定子永磁型磁通切换双转子电机及其混合动力合成系统研究

摘要

定子永磁型磁通切换双转子(a Double Rotor Flux SwitchingPermanent-Magnet，简称DR-FSPM)电机是一种新型结构的双凸极双转子电机，属于永磁电机的一种，具有机械结构简单、输出功率密度大和高效率等优点。将DR-FSPM电机运用于混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicles，简称HEV)，通过对电机的精确控制，能够很好的实现内燃机(Internal Combustion Engine，简称ICE)效率最优控制，使得内燃机工作于低油耗、低排放区域，达到能源利用率高，污染小的目的。
　　本文首先介绍了HEV的发展现状和混合动力系统动力耦合单元，以及介绍了几种现有的双转子电机，提出将DR-FSPM电机运用于HEV。在分析了定子永磁型磁通切换(Flux Switching Permanent-Magnet，简称FSPM)电机的基础上，解释了DR-FSPM电机结构及工作原理。并推导了DR-FSPM电机的数学模型，包括电压平衡方程、磁链方程、转矩方程及运动方程。
　　其次，在分析了双转子混合动力系统结构和工作原理的基础上，根据DR-FSPM电机数学模型，运用MATLAB仿真软件搭建了基于DR-FSPM电机的混合动力系统的仿真模型。对HEV的典型工况进行仿真分析，验证了该电机数学模型的准确性，分析了汽车运行在不同工况下DR-FSPM电机的工作状态。
　　最后，以TI公司的DSP TMS320F28335为主控芯片，设计了DR-FSPM电机驱动控制系统的硬件电路，并完成了控制系统的软件编写。搭建了DR-FSPM电机的数字控制系统的实验平台，对一台DR-FSPM电机进行了调试和实验。首先对内外电机进行单独实验，包括外电机的闭环起动实验、闭环调速实验、闭环变负载实验及速度开环调速实验;内电机的闭环调速实验、闭环起动实验及速度开环调速实验等。在此基础上简单模拟了双转子混合动力系统的工况实验。实验结果验证了搭建的实验平台的合理性和正确性以及DR-FSPM电机的诸多优点，包括DR-FSPM电机可以当成两台FSPM电机来单独控制也可以当成一个整体同时控制，具有控制灵活、相应速度快、功率密度高及容错性能好等。工况实验结果验证了DR-FSPM电机运用于双转子混合动力系统的可行性及优越性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 背景

1．2 HEV概述

1．2．1 HEV概念

1．2．2 HEV发展现状

1．3 HEV的分类

1．4 动力耦合系统

1．5 双转子电机概述

1．5．1 双转子同—异步电机

1．5．2 鼠笼式双转子电机

1．5．3 对转双转子永磁电机

1．5．4 永磁无刷双转子电机

1．6 本课题研究的主要内容

第二章 DR-FSPM电机的结构及数学模型建立

2．1 FSPM电机的基本结构及其工作原理

2．1．1 FSPM电机的原理

2．1．2 FSPM电机结构

2．2 DR-FSPM电机结构与原理

2．2．1 DR-FSPM电机基本结构

2．2．2 DR-FSPM电机的运行原理

2．3 DR-FSPM电机的数学模型

2．3．1 电压方程

2．3．2 磁链方程

2．3．3 转矩方程

2．3．4 运动方程

2．4 本章小结

第三章 基于DR-FSPM电机的混合动力系统建模与仿真

3．1 基于DR-FSPM电机的双转子混合动力系统组成

3．2 基于DR-FSPM电机的双转子混合动力系统的控制策略

3．2．1 DR-FSPM电机的控制策略

3．2．2 基于DR-FSPM电机的双转子混合动力系统的控制策略

3．3 DR-FSPM双转子混合动力系统工况仿真

3．3．1 汽车启动工况

3．3．2 启动内燃机工况

3．3．3 汽车加速工况

3．3．4 汽车减速工况

3．3．5 汽车爬坡工况

3．3．6 汽车下坡工况

3．4 本章小结

第四章 DR-FSPM电机驱动控制系统的实验平台搭建

4．1 DR-FSPM电机参数

4．2 DR-FSPM电机控制器硬件设计

4．2．1 主回路的设计

4．2．2 电流检测及调理电路

4．2．3 过流保护电路

4．2．4 位置检测电路

4．2．5 IPM驱动电路设计

4．3 DR-FSPM电机控制器的软件设计

4．3．1 主程序设计

4．3．2 EPWM4定时器周期中断模块

4．3．3 模数转换中断服务子程序

4．4 其他设备

4．5 实验平台搭建

4．6 本章小结

第五章 HEV用DR-FSPM电机的实验结果与分析

5．1 实验调试

5．1．1 电流测试

5．1．2 位置信号校准

5．2 外电机实验

5．2．1 外电机闭环起动实验

5．2．2 外电机闭环调速实验

5．2．3 外电机闭环变负载实验

5．2．4 速度开环调压调速实验

5．3 内电机实验

5．3．1 内电机速度开环调压调速实验

5．3．2 内电机闭环空载起动实验

5．3．3 内电机闭环调速实验

5．4 基于DR-FSPM电机的双转子混合动力系统简单实验

5．4．1 汽车起动和起动内燃机实验

5．4．2 内燃机起动过程中汽车加速和减速实验

5．4．3 内燃机起动过程中汽车爬坡和下坡实验

5．4．4 故障实验

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

在学期间参与的科研项目