srm在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用以及優(yōu)化措施

1、<p>　　SRM在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用以及優(yōu)化措施</p><p>　　摘要：隨著能源短缺和環(huán)境污染問題日益突出，電動(dòng)汽車以其高效率、零排放等顯著優(yōu)點(diǎn)，成為世界著名汽車制造商和研究機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)之一。筆者結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)和所學(xué)知識(shí)，對(duì)電動(dòng)汽車用開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱SRM）提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制措施。理論建模仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，該電機(jī)在低壓大電流的工作條件下，具有動(dòng)態(tài)性能好、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)，僅供同行

2、參考。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制；電動(dòng)汽車 </p><p>　　中圖分類號(hào)：F407.471 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p><p>　　由于電動(dòng)汽車存在頻繁起動(dòng)、加速、巡航、減速和爬坡等運(yùn)行工況，這些對(duì)電動(dòng)汽車的電機(jī)及其控制系統(tǒng)，特別是低壓起動(dòng)性能提出了更高的要求。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱SRM)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低壓起動(dòng)性能

3、好、調(diào)速范圍寬，而且在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都具有效率較高、維護(hù)成本低、系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制了它在低速領(lǐng)域中的應(yīng)用。為減小開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲，筆者就如何使開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)起動(dòng)電流小、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)矩大、效率高，做出如下探討。 </p><p>　　一、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)工作原理 </p><p>　　開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)，定子上有集中繞組，每相對(duì)的兩

4、極為一相，轉(zhuǎn)子上無繞組也無永磁體，電機(jī)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如圖1所示。電機(jī)運(yùn)行遵循磁阻最小原理，當(dāng)一相繞組通電時(shí)，與此定子凸極非對(duì)齊位置的轉(zhuǎn)子凸極會(huì)因?yàn)榇爬Φ淖饔眠\(yùn)轉(zhuǎn)到對(duì)齊位置。各相依次通電，即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)運(yùn)行，改變各相通電順序，可改變電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向。 </p><p>　　圖1 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu) </p><p>　　二、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì) </p><p&g

5、t;　　2．1 SRM結(jié)構(gòu)參數(shù) </p><p>　　SRM的工作原理與機(jī)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)不能簡(jiǎn)單照搬傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中所運(yùn)用的公式和方法。目前，通過采用不同的簡(jiǎn)化模型，得到不同的電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算方法，形成線性方法、非線性方法、準(zhǔn)非線性方法三類不同的設(shè)計(jì)方法。本文采用準(zhǔn)非線性方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用盡可能精確地最大電感位置和最小電感位置的磁化曲線等來計(jì)算平均轉(zhuǎn)矩的方法作為出發(fā)點(diǎn)，建立其電磁設(shè)計(jì)方法，這種方法計(jì)算結(jié)

6、果更準(zhǔn)確，考慮到對(duì)SRM性能影響較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有定子外徑、轉(zhuǎn)子外徑、氣隙大小、鐵心長(zhǎng)度和定子、轉(zhuǎn)子的相對(duì)極弧寬度，而且定、轉(zhuǎn)子幾何尺寸對(duì)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲有重要的影響。所以要從優(yōu)化定子結(jié)構(gòu)、優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和尺寸、優(yōu)化極弧這三個(gè)方面來對(duì)電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在滿足電動(dòng)汽車動(dòng)力需求的同時(shí)，得到最佳的電機(jī)性能。 </p><p>　　SRM采用6／4結(jié)構(gòu)，電源電壓選用48V直流電，經(jīng)優(yōu)化分析得到優(yōu)化后電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，見下表1

7、。 </p><p>　　表1 SRM主要參數(shù) </p><p>　　2．2 SRM性能分析與優(yōu)化 </p><p>　　由于SRM磁路的嚴(yán)重非線性，各物理量與轉(zhuǎn)子位置、電流之問是非線性關(guān)系，這給模擬電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)帶來不便，而有限元能夠考慮到磁路的不規(guī)則性，計(jì)算精度較高。本文假設(shè)所有導(dǎo)線電流密度均勻分布，忽略位移電流，且鐵心磁導(dǎo)率各向同性，對(duì)SRM進(jìn)行瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)

