矩 在最大电 感为常数的区域0 0 内 旋转电动势为零 如果电流继续流动 绕组磁能则仅 回馈给电源 转轴上没有电磁转矩 最后 若电流在电感下降区域0 0 内流动 因旋转电动势为负 产生制动转矩 这时回馈给电源的能量即有绕组释放的磁能 也有制动转矩产生的机械能 即s r 电动机运行在再生发电状态 咿 拍 e 0 一 一 n r 断 一 一 一 一 一 一 一 o 一 一 佣 一 e r k 丝 生w 第二章 电动汽车用s r m 的工作特性分析 显然 为得到较大的有效转矩 一方面应尽量减少制动转矩 即在绕组电感 开始随转子位置减小时应尽快使绕组电流衰减到零 为此 关断角断通常设计在 最大电感达到之前 主开关器件关断后 反极性的电压加至绕组两端 电流流向 电源 所以绕组电流迅速下降 以保证在电感下降区域内流动的电流很小 另一 方面 应尽量提高电动转矩 即在绕组电感随转子位置上升区域应尽量流过较大 的电流 可以看出 s r m 电磁转矩的调节主要是通过控制主开关器件的导通角 e 即起始开通角0 和关断角0 帝实现的 称为角度位置控制方式 取转子凹 槽与定子凸极中心线重合处为参考零角度 绕组的开通角0 定义为 对应定子 绕组触发时刻 与其相邻最近的转子凹槽逆着旋转方向转到参考位置处所转过的 机械角度 绕组关断角0 够定义为 对应于定子绕组关断时刻 转子所处的位置 与参考零位所夹的机械角度 l l 一 0 i l l 枷 p i 介斗 l 一 图2 5 角度位置控制相电流波形 s r m 运行中 随着0 0 孵出现在不同的区域 即运行条件的不同 相电 流波形将有很大的变化 s r 电机电动运行时 应在0 0 内触发导通主开关器 件 即有 0 l e e 2 应在0 2 0 3 内关断主开关器件 即有 0 2 e 讲 e 3 这时一个电感变化周期内的电流波形如图2 5 所示 各个区间的电流分析如下 由 2 1 6 可化为 丝 三旦 f 丝 2 2 3 w d 0调 i 0 0 d 2 2 5 f 二 玎 f 一 1i 桷 w r l 岫 1 式 2 2 5 表明 电流在最小电感恒值区域内是直线上升的 从物理概念上看 这 1 4 第二章电动汽车用s r m 的工作特性分析 是因为该区域内电感为最小值三州抽 且无旋转电动势 因此s r 电动机电流可在 该区域内迅速建立 由式 2 2 4 可见 若减 b o 则电流幅值相应增加 因此通 过合理选择绕组开通角0 即可使相电流在进入有效工作区域 a l i d o o 前即 达到一定的数值 以保证在电感上升段产生足够大的电动转矩 i i 0 2 e 0 0 谚 在此区域内 l l 加 k o 0 u s 前取 代入式 2 2 3 得 两边对0 积分得 生o c 也砌 k 0 0 2 i 雌 将初始条件f u s 一0 1 w 胁 代入式 2 2 7 得 c u 0 w 则 f 可i v 忑o 网o o 对应的电流变化率为 2 2 7 定出积分常数 2 2 8 嘉 镫删 p 2 9 拥 w r 也 加 k 一0 2 广j 由式 2 2 9 可见 若0 o 一厶血 k 则d d 0 o 一厶血 k 贝u d i l d o 0 电流 将继续上升 这是因为0 较大 所以电流在0 处的数值较小 使有效工作段内 旋转电动势的正压降小于电源电压 由此可见 不同的开通角0 可形成不同形 状的相电流波形 h i 0 讲 o o 在此区域内 l l 抽 k e 0 u s 前取 相电流在 反向时 芸铡 2 3 由于续流电流不会反向 令i o 0 得0 2 e 研 0 若选择主开关器件 的关断角e 酊满足e 够 0 3 0 2 则续流电流将会进入最大电感恒值区 甚至进入电感下降 区 因此 为避免产生较大的制动转矩 应适当将0 提前 使该段位置对应的 迸掣生棚暗 鼍 砌 k k 第二章 电动汽车用s r m 的工作特性分析 绕组电感值最小 可使续流衰减得快一些 0 0 e 在此区域 三 一 式 2 2 3 前取 一 号 初始条件为 z3 巫掣三 则 f 丝望篮掣 2 3 1 w l m 则电流变化率为 一d i 0 i l c d 删 d 2 3 2 l l l h 胃f 羽 w r l 一 式 2 3 2 表明 续流电流在最大电感恒值区线性衰减 从物理本质上看 由于这 时0 l 0 0 为零 无旋转电动势 相电流不产生电磁转矩 只是在相绕组两端反 向电压 以作用下持续衰减 v o o 2 0 0 o j 在此区域内 l 三 k o 0 u s 前取 号 注意到初值条件为f 竺 竺丘掣 得该段电流解析式为 w l 口l 准端 2 3 3 显然 