srm在電動汽車上的應用以及優(yōu)化措施

1、<p>　　SRM在電動汽車上的應用以及優(yōu)化措施</p><p>　　摘要：隨著能源短缺和環(huán)境污染問題日益突出，電動汽車以其高效率、零排放等顯著優(yōu)點，成為世界著名汽車制造商和研究機構的研究熱點之一。筆者結合自身工作經驗和所學知識，對電動汽車用開關磁阻電動機（簡稱SRM）提出了優(yōu)化設計與轉矩脈動控制措施。理論建模仿真和樣機實驗表明，該電機在低壓大電流的工作條件下，具有動態(tài)性能好、起動轉矩大等優(yōu)點，僅供同行

2、參考。 </p><p>　　關鍵詞：開關磁阻電動機；轉矩脈動控制；電動汽車 </p><p>　　中圖分類號：F407.471 文獻標識碼：A 文章編號： </p><p>　　由于電動汽車存在頻繁起動、加速、巡航、減速和爬坡等運行工況，這些對電動汽車的電機及其控制系統，特別是低壓起動性能提出了更高的要求。開關磁阻電動機(以下簡稱SRM)具有結構簡單、低壓起動性能

3、好、調速范圍寬，而且在整個調速范圍內都具有效率較高、維護成本低、系統可靠性高等優(yōu)點，但較大的轉矩脈動抑制了它在低速領域中的應用。為減小開關磁阻電動機的轉矩脈動和噪聲，筆者就如何使開關磁阻電動機系統起動電流小、轉矩脈動小、調速范圍寬、轉矩大、效率高，做出如下探討。 </p><p>　　一、開關磁阻電動機工作原理 </p><p>　　開關磁阻電動機為雙凸極結構，定子上有集中繞組，每相對的兩

4、極為一相，轉子上無繞組也無永磁體，電機整體結構簡單，如圖1所示。電機運行遵循磁阻最小原理，當一相繞組通電時，與此定子凸極非對齊位置的轉子凸極會因為磁拉力的作用運轉到對齊位置。各相依次通電，即可實現電動運行，改變各相通電順序，可改變電機運轉方向。 </p><p>　　圖1 開關磁阻電動機結構 </p><p>　　二、開關磁阻電動機結構參數的優(yōu)化設計 </p><p&g

5、t;　　2．1 SRM結構參數 </p><p>　　SRM的工作原理與機構不同于傳統的電動機，設計時不能簡單照搬傳統電動機設計中所運用的公式和方法。目前，通過采用不同的簡化模型，得到不同的電磁轉矩計算方法，形成線性方法、非線性方法、準非線性方法三類不同的設計方法。本文采用準非線性方法進行設計，利用盡可能精確地最大電感位置和最小電感位置的磁化曲線等來計算平均轉矩的方法作為出發(fā)點，建立其電磁設計方法，這種方法計算結

6、果更準確，考慮到對SRM性能影響較大的結構參數主要有定子外徑、轉子外徑、氣隙大小、鐵心長度和定子、轉子的相對極弧寬度，而且定、轉子幾何尺寸對轉矩脈動和噪聲有重要的影響。所以要從優(yōu)化定子結構、優(yōu)化轉子結構和尺寸、優(yōu)化極弧這三個方面來對電機進行設計。在滿足電動汽車動力需求的同時，得到最佳的電機性能。 </p><p>　　SRM采用6／4結構，電源電壓選用48V直流電，經優(yōu)化分析得到優(yōu)化后電機的主要結構參數，見下表1

7、。 </p><p>　　表1 SRM主要參數 </p><p>　　2．2 SRM性能分析與優(yōu)化 </p><p>　　由于SRM磁路的嚴重非線性，各物理量與轉子位置、電流之問是非線性關系，這給模擬電機的實際運行狀態(tài)帶來不便，而有限元能夠考慮到磁路的不規(guī)則性，計算精度較高。本文假設所有導線電流密度均勻分布，忽略位移電流，且鐵心磁導率各向同性，對SRM進行瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)

8、的有限元分析，這使得仿真結果更加接近電機實際運行的狀況，更為精確地反映了電機的整體性能。圖2為轉子凸極軸線與定子凸極軸線重合時磁場分布情況，此時相繞組的電感值最大；在轉子極間中心線線與定子磁極軸線重合時，相繞組電感值最小，電機轉動時，相繞組電感在最小和最大值之間周期性變化。依據不同時刻電感值不同，可對電機的輸出性能進行控制。 </p><p>　　圖2 對齊位置磁場分布 </p><p>

9、　　SRM的繞組磁鏈曲線簇見圖3所示。曲線從下往上對應的是0°、30°、4O°、50°～180°位置角下激磁繞組磁鏈與之相應的激磁電流的關系曲線圖，變化趨勢表明磁鏈隨電流的增加而增大，最后達到飽和狀態(tài)。由此可得到特定電流在不同位置時的磁鏈大小，為構建驅動控制提供了依據。 </p><p>　　圖3 SRM 繞組磁鏈的曲線族 </p><p>

10、;　　SRM優(yōu)化前后瞬態(tài)效率曲線見圖4。在1000～4000r／min轉速階段，電機的效率均在85％以上，優(yōu)化后在額定轉速附近效率均在90％以上，電機效率較高；這不僅使電動汽車運行在非額定狀態(tài)滿足起動加速、低速爬坡及高速運行的需要，還能夠實現能量的有效利用。 </p><p>　　圖4 SRM效率曲線 </p><p>　　SRM優(yōu)化前后運行在1850r／min時穩(wěn)態(tài)轉矩出力曲線見圖5。平

