电动车开关磁阻电机驱动系统研究
1 概述
近年来汽车工业飞速发展，根据美国汽车行业杂志 Wardsauto 的数据显示，到 2011 年 8 月，世界汽车保有量约有 8 亿辆，预计到 2030 年全球汽车保有量将突破20亿辆[2]。国际汽车制造协会数据显示，2009年中国的汽车产量增加了48%，达到了 1300 余万辆，，2010 年增长 32%，达到了 1800 余万辆。据预测，中国的汽车普及率将由 2010 年的 5.9%上升到 2030 年的 26.7%，将成为汽车保有量最高的国家[3]。汽车工业的发展将带来两大问题：石油资源消耗和环境污染。交通运输业占到了石油总消耗量的 61%，根据国际能源署的《2009 年世界能源报告》预测，交通运输业的能源消耗到 2020 年将增长 50%，到 2030 年将增长 80%，这将使得石油资源严重紧缺。内燃机燃烧会排放出大量污染物，有 80%以上的一氧化碳、40%以上的氮氧化物和 20%~30%颗粒污染物来自汽车尾气排放，其中二氧化碳会造成温室效应；氮氧化物和二氧化硫是导致酸雨的罪魁祸首；一氧化碳和碳氢化合物会引起一系列健康问题。在能源紧缺和环境污染的双重压力下，新能源电动车因清洁、高效、低噪音等特点受到世界各国的广泛关注。为了推进新能源汽车的发展，世界各国都积极制定鼓励政策和发展规划，表 1-1 给出了美国、日本、欧盟和我国近年来制定的相关政策[4]。从表中可以看出各国都在大力发展新能源汽车产业，我国也抓住了这次发展机遇，提升自主创新能力，实现可持续化交通跳跃式发展。
无论是混合动力汽车、纯电动汽车，还是燃料电池汽车，电机驱动系统既是核心技术，也是共性技术。在我国新能源汽车“三纵三横”的研发布局中，电机驱动系统作为“三横”之一，是推进电驱动总成技术的研究重点[5]。电动车驱动电机相比于普通工业电机有着以下特性需求：高的功率和转矩密度；在较宽的工作区域内保持高效率；具有宽的调速范围，即包含恒转矩区和宽的恒功率区；在起动或爬坡时能提供大转矩输出，即短时过载能力强；有高的可靠性和鲁棒性，容错能力强；可实现四象限运行和制动能量回馈；转矩脉动小，噪音低；成本低[6]。SRM 的特性满足上述多项要求，同时相比于其它类型电机，其结构简单牢固、起动转矩大、调速范围宽、过载能力强、容错性能强、在较宽的工作区域有高的效率等优点使其非常适用于电动车驱动系统场合[7]。在目前电动车电机驱动系统中，与感应电机和永磁电机相比，SRM 的应用较少，这与 SRM 本身存在的一些问题不无关系。由于固有的双凸极结构和脉冲励磁，SRM 有较大的转矩脉动和噪音，尤其在低速段，转矩波动与机械传动装置产生共振，将严重影响驱动性能[8]。功率变换器是 SRM 驱动系统重要组成部分之一，固然 SRM 本体成本低，但需要特殊的驱动拓扑结构，增大了功率变换器成本，从而使得整个驱动系统成本增加；对于电动车来说，存在电动和制动工作状态，功率变换器还应能实现电动车不同的工作状态以及不同工作状态之间的平滑切换。SRM 是自同步电机，必须根据转子位置信息实现换相，产生连续的转矩。常用的位置传感器有光电传感器、霍尔传感器、旋转变压器或光电编码器。位置传感器的存在增加了驱动系统的成本和体积，同时降低了 SRM 相对于其它类型电机本体简单牢固和容错能力强的优势。在电动车这种高温、多粉尘、强震动的恶劣环境下，SRM 驱动系统的无位置传感器控制则显得尤为重要。
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电动车驱动电机种类繁多，按不同的方式有着不同的分类方法，其中一种分类方法如图 1-1 所示，下面分别介绍四种常用的电机：直流电机、感应电机、永磁电机和开关磁阻电机在电动车中应用的发展现状[9-11]。