当e 2 0 研 0 相电流衰减为零 由于电动机电动转矩的提高要求0 矿不可太小 事实上 在电动运行下电感 下降区域中的电流一般并不大 由此产生的制动转矩亦有限 但适当选取0 咿 允许电流延续到这一区域 有利于产生电动转矩的有效电流的提高 因此有一个 最佳选取的问题 一般的原则是 0 胛 0 且e 口 2 以上是基于s r m 理想线性模型 导出了角度位置控制方式下 电动运行状 态的典型相电流波形在不同相电感区域的解析式 这些分段电流函数也可以用下 面的通式统一描述 即 i 盐f e o o 2 3 4 2 2 2s r m 调速特性分析 i s r m 驱动系统的基本控制方法 s r d 是机电一体化系统 s r 电动机工作在自同步状态 它的每种运行状态 与其控制方法有特定的对应关系 s r 电动机的可控参数有定子绕组电压u s 开 通角e 和关断角0 够 s r 电动机的控制就是如何合理改变这些参数以达到运行 要求 显然 一个s r d 系统是一个多变量控制系统 多输入单输出 对s r m 1 6 第二章电动汽车用s r m 的工作特性分析 的控制 实现多变量控制无疑是理想方案 然而这种控制方案也是复杂的 最一 般的做法是采用单变量控制 根据改变控制参数的不同方式 s r m 有两种基本 控制模式 即电流斩波控制 简称c c c 和角度位置控制 简称a p c 2 s r m 驱动系统的调速特性分析 c c c 方式是为限制电流超过功率开关元件和电机允许最大电流而采取的方 法 一般采用e 二和e 矿固定不变 通过给定的允许电流上限幅值f h 和下限幅值 i l 来控制电流保持在希望值 若电流超出靖 主开关器件即关断 迫使电流下降 若电流衰减到f 主开关器件又导通 电流又开始上升 以此实现对 i 0 的 限定和达到所要求的输出转矩 c c c 实际上是调节电压的有效利用值 适用于 电机低速区 这时 相电流周期长 磁链及电流峰值大 适宜采用斩波限流 如图2 5 所示 a p c 是电压保持不变 通过改变开通角和关断角调节电机 转速 常把0 矿固定在最佳值 而将0 作为控制变量 若外加电源电压u s 角 速度w 为常数 电流波形与开通角0 关断角e 伊 最大电感三m 戤 最小电感 三m 加 定子极弧a 等有关 对一定结构的电动机 则电流波形取决于0 e 析的 组合 由式 2 3 4 可知 减d 0 电流峰值随之增加 这是因为随着0 的减 小 电流线性增长时间t e 一0 c o 增长 因此 调节0 是调整电流波形和峰 值的主要手段 需要指出的是 电流波形起始段的上升率及电流峰值对系统运行 性能有相当大的影响 因此应选择得合适 一般电流上升快 电流峰值高 可以 提高电动机的功率 效率也高一些 但这会增大电动机的噪声 运行稳定性也会 相应变差 当然 调节关断角e 矿也可以改变电流波形宽度 从而改变电流波形 但与0 相比 其调节作用比较弱 a p c 适于电机较高转速区 因为绕组反电动 势大 电流上升速度缓慢 不会出现过流情况 因此 不需要用c c c 方式来限 制电流大小 但改变导通角 e 矿一0 可以改变绕组电流大小 进而改变转矩 如图2 6 所示 对于s r 电动机在允许的最高电源电压作用和允许的最大磁 链与最大电流条件下 有一个临界转速 它是电动机能得到最大转矩的最高 速度 在这个转速以下s r 电动机呈现恒转矩特性 当s r 电动机在高于 转速范围运行时 对于线性理想情况 随着 的增 加 磁链和电流随之下降 转矩则随转速的平方下降 在最高电源电压作用下最 大导通角 e 加 2 以及最佳触发角条件下 在转速 下呈现恒功率特性 当s r 电动机在超过 下运行时 由于可控制条件己达到极限 s r 电动 机呈现串励特性 采用不同的电源电压 开通 关断角的组合 两个临界点在速 度轴上将对应不同的分布 并且在上述两个区域内分别采用不同的控制方法 便 能得到满足不同需求的机械特性 这也表明了s r m 具有十分优良的调速性能 第二章电动汽车用s r m 的工作特性分析 图2 6 开关磁阻电机典型运行特性曲线 2 3s r m 控制系统仿真分析 s r m 数学模型的精确建立与描述决定与影响到电机的优化设计 电机动态 性能分析 电机效率的评估 也为电机的高性能控制提供了基础 然而 虽然 s r 电机的工作原理和结构比较简单 但由于其双凸极的结构特点 磁路和电路 的非线性 开关性 使得s r 电机的各个物理量随转子位置作周期性变化 定子 绕组电流和磁通波形极不规则 传统电机的建模和性能分析方法难以简单的应用 于s r 电机计算 建立s r m 数学模型的关键之处在于准确