电动车开关磁阻电机驱动系统研究

摘要

面对资源紧缺和环境污染两大问题，世界各国都大力发展和推广新能源电动车。电机驱动系统是电动车发展的关键技术之一，开关磁阻电机(SRM)因起动转矩大、调速范围宽、驱动效率高、容错能力强和成本低等特性，非常适用于电动车应用场合。然而，较大的转矩脉动、特殊的功率变换器结构和脆弱的位置传感器同样也限制了SRM在电动车中的应用。为此本文根据电动车电机驱动系统需求特性，对电动车用SRM设计指标、新型功率变换器驱动拓扑、电动车 SRM驱动控制策略和四象限无位置传感器控制进行了研究。论文主要内容如下：
　　根据电动车电机驱动系统需求特性和SRM固有特性，总结了六个设计指标：转速因数υ、转矩铜损比率η、过载转矩系数ζ、转矩平滑系数τ、伏安利用率f和转子转矩密度ρ。基于有限元(FEA)建立了SRM动态仿真模型，对每个设计指标进行了优化。根据优化分析选择了四个敏感性几何参数，并采用多目标优化函数对每个几何参数进行优化，其中优化函数中的设计指标根据电动车驱动性能需求选择了不同的权重系数。最后采用所提的方法设计了一台电动车用SRM，并对电机静态和动态性能进行了测试，实验结果验证了所提指标和设计方法的正确性。
　　功率变换器是 SRM驱动系统重要组成部分之一，本文将双向 DC/DC变换器和不对称半桥功率变换器级联，构成了能实现电动车不同工作模式的新型驱动拓扑。详细分析了功率变换器电动状态的六种等效工作电路，制动状态的五种等效工作电路和充电状态的四种等效电路。在电动状态，前端变换器工作在Boost模式，低速轻载时降低母线电压，减小电流脉动和开关损耗；高速重载时，升高母线电压，缩短换相时间，提高驱动效率和功率输出能力。在制动状态，前端变换器工作在Buck模式，机械能转换为电能并给蓄电池充电。在充电状态，利用电机绕组和功率开关器件构成了车载充电器，并有功率因数校正(PFC)功能，仿真和实验验证了所提拓扑的有效性和灵活性。
　　根据电动车电动和制动两种工作状态，本文提出了电动状态采用转速闭环控制，制动状态采用制动转矩闭环控制。在电动状态，采用三段式控制策略，以拓宽SRM调速范围；为了提高加减速过程的平滑度，提出了混合交叉控制；并通过在线调节开通角和关断角，提高驱动系统效率。在制动过程中，采用制动转矩闭环控制策略；设计了转矩估计器实时估计SRM制动转矩，实现制动转矩信号反馈；设计了前馈加饱和补偿的复合转矩调节器，减小动态制动转矩响应时间，提高稳态制动转矩精度；采用遗传算法优化开通和关断角，减小转矩脉动，提高制动能量回馈效率。仿真和实验验证了电动和制动状态控制策略的正确性。
　　位置传感器的安装降低了SRM驱动系统在电动车中应用的可靠性，为此本文提出了能实现自起动、四象限和宽调速范围的无位置传感器控制。首先根据三相12/8极SRM几何结构的对称性，测得电机在7.5°、15°、30°和37.5°转子位置的磁链-电流特性曲线。在起动和低速段，通过向空闲相注入高频脉冲，实时检测磁链并与四个特殊位置的磁链-电流特性曲线比较，可确定转子区域，进而实现起动和低速段的四象无位置传感器控制；中高速段，通过检测磁链与四个特殊位置磁链-电流特性曲线的交点，可确定转子位置，进而实现中高速段的四象限无位置传感器控制。所提方法仅需要存储四条磁链-电流特性曲线，无需额外硬件或存储器、运算量小，且能实现自起动、四象限、全速段，非常适用于电动车应用场合。
　　该论文有图107幅，表23个，参考文献197篇。

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变量注释表

1 概述

1.1 课题研究背景与意义(Background and Significance of this Research)

1.2 电动车电机驱动系统研究现状(Motor Drive System for Electric Vehicles:State of the Art)

1.3 电动车开关磁阻电机驱动系统研究现状(SRM Drive System for Electric Vehicles:State of the Art)

1.4 本文研究内容(Research Contents)

2 电动车开关磁阻电机设计指标和结构优化

2.1 引言(Introduction)

2.2 电动车理想驱动特性与驱动电机需求特性 (Ideal Drive Characteristic and Drive Motor Characteristic Requirements of Electric Vehicles)

2.3 开关磁阻电机驱动系统动态仿真模型(Dynamic Simulation Model of SRM Drive System)

2.4 电动车用开关磁阻电机设计指标(Design Indicators of SRM for Electric Vehicles)

2.5 电动车用开关磁阻电机多目标优化(Multi-objective Optimization of SRM for Electric Vehicles)

2.6 仿真和实验验证(Simulation and Experiment Verification)

2.7本章小结(Chapter Summary)

3 电动车开关磁阻电机新型功率变换器拓扑设计与控制

3.1 引言(Introduction)

3.2 电动车开关磁阻电机新型功率变换器拓扑(A Novel Power Cconverter Topology of SRM for Electric Vehicles)

3.3 电动工作模式与控制策略(Operation Modes and Control Strategies in Driving State)

3.4 制动工作模式和控制策略(Operation Modes and Control Strategies in Braking State)

3.5 充电工作模式和控制策略(Operation Modes and Control Strategies in Charging State)

3.6 仿真和实验验证(Simulation and Experiment Verification)

3.7 本章小结(Chapter Summary)

4 电动车开关磁阻电机驱动系统控制策略

4.1引言(Introduction)

4.2 电动状态转速闭环控制(Speed Closed-loop Control in Driving State)

4.3 制动状态转矩闭环控制(Torque Closed-loop Control in Braking State)

4.4 仿真和实验验证(Simulation and Experiment Verification)

4.5 本章小结(Chapter Summary)

5 电动车开关磁阻电机四象限无位置传感器控制

5.1 引言(Introduction)

5.2 特殊位置磁链特性检测(Measurement of Flux Linkage Characteristics at Special Rotor Positions)

5.3 起动与低速四象限无位置传感器控制(Four-quadrant Sensorless Control at Startup and Low Speed)

5.4 中高速四象限无位置传感器控制(Sensorless Control at Medium and High Speed)

5.5 实验验证(Experiment Verification)

5.6 本章小结(Chapter Summary)

6 总结与展望

6.1 本文总结(Conclusions)

6.2 需进一步研究的工作(Future Works)

参考文献

作者简历

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