轻量型纯电动汽车用新型半齿绕开关磁阻电机分析与控制

摘要

21世纪的人类面临着严峻的能源和环境挑战，研究开发节能、环保、安全的新能源汽车是实现交通可持续发展的必由之路。其中，电动汽车以其在使用过程中超低排放/零排放、能源利用多元化和高效化、便于实现智能化控制等方面的优势备受推崇，正呈现出加速迅猛发展的态势。
　　 而电机驱动系统作为电动汽车的核心部件，其性能优劣直接决定了整车性能。考虑到稀土永磁材料的稀缺性与价格因素，开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，SRM）驱动系统，作为一种依靠磁阻转矩工作的无永磁体、无刷、高性能电机驱动系统，具有较好的理论意义与应用价值，正受到国内外高校、研究院所及企业的广泛重视。然而，与永磁无刷电机驱动系统相比，SRM驱动系统所固有的效率低、功率密度低、转矩脉动大、噪音震动大等缺点，限制了该驱动系统的进一步推广应用。
　　 本文针对轻量化纯电动汽车的应用背景，在传统全齿绕开关磁阻电机的基础上，提出了一种新型半齿绕开关磁阻电机，在无需改变定、转子冲片的前提下仅改变绕组结构即可提高电机的性能，尤其是转矩输出能力与可靠性。论文通过理论分析、电机本体有限元仿真、驱动系统仿真与实验研究，证明了该新型半齿绕开关磁阻电机确实比传统全齿绕开关磁阻电机的转矩（功率）输出能力更强。
　　 论文主要研究内容如下:
　　 (1)提出了新型半齿绕开关磁阻电机的拓扑结构，分析了该电机的工作原理，并从理论上证明了在不考虑磁场饱和与本体尺寸完全相同的条件下，半齿绕开关磁阻电机可以产生两倍的电磁转矩;
　　 (2)基于有限元商业软件ANSYS，建立了开关磁阻电机参数化交互式有限元分析仿真模型，并对两种绕组结构的开关磁阻电机进行了详细的静态电磁特性分析及性能比较;
　　 (3)基于Matlab/Simulink平台，分别建立了一台三相12/8结构的全齿绕与半齿绕开关磁阻驱动系统的仿真模型，并进行了详细的调速系统性能分析及比较，包括恒转矩区、恒功率区及动态特性;
　　 (4)根据开关磁阻电机的特性，设计了基于TMS320F2812的驱动系统数字控制器，搭建了功率变换电路、电流及位置检测电路、信号调理电路等，并编制完成了调速系统的软件控制程序;
　　 (5)搭建了开关磁阻电机驱动系统实验平台，并对两台样机进行了稳态与转速闭环实验，全面比较了两台样机的性能优劣，为开关磁阻电机驱动系统在轻量型纯电动汽车上的进一步实际应用奠定了重要的理论与实践基础。

目录

声明

摘要

图录

表录

第1章 绪论

1．1 课题的背景和意义

1．2 本文研究的主要内容

第2章 半齿绕开关磁阻电机

2．1 传统全齿绕开关磁阻电机工作原理

2．1 FT-SRM基本电磁方程

2．2 FT-SRM转子机械运动方程和机电联系方程

2．3 新型半齿绕开关磁阻电机

2．4 绕组连接方式对电磁性能的影响

2．4．1 FT-SRM绕组线圈连接方式

2．4．2 HT-SRM绕组连接方式的确定

2．5 HT-SRM与FT-SRM性能比较

2．6 小结

第3章 半齿绕开关磁阻电机调速系统性能仿真

3．1 SRM的Matlab／Simulink模型

3．2 功率变换器主电路的Matlab／Simulink模型

3．3 控制器的Matlab／Simulink模型

3．3．1 转速开环CCC

3．3．2 转速闭环CCC

3．3．3 转速开环APC

3．3．4 转速闭环APC

3．4 仿真结果

3．4．1 转速开环CCC

3．4．2 转速闭环CCC

3．4．3 转速开环APC

3．4．4 转速闭环APC

3．5 小结

第4章 半齿绕开关磁阻电机驱动系统的软硬件设计与实现

4．1 微处理器的选择

4．2 功率变换电路的设计及功率半导体器件的选择

4．2．1 功率变换电路的设计

4．2．2 功率半导体器件的选择

4．3 电流传感器的选择及其输出特性

4．4 电机转子的速度与位置检测

4．5 驱动系统的硬件及其说明

4．5．1 信号调理电路

4．5．2 保护电路

4．5．3 驱动电路

4．6 驱动系统的软件程序

4．6．1 程序框架

4．6．2 转子速度计算

4．6．3 转子位置计算

4．6．4 SRM的任意位置无反转起动

4．7 小结

第5章 半齿绕开关磁阻电机调速系统稳态运行实验

5．1 实验系统的框架与装置

5．2 θon=0°，θoff=7°的FT-SRM系统实验

5．2．1 低速大转矩特性

5．2．2 额定功率点特性

5．2．3 高速时额定转矩输出特性

5．3 θon=-5°，θoff=11°的HT-SRM的实验

5．3．1 额定工作点特性

5．3．2 过载能力实验

5．3．3 额定电压输出

5．3．4 低速大转矩特性

5．4 改变开通、关断角的FT-SRM的实验

5．4．1 θon=-5°，θoff=11°

5．4．2 θon=2°，θoff=18°

5．5 实验结果分析

5．6 小结

第6章 半齿绕开关磁阻电机调速系统动态运行实验

6．1 转速闭环系统设计

6．1．1 转速环PI调节器

6．1．2 转速闭环的过流保护误动作

6．2 FT-SRM机械特性

6．3 HT-SRM机械特性

6．4 FT-SRM与HT-SRM机械特性对比

6．5 小结

第7章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 课题展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

攻读硕士期间获得的奖项

攻读硕士期间授权和公开的专利

致谢