8、的有限元分析，這使得仿真結(jié)果更加接近電機(jī)實(shí)際運(yùn)行的狀況，更為精確地反映了電機(jī)的整體性能。圖2為轉(zhuǎn)子凸極軸線與定子凸極軸線重合時(shí)磁場(chǎng)分布情況，此時(shí)相繞組的電感值最大；在轉(zhuǎn)子極間中心線線與定子磁極軸線重合時(shí)，相繞組電感值最小，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，相繞組電感在最小和最大值之間周期性變化。依據(jù)不同時(shí)刻電感值不同，可對(duì)電機(jī)的輸出性能進(jìn)行控制。 </p><p>　　圖2 對(duì)齊位置磁場(chǎng)分布 </p><p>

9、　　SRM的繞組磁鏈曲線簇見圖3所示。曲線從下往上對(duì)應(yīng)的是0°、30°、4O°、50°～180°位置角下激磁繞組磁鏈與之相應(yīng)的激磁電流的關(guān)系曲線圖，變化趨勢(shì)表明磁鏈隨電流的增加而增大，最后達(dá)到飽和狀態(tài)。由此可得到特定電流在不同位置時(shí)的磁鏈大小，為構(gòu)建驅(qū)動(dòng)控制提供了依據(jù)。 </p><p>　　圖3 SRM 繞組磁鏈的曲線族 </p><p>

10、;　　SRM優(yōu)化前后瞬態(tài)效率曲線見圖4。在1000～4000r／min轉(zhuǎn)速階段，電機(jī)的效率均在85％以上，優(yōu)化后在額定轉(zhuǎn)速附近效率均在90％以上，電機(jī)效率較高；這不僅使電動(dòng)汽車運(yùn)行在非額定狀態(tài)滿足起動(dòng)加速、低速爬坡及高速運(yùn)行的需要，還能夠?qū)崿F(xiàn)能量的有效利用。 </p><p>　　圖4 SRM效率曲線 </p><p>　　SRM優(yōu)化前后運(yùn)行在1850r／min時(shí)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩出力曲線見圖5。平

11、均轉(zhuǎn)矩在16N·m左右，優(yōu)化前電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)為0．65，優(yōu)化后轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)為0．32，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯減小。這既能完全滿足負(fù)載需要，又可使電動(dòng)汽車運(yùn)行平穩(wěn)，提高了安全性能。 </p><p>　　圖5 SRM 轉(zhuǎn)矩曲線 </p><p><b>　　三、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模 </b></p><p>　　為了更進(jìn)一步分析電動(dòng)汽車不同工況下的電機(jī)

12、性能，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。本文在MATLAB／Simulink模塊對(duì)電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，以提高控制策略的靈活性。模型主要包括：功率變換器模塊、速度PI調(diào)節(jié)模塊、電機(jī)本體模塊、電流滯環(huán)和位置檢測(cè)模塊等，其中電機(jī)本體模塊參數(shù)部分是經(jīng)有限元計(jì)算分析得到的結(jié)果。PI調(diào)節(jié)模塊中指的是，PI控制器中P(比例)的參數(shù)；為PI控制器中I(積分)的參數(shù)，經(jīng)幾組數(shù)據(jù)對(duì)比得，調(diào)節(jié)器的最終參數(shù)設(shè)置為：=1.5，=0.015。 </p><p&

13、gt;　　SRM采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即速度閉環(huán)和電流閉環(huán)，轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)當(dāng)作外環(huán)，用來保證SRM的轉(zhuǎn)速快速準(zhǔn)確跟隨設(shè)定轉(zhuǎn)速，同時(shí)電流反饋當(dāng)為內(nèi)環(huán)，即將轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)的輸出值作為電流PI調(diào)節(jié)的輸入，然后用電流PI調(diào)節(jié)的輸出對(duì)功率變換器實(shí)行控制，這就實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速一電流雙閉環(huán)調(diào)速。電機(jī)起動(dòng)或低速運(yùn)行時(shí)，電流閉環(huán)起主要作用，采用的電流斬波控制方式不僅可以抑制電流峰值不超過允許值，還能使電流波形呈較寬的平頂狀，確保電機(jī)產(chǎn)生平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩，提高電動(dòng)汽車運(yùn)

