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原文传递开关磁阻轮毂电机驱动系统的研究

论文题名：	开关磁阻轮毂电机驱动系统的研究
关键词：	电动汽车;轮毂电机;驱动系统;动力源配置;底盘结构;开关磁阻;转矩闭环控制策略
摘要：	与单电机驱动电动汽车相比，轮毂电机驱动系统驱动的电动汽车在动力源配置、底盘结构和车辆操控性等方面有其独特的技术特征和优势，是电动汽车发展的一个独特方向。电机驱动系统是电动汽车的三大关键零部件之一，可供选用的电机型式多种多样，性能各有千秋。其中开关磁阻电机(SR电机)以其简单牢固的结构、优异的性能而成为优选方案之一，经过近20年的不断努力，在汽车应用领域已取得了一大批研究成果并投入实际应用，发挥了巨大的社会效益和经济效益。在此基础上开展开关磁阻电机轮毂驱动系统的研究已成为必然。全文共分为七部分：　　简要介绍了电动汽车的发展概况和关键技术，对关键技术之一的各种电机驱动系统进行了分析比较，详细介绍了SR电机驱动系统的最新发展水平和研究方向及其应用于电动汽车的优缺点。对轮毂电机电动汽车的优点进行了阐述，总结了国内外轮毂电机电动汽车的发展近况。　　通过对现代汽车控制理论和技术的简要综述，明确指出对汽车的控制实质上是控制轮胎与路面间的作用力(包含驱动力和制动力)，合理控制作用力能够实现先进的车辆控制技术，如驱动力控制(TCS)和稳定性控制(VSC)，使得驾驶员对车辆的控制更为灵活稳定，提高了车辆在各种路面条件下的行驶性能。轮毂电机型式的电动汽车上各驱动轮具有各自独立的电机驱动系统，轮毂电机驱动系统的研究目标应是实现驱动轮驱动力矩、制动力矩的闭环控制。　　在分析常用的SR电机转矩闭环控制策略的基础上，针对其中的不足之处，提出了基于磁链检测的转矩控制策略。采用多变量(相电流、开通角和熄弧角)控制技术，彻底消除了传统控制中由于控制模式切换引起的转矩不平顺性。采用变结构PID控制相电流实现转矩闭环控制；从减小相电流峰值、有效值，提高电机效率和功率器件利用率的角度对开通角进行了优化；从控制定转子对齐位置相电流值减轻电机振动噪声的角度对熄弧角进行了优化，并详尽阐述了基于磁链平衡实现熄弧角控制的方法，最后进行了MATLAB/Simulink仿真研究。　　对磁链检测的精度进行了深入研究。运用有限元分析软件ANSYS7.0，对SR电机内部磁场分布进行了仿真分析，分别计算出电机绕组和检测绕组磁链及其相对误差，分析了检测绕组的匝数以及布置方式对相对误差的影响，得出了具有普遍意义的布置原则。研究了相间互感的影响，分别对NSNSNS、NNNSSS两者连接方式的磁场分布和电感矩阵进行了分析计算并结合实验，得出采用NSNSNS连接方式，相间的影响相互一致，一相的磁链、电流数据可精确地代表其余两相，电机转矩估算将具有更高的精度和准确性。详细阐述了硬件积分器的各种误差源，并针对每一种误差源给出了误差的解析表达式，通过分析可知采用低噪声高精度运算放大器OP-27构建的积分器在SR电机的各种工况下均具有非常高的精度。　　采用对比分析的方法对SRG的基本工作原理和特性、转矩闭环控制策略中转矩估算、电流滞环控制以及开关角度控制进行了研究。提出了基于磁链平衡的控制方法。对SRG中可能出现的绕组电流失控问题进行了较为深入的分析，总结出了失控电流的变化规律，提出了具有针对性的控制措施。最后对转矩闭环控制策略进行了仿真计算，结果表明所采用的控制策略具有良好的动静态特性。　　构建了SR电机实验平台并进行了详尽的实验研究。设计并制作SR电机控制器，控制部分采用TI公司的DSP TMS320LF2407A并配合相应的外围元件，功率变换器采用非对称半桥电路，功率器件采用FUJI公司的IGBT 2MBI100-060L。为便于制动实验，研制了高频斩波负载装置，实现了发电电压的稳定和任意调节。设计了硬件积分器的校正电路。实验项目主要包括：电动(和制动)转矩-转速静态特性、电动(和制动)转矩阶跃响应动态特性、电动-制动间转换转矩阶跃响应特性。实验结果表明，采用本文提出的转矩控制策略，SR电机具有良好的转矩动静态特性。　　为了实现SR电机绕组电流或磁链的精确控制，必须提高SR电机功率变换器的工作频率以提高系统的动态响应速度。然而，较高的工作频率会引起严重的电磁干扰(EMI)和开关损耗从而导致系统整体效率降低。结合谐振开关(RS)、直流谐振环(RDCL)和脉冲宽度调制(PWM)的优点，提出了一种新型的软开关SR电机功率变换器，通过在非对称桥式电路的基础上增加一套换流电路，以此实现功率器件的软开关。在对变换器工作原理详细分析的基础上，导出了实现软开关的条件并给出了设计实例。仿真和实验研究证实了新型软开关SR电机变换器的可行性。
作者：	罗建武
专业：	电机与电器
导师：	詹琼华
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文