感应电机具有结构简单、坚固耐用、成本低、运行可靠、低转矩脉动、技术成熟等特点，在欧美国家设计的电动车上有着广泛的应用。同时，矢量控制与直接转矩控制技术的出现，使得感应电机的动静态性能超过了直流电机。但是，感应电机相对于永磁电机而言，效率低、重量大、功率因数小，同时有着起动转矩低、起动电流大和存在着临界转矩等缺点，因此限制了感应电机在电动车领域中的应用。为了提高感应电机在电动车中的应用，可以从感应电机结构设计入手[13-14]。浅、宽的转子槽有利于提高感应电机的起动性能；定子绕组采用多匝并联涂漆线和浅的转子槽可以减弱趋肤效应；定子采用磁性槽锲来约束谐波的影响；采用较多的定转子槽，且转子槽少于定子槽，来减小谐波的影响。为了提高异步电机的驱动效率，控制方面则可以通过自适应调节电机磁链幅值和直接测量输入的驱动功率来达到最大的驱动效率[15]；为了得到动态转矩情况下的最小损耗控制，通过优化的指数磁链与预测控制方案，可以减小感应电机在动态控制过程中损耗[16]。
由于永磁体的存在，永磁电机有着其它电机无可比拟的高效率、高转矩密度、高功率因数的特性，这些特性在电动车应用中十分重要，因此永磁电机在国内外新能源电动车中有着广泛的应用。永磁电机根据电机反电动势的波形可以分为无刷永磁直流电机和无刷永磁交流电机；根据磁路方向可以分为径向永磁电机与轴向永磁电机；根据永磁体布置位置可以分为转子永磁拓扑与定子永磁拓扑；根据励磁方式可以分为永磁体励磁与混合励磁电机[17]。不同的永磁电机结构有着不同的特性，根据电动车驱动需求可以选择不同的电机结构。但是，由于永磁体的存在，无刷永磁电机也有固有的缺点。永磁体增加了电机弱磁控制的难度，限制了电机恒功率调速范围；永磁体存在着不可逆去磁风险，限制了永磁电机在恶劣环境中的应用；同时随着时间的推移，永磁体存在退磁现象，将导致电机效率和性能下降。目前对永磁电机在电动车中应用的研究主要集中在提高电机效率、功率密度，降低齿槽转矩，增强电机弱磁能力和降低永磁体的去磁风险等几个方面。对应用于车辆自重较大场合的低速大转矩永磁轮毂电机，转子应为多极结构；采用分数槽集中绕组结构可以削弱谐波电动势的影响，提高端部空间利用率和降低齿槽转矩；优化转子气隙长度与电气角度的关系可以得到优化的空载气隙磁链密度，从而减小三次谐波增加基波幅值；通过改变电机绕组，优化空载电磁力波形，提高电机的效率；通过优化慈桥的长和宽来减少漏磁，增加永磁体的利用率[18-19]。
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2.1 引言(Introduction)
对于运输车辆来说，动力装置的理想驱动特性是在全速度范围有着恒功率输出的能力，其输出转矩—转速特性如图 2-1(a)所示。然而传统汽车的内燃机工作特性与理想驱动特性差距很大，如图 2-1(b)所示，因此为了匹配理想驱动特性，通常采用多级变速器。采用四级变速器改善后的内燃机工作特性如图 2-2 所示[137]。
设计满足电动车驱动性能需求的 SRM，是优化控制电机驱动系统的前提。文献[140, 141]给出了 SRM 综合的设计方法学，详细分析了电机相数、极数、内部尺寸、绕组匝数等对电机性能的影响。文献[142]分析了电机相数与极数对 SRM转矩脉动和噪音的影响，同时采用 PC-SRD 计算机程序对 SRM 磁链特性进行分析。文献[143, 144]为电动车设计了一台高效率和高功率密度的 SRM，采用有限元分析优化电机结构，提高功率密度，并对电机的峰值过载能力、恒功率操作范围、转矩脉动、噪音和温度性能进行测试。文献[145-147]研究了不同的软磁材料对 SRM 效率与最大转矩的影响，其中采用非晶态铁心材料的电机效率最高，采用含硅量高的硅钢片其次，采用含硅量低的硅钢片效率最低；但由于其饱和磁通密度依次增大，电机最大转矩产生能力也依次递增。