14、行性能；速度閉環(huán)可以達(dá)到無靜差的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，同時(shí)為電流閉環(huán)的調(diào)節(jié)提供有效的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車速度的快響應(yīng)。 </p><p><b>　　四、動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果 </b></p><p>　　電源電壓采用48 V的直流電。若系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速為800r／min，同時(shí)給定負(fù)載為12 N·m、開通角為38°、關(guān)斷角為75°，起始角度為28°，

15、閾值電流為85A，滯環(huán)電流為5A，仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6可看出：系統(tǒng)在中低速的運(yùn)行時(shí)，起動(dòng)過程轉(zhuǎn)矩最大值為51．4 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)為0．42，且由速度曲線的變化可知，起動(dòng)過程比較平穩(wěn)且電流斬波起到限幅作用，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后，可達(dá)到無偏差調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度較快，電機(jī)運(yùn)行到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速能夠到達(dá)設(shè)定速度800r／min。 </p><p>　　圖6 =38°，=75°仿真波形 <

16、/p><p>　　仿真結(jié)果表明，通過優(yōu)化開通與關(guān)斷角，能達(dá)到減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)目的，提高電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能與乘車舒適性。相同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下采用優(yōu)化的開通與關(guān)斷角，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)不僅可減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，還能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 </p><p>　　圖7是直接轉(zhuǎn)矩控制與電流斬波控制的磁鏈軌跡。從圖中可看出，直接轉(zhuǎn)矩控制的磁鏈軌跡(圖7a)是一個(gè)圓形，幅值基本恒定，被限定在滯環(huán)內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于電流斬波控制的磁鏈

17、軌跡(圖7b)。 </p><p>　?。╝）直接轉(zhuǎn)矩控制 （b）電流折波控制 </p><p><b>　　圖7 磁鏈軌跡 </b></p><p>　　由此仿真結(jié)果可知，直接轉(zhuǎn)矩控制能把磁鏈很好地控制在滯環(huán)內(nèi)，磁鏈軌跡為一圓形，這種圓形磁鏈軌跡的控制能降低脈動(dòng)，而且還能降低電機(jī)損耗，整體控制效果明顯好于電流斬波控制，適合于電動(dòng)汽車有限能量的

18、情況。電動(dòng)汽車對(duì)轉(zhuǎn)矩的要求是開環(huán)系統(tǒng)，直接轉(zhuǎn)矩控制很好地滿足了這一要求，直接給定控制轉(zhuǎn)矩并把轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制在較小的范圍內(nèi)，滿足具有高性能電子系統(tǒng)的電動(dòng)汽車要求，而且消除了在低速時(shí)劇烈的震動(dòng)對(duì)電動(dòng)汽車的影響。 </p><p><b>　　五、結(jié)語 </b></p><p>　　本文通過有限元設(shè)計(jì)分析和動(dòng)態(tài)仿真相結(jié)合，在低壓大電流的狀態(tài)下，對(duì)電動(dòng)汽車用SRM進(jìn)行了分析，在

19、控制策略上采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)：速度環(huán)采用PI控制、電流環(huán)采用角位置控制，以及磁鏈軌跡采用直接轉(zhuǎn)矩控制，有效減小了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。仿真結(jié)果證明了所設(shè)計(jì)電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的爬坡能力，滿足電動(dòng)汽車各種工況的要求。以上對(duì)SRM優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為今后SRM在電動(dòng)汽車行業(yè)的應(yīng)用，提供了借鑒，具有重大的理論和實(shí)踐意義。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p

20、><p>　　[1]王宏華．開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999：3-4． </p><p>　　[2]陳麗莉．開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略的研究[D]．長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2008． </p><p>　　[3]朱日瑩，王大方等．電動(dòng)車用開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制器設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]．電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010，14(2)：47-52． </p&g