电动汽车用开关磁阻电机低转矩脉动控制系统研究

摘要

新能源汽车的普及推广既是世界汽车工业发展的战略目标，也是中国十二五规划中的首要任务之一。作为新能源汽车的典型代表，针对电动汽车关键技术进行深入研究极具现实意义。其中，电驱动系统是电动汽车研究领域的三大核心技术之一，如何更为合理地选择驱动电机无疑是其中至关重要的一环。开关磁阻电机具有结构简单、成本低廉、允许有较高温升、适合高速、超高速运转、容错能力强以及运行期间具有较高的系统效率等诸多优点，目前已经成为电动汽车电驱动控制系统的首选机种之一，相关核心技术的研究已经成为业界关注的热点。
　　开关磁阻电机独特的双凸极结构及脉冲供电方式导致其存在着较为明显的转矩脉动，这成为其最为显著的缺点。本文针对电动汽车用开关磁阻电机驱动控制系统(SRD)，围绕SRM非线性建模、转矩脉动抑制策略及转子位置检测三个方面进行相关研究，最终实现有效地抑制其转矩脉动以满足乘坐的舒适度要求。
　　本文首先采取有限元计算与实验测试相结合的方法，获取开关磁阻电机的静态电磁特性。在此基础上重点开展基于支持向量机的SRM非线性建模方法的研究，建立了磁链和转矩特性的最小二乘支持向量机模型(least squares support vector machine，LS-SVM)。基于当前相关研究成果，针对小样本训练、具有明显非线性特征、具有较高维数以及解决局部极小值等诸多常见问题，较之于其他类型的非线性建模方法，支持向量机具有其鲜明的特色与独具的优势。通过与实测数据进行比较，可以证明本文所建最小二乘支持向量机模型具有较高的精度，并且其泛化能力良好。
　　本文围绕开关磁阻电机基本型直接转矩控制存在的转矩脉动较为明显的问题展开研究，提出一种改进型直接转矩控制方法(direct torque control，DTC)。通过在换相区间合理地引入空间电压矢量，构建了基于换相区的改进型电压矢量选择表，从而有效地克服了基本型DTC在换相区间存在的主要缺点;针对基本型DTC、电流斩波控制(ccc)、改进型DTC三种控制方法，分别建立了SRD系统仿真模型完成仿真过程并进行对比分析，证实了本文提出的改进型DTC的有效性。
　　本文采用自抗扰控制策略(active disturbance rejection control，ADRC)对系统外环进行优化，旨在提高SRD系统的转矩控制性能。首先，通过对比线性扩张状态观测器与非线性扩张状态观测器的仿真结果可以发现线性扩张状态观测器的观测性能更佳。其次，针对开关磁阻电机的特性设计了开关磁阻电机自抗扰控制器并将其加入到SRD系统中替代PI控制器，完成相应的仿真过程并进行对比分析。最终证实了采取ADRC策略用以实现SRD系统转矩脉动有效抑制的可行性。
　　本文提出采用径向充磁16极磁环配以开关霍尔传感器实现转子位置信号检测的方法，研制了一种永磁式位置传感器，并对该位置传感器进行了实验研究与振动测试。实验结果表明，该永磁式位置传感器能够满足电动汽车用开关磁阻电机驱动系统的控制要求。
　　最后本文搭建了SRD实验测试平台，完成了在不同工况下的SRD系统实验测试。针对基本型DTC与改进型DTC的转矩脉动程度进行对比分析;将分别采取ADRC策略与PI策略的SRD系统实测结果加以比较。最终结果表明:本文研究的基于LS-SVM模型、结合ADRC策略的改进型DTC控制方法，能够实现SRD系统转矩脉动的有效抑制。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2 SRM建模研究现状

1．3 SRM功率变换器研究现状

1．4 SRM间接位置检测研究现状

1．5 SRM转矩脉动抑制策略研究现状

1．5．1 SRM结构优化设计

1．5．2常用控制策略

1．6本文研究的主要内容

第2章开关磁阻电机非线性模型研究

2．1 SRM工作原理及典型结构

2．2 SRM数学模型

2．2．1 SRM基本方程

2．2．2 SRM数学模型

2．3 SRM静磁场有限元分析

2．3．1 SRM二维静磁场分析

2．3．2 SRM二维静磁场仿真

2．4 SRM磁链与转矩测量

2．4．1 SRM磁链测量

2．4．2 SRM转矩测量

2．5 SRM非线性模型

2．5．1支持向量理论

2．5．2最小二乘支持向量机模型

2．5．3 LS-SVM模型训练

2．5．4动态建模与仿真

2．6本章小结

第3章开关磁阻电机直接转矩控制研究

3．1基本型SRM直接转矩控制

3．1．1 SRM直接转矩控制原理

3．1．2基本型空间电压矢量

3．1．3基本电压矢量开关表

3．1．4坐标变换与扇区判断

3．2改进型SRM直接转矩控制

3．2．1基本型DTC缺点

3．2．2改进型电压矢量

3．3基于DTC的SRD系统仿真

3．3．1 SRD系统仿真模型

3．3．2仿真分析

3．4本章小结

第4章开关磁阻电机自抗扰控制策略研究

4．1引言

4．2自抗扰控制技术

4．2．1自抗扰控制技术原理

4．2．2跟踪微分器

4．2．3扩张状态观测器

4．2．4非线性状态误差反馈控制律

4．3自抗扰控制器设计

4．3．1 SRM自抗扰控制器

4．3．2参数整定策略

4．4仿真分析

4．4．1系统仿真模型

4．4．2仿真结果

4．5本章小结

第5章开关磁阻电机控制系统设计

5．1总体设计方案

5．2系统硬件电路设计

5．2．1功率电路与驱动电路

5．2．2位置信号检测

5．2．3电流检测电路

5．2．4逻辑处理与保护电路

5．3系统软件设计

5．3．1主程序设计

5．3．2初始化子程序

5．3．3起动子程序

5．3．4中断服务子程序

5．3．5 ADRC速度调节器子程序

5．4实验结果及分析

5．4．1 SRD实验平台搭建

5．4．2 SRM控制器测试

5．4．3 ADRC控制策略验证

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