文献[148, 149]研究了定子绕组匝数对 SRM 调速范围、伏安容量和电机效率的影响。随着绕组匝数的增多，电机伏安容量降低，同时高速时输出功率降低，此时可采用连续导通模式增大电机功率输出能力，但却降低了电机的效率。近年来，一些学者在给定电机几何尺寸约束的条件下，以转矩密度或电机效率为优化目标，采用遗传算法(GA)优化SRM 的结构参数[150-152]，但没有文献详细研究电动车用 SRM 的设计指标和系统的设计方法。
本章重点研究了电动车用 SRM 的设计指标和方法。首先分析了电动车电机驱动系统的理想驱动特性和电机的工作特性，总结了用于电动车驱动电机的需求特性。采用有限元分析软件计算了 SRM 电磁特性，在此基础上，搭建了动态仿真模型。根据 SRM 的固有特性，总结了六个设计指标，并基于搭建的动态仿真模型对每个指标进行优化，分析得到四个敏感性结构参数。然后设计了多目标优化函数，根据设计指标值被敏感性结构参数影响程度，从大到小地优化电机结构参数。其中，优化函数的权重系数可根据应用场合的需求，采用相对重要性比例标度法确定。根据所提的设计方法制造了一台 SRM，搭建了电机测试平台，测试了电机的静态转矩特性、机械特性、容错性能以及温度特性。最后，比较了仿真和实验的设计指标值，验证了所提方法的正确性。
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2.2.1 电动车理想驱动特性
为了得到最优的车辆性能，车辆驱动系统应能提供一个驱动特性场，即所谓的供应特性场。驱动供应特性场受到三个极限条件的限制：(1)车轮与地面附着力的限制；(2)任一车速所能提供的最大功率的限制；(3)车辆最高转速的限制。由上述三个限制条件得出的车辆理想驱动特性场如图 2-3 所示。
图 2-4 为电机转矩/功率-转速特性，在基速 nb以下，为恒转矩区，转矩随着转速的增大保持不变；在基速 nb以上，为恒功率区，转矩随着转速的增大成反比例减小。其机械特性与图 2-3 所示的车辆理想的驱动特性场相似，因此电机作为车辆的驱动系统，可以采用固定减速比的传动方式，简化了机械传动装置。在设计电机驱动系统时，应尽可能使电机的机械特性涂满整个理想驱动特性场，从而提高电动车的动力性
2.2.2 电动车驱动电机需求特性
与工业用电机不同，电动车用电机需要频繁启停，低速大转矩有利于起动和爬坡；宽的恒功率调速范围可以减少电机额定需求功率；四象限运行实现电动车制动能量回馈；适应震动、高温、粉尘等恶劣环境的能力；振动、噪音小，满足车辆行驶时的舒适性。而工业用电机通常运行在额定工作点，电动车用电机与工业用电机的对比见表 2-1。
从表 2-1 可以看出，电动车用电机相比于工业用电机，在尺寸、工作环境、操作性能、可靠性、效率等方面都有特殊的要求，具体的需求特性总结如下[6, 153]：
1) 高功率密度和高转矩密度：可以减小驱动电机体积和质量，满足电动车有限空间的约束和轻量化的要求；2) 在较宽的工作转速和转矩范围内保持高效率：在现有电池技术瓶颈的情况下，可以提高电动车一次充电的续航里程；3) 宽的恒功率调速范围：可以减少电机额定功率的需求，从而减小电机体积和成本，同时，可满足低速起动和高速巡航的能力；4) 过载能力强：4~5 倍的过载能力，实现电动车起动和爬坡时的高动态性能；5) 容错能力强：在各种恶劣环境和工况下，具有高的鲁棒性和可靠性，保证乘客的人身安全；6) 低转矩脉动和噪音：提高加速的平滑性和驾驶的舒适性，减少对环境的噪音污染；7) 低成本：电动车的普及以及与传统汽车的竞争，需要降低电机驱动系统的成本。
开关磁阻电机结构简单、牢固；具有高的可靠性和鲁棒性；起动转矩大；宽的调速范围；在较宽的转速和转矩工作区内保持较高的效率；可以再生制动，回收能量；相比于感应电机通常有较高的电负荷和较低的磁负荷，转子上无绕组，因而转子无铜损，大部分损耗来自于定子有利于散热；相比于永磁电机，没有永磁体，成本低，没有去磁风险，能应用于恶劣环境中，因此很适用于电动车驱动系统。
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3.1 引言···························53
3.2 电动车开关磁阻电机新型功率变换器拓扑·······54
3.3 电动工作模式与控制策略··················56
4 电动车开关磁阻电机驱动系统控制策略 ·········· 76
4.1 引言····························76
4.2 电动状态转速闭环控制···············77
5 电动车开关磁阻电机四象限无位置传感器控制·········· 98
5.1 引言····························98
5.2 特殊位置磁链特性检测···················99
5 电动车开关磁阻电机四象限无位置传感器控制
SRM 驱动系统属于自同步电机系统，需要精确的转子位置信息实现高性能控制。位置传感器的安装增加了系统的成本和复杂性，同时也降低了驱动系统的可靠性。在电动车应用场合中，温度变化大(-40oC~105oC)，振动剧烈，粉尘与污水等恶劣环境极易损坏位置传感器。位置传感器的存在降低了 SRM 结构简单、牢固的优势，因此有必要研究用于电动车的 SRM 无位置传感器控制。双凸极结构和集中绕组使 SRM 有特殊的电感和磁链特性，该电磁特性中包含了转子位置信息[184]。SRM 系统中可直接测得的量主要有绕组电压、绕组电流、电流斜率、电流拐点、电流上升和下降时间。通过以上测得的量，可间接的计算出电机的电感或磁链；然后根据电感或磁链与转子位置和电流的关系，即可得到转子位置信息，这是实现 SRM 无位置控制的理论基础[185]。
基于以上理论基础，国内外学者提出了不同的 SRM 无位置控制方法。高频脉冲注入法通过向非导通相注入高频电压脉冲，比较电流幅值与阈值关系，可确定电感的大小和转子所处的区域[105]。该方法可实现电机的起动和低速运行，但受脉冲频率的限制，该方法不适合高速阶段。电流梯度法通过检测相电流拐点，确定转子与定子极重叠的起始位置，但该方法仅适用于在基速以上，控制方式单一，且限制了开关角调节范围[186]。调制法是基于通信系统中的调制技术，首先向非导通相注入检测信号，然后通过电子电路组成的解调器，解码响应电流的幅值或相位，从而得出转子位置信息[107, 187]，但该方法需增加硬件调制电路，并且仅适用于低速段。电感模型法首先建立绕组自感或增量式电感与转子位置和电流的傅立叶解析模型，然后带入开关磁阻电机绕组电压方程中构建恒等式，之后可采用数值求解法得到转子位置信息[127, 129]。该方法需要建立复杂的傅立叶模型，且不能实现电机起动。观测器法在线检测磁链并与参考磁链模型比较求出磁链误差，滑模观测器根据误差估计出转子位置和转速。该方法可得到连续的转子位置，且适用于较宽的转速[124, 188]，但需要精确的数学模型和较强的在线计算能力。智能控制算法，如神经网络和模糊逻辑法[189, 190]，利用自学习能力可以适应电机参数变化与外部扰动，但其结构复杂，且需要大量的离线训练和较强的实时计算能力。
本章首先分析了 SRM 的磁链特性，根据电机几何结构的对称特性测得了四个特殊位置的磁链-电流特性曲线。在起动阶段，向相绕组注入电压脉冲，检测响应磁链，通过与四个特殊位置的磁链-电流特性曲线比较，即可确定转子所处的区域。低速阶段，首先根据电机运行状态选择检测相和导通相；两相作为检测相，确定转子区域；一相作为导通相，控制电机运行。中高速阶段，在电动状态时，在线检测磁链与 7.5o 和 15o 位置的磁链-电流特性曲线的交点确定转子位置；在制动状态时，在线检测磁链与 30o 和 37.5o 位置的磁链-电流特性曲线的交点确定转子位置。所提方法实现了 SRM 零速起动和四象限运行的能力，并有较宽的调速范围，适应于不同的控制方式，如电流斩波控制、电压 PWM 控制、角度位置控制；同时，也避免了传统磁链法需要复杂的数学模型或较大的存储器空间[132,193]，因此，该方法具有较强的实用性和通用性。
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6 总结与展望
SRM 采用双凸极结构，结构简单，紧凑牢固；集中绕组的结构，很容易实现机器自动绕线，制作加工简单；转子上无绕组，可实现高速运行，且不需要考虑转子散热；特殊的功率变换器结构，不会出现功率变换器上下管直通现象，增加了系统的可靠性；电机可缺相运行，有很强的容错能力；在较宽的转矩-转速范围内有较高的驱动效率，以上特点使其非常适合作为电动车驱动电机。本文主要围绕着电动车用 SRM 设计指标和方法、电动车 SRM 新型功率变换器拓扑设计、电动车 SRM 驱动系统控制策略、四象限无位置传感器控制进行了研究，研究成果主要包括以下几个方面：
1) 分析了电动车电机驱动系统的特性要求，并结合 SRM 固有特性，提出了电动车用 SRM 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，转子转矩密度 ρ。利用有限元分析软件计算了SRM 电磁特性，并在 Matlab/Simulink 环境中搭建了 SRM 动态仿真模型。基于此模型分析了电机结构参数对每个设计指标的影响，总结出了四个敏感性结构参数：电机极数、绕组匝数、极弧宽度和气隙长度。根据电机结构参数对设计指标的影响程度，提出了采用多目标优化函数依次优化电机极数、绕组匝数、极弧宽度和气隙长度，其中函数的权重系数采用层次分析法中的判断矩阵来确定，最后给出了电动车用 SRM 的设计流程。
2) 为了提高电动车 SRM 驱动系统性能，提出了在传统的不对称半桥功率变换器前端增加双向 Boost-Buck 变换器，构成了一种可调母线电压的新型功率变换器拓扑。该功率变换器可实现电动车电动、制动和充电三种工作状态，以及电动状态和制动状态的平滑切换。当电动车工作在电动状态时，前端变换器工作在Boost 模式；在低速轻载时，降低母线电压可以降低开关频率、开关损耗和电流脉动；在高速重载时，高的母线电压可以减小换相时间以及反电动势的影响，增大驱动系统效率和转矩输出能力，因此母线电压应随着转速和负载的增大而增大。当电动车工作在制动状态时，前端变换器工作在 Buck 模式；通过检测母线电压实现电动状态到制动状态的自动切换；制动能量通过前端变换器给蓄电池充电；当制动能量过大时，可接通开关，使部分制动能量消耗在电阻中，防止对蓄电池造成损坏。当电动车工作在充电状态时，利用电机自身绕组和功率变换器组成车载充电器，不需要外接任何元件，同时该电路有功率校正(PFC)功能，降低了谐波含量，提高了充电时的功率因数。同时，采用两段式充电方式，即首先采用恒流充电方式，之后采用恒压进行浮充，提高充电速度。
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参考文献（略）
本文编号：34858
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/34858.html