11、均轉矩在16N·m左右，優(yōu)化前電機轉矩脈動系數為0．65，優(yōu)化后轉矩脈動系數為0．32，轉矩脈動明顯減小。這既能完全滿足負載需要，又可使電動汽車運行平穩(wěn)，提高了安全性能。 </p><p>　　圖5 SRM 轉矩曲線 </p><p><b>　　三、驅動系統建模 </b></p><p>　　為了更進一步分析電動汽車不同工況下的電機

12、性能，減小轉矩脈動。本文在MATLAB／Simulink模塊對電機的控制系統進行建模，以提高控制策略的靈活性。模型主要包括：功率變換器模塊、速度PI調節(jié)模塊、電機本體模塊、電流滯環(huán)和位置檢測模塊等，其中電機本體模塊參數部分是經有限元計算分析得到的結果。PI調節(jié)模塊中指的是，PI控制器中P(比例)的參數；為PI控制器中I(積分)的參數，經幾組數據對比得，調節(jié)器的最終參數設置為：=1.5，=0.015。 </p><p&

13、gt;　　SRM采用雙閉環(huán)調速系統，即速度閉環(huán)和電流閉環(huán)，轉速反饋調節(jié)當作外環(huán)，用來保證SRM的轉速快速準確跟隨設定轉速，同時電流反饋當為內環(huán)，即將轉速PI調節(jié)的輸出值作為電流PI調節(jié)的輸入，然后用電流PI調節(jié)的輸出對功率變換器實行控制，這就實現了轉速一電流雙閉環(huán)調速。電機起動或低速運行時，電流閉環(huán)起主要作用，采用的電流斬波控制方式不僅可以抑制電流峰值不超過允許值，還能使電流波形呈較寬的平頂狀，確保電機產生平穩(wěn)的電磁轉矩，提高電動汽車運

14、行性能；速度閉環(huán)可以達到無靜差的轉速調節(jié)，同時為電流閉環(huán)的調節(jié)提供有效的數據，從而實現電動汽車速度的快響應。 </p><p><b>　　四、動態(tài)仿真結果 </b></p><p>　　電源電壓采用48 V的直流電。若系統給定轉速為800r／min，同時給定負載為12 N·m、開通角為38°、關斷角為75°，起始角度為28°，

15、閾值電流為85A，滯環(huán)電流為5A，仿真結果如圖6所示。從圖6可看出：系統在中低速的運行時，起動過程轉矩最大值為51．4 N·m，轉矩脈動系數為0．42，且由速度曲線的變化可知，起動過程比較平穩(wěn)且電流斬波起到限幅作用，經PI調節(jié)后，可達到無偏差調節(jié)，響應速度較快，電機運行到穩(wěn)定狀態(tài)時轉速能夠到達設定速度800r／min。 </p><p>　　圖6 =38°，=75°仿真波形 <

16、/p><p>　　仿真結果表明，通過優(yōu)化開通與關斷角，能達到減小電機的轉矩脈動目的，提高電動汽車的動力性能與乘車舒適性。相同的負載轉矩下采用優(yōu)化的開通與關斷角，穩(wěn)態(tài)運行時不僅可減少轉矩脈動，還能提高系統的響應速度。 </p><p>　　圖7是直接轉矩控制與電流斬波控制的磁鏈軌跡。從圖中可看出，直接轉矩控制的磁鏈軌跡(圖7a)是一個圓形，幅值基本恒定，被限定在滯環(huán)內，遠遠好于電流斬波控制的磁鏈

17、軌跡(圖7b)。 </p><p>　?。╝）直接轉矩控制 （b）電流折波控制 </p><p><b>　　圖7 磁鏈軌跡 </b></p><p>　　由此仿真結果可知，直接轉矩控制能把磁鏈很好地控制在滯環(huán)內，磁鏈軌跡為一圓形，這種圓形磁鏈軌跡的控制能降低脈動，而且還能降低電機損耗，整體控制效果明顯好于電流斬波控制，適合于電動汽車有限能量的

18、情況。電動汽車對轉矩的要求是開環(huán)系統，直接轉矩控制很好地滿足了這一要求，直接給定控制轉矩并把轉矩脈動控制在較小的范圍內，滿足具有高性能電子系統的電動汽車要求，而且消除了在低速時劇烈的震動對電動汽車的影響。 </p><p><b>　　五、結語 </b></p><p>　　本文通過有限元設計分析和動態(tài)仿真相結合，在低壓大電流的狀態(tài)下，對電動汽車用SRM進行了分析，在

19、控制策略上采用雙閉環(huán)調速系統：速度環(huán)采用PI控制、電流環(huán)采用角位置控制，以及磁鏈軌跡采用直接轉矩控制，有效減小了電機的轉矩脈動。仿真結果證明了所設計電機具有良好的調速性能，電機運行穩(wěn)定，具有較強的爬坡能力，滿足電動汽車各種工況的要求。以上對SRM優(yōu)化設計方法，為今后SRM在電動汽車行業(yè)的應用，提供了借鑒，具有重大的理論和實踐意義。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p

20、><p>　　[1]王宏華．開關磁阻電動機調速控制技術[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1999：3-4． </p><p>　　[2]陳麗莉．開關磁阻電機直接轉矩控制策略的研究[D]．長沙：中南大學，2008． </p><p>　　[3]朱日瑩，王大方等．電動車用開關磁阻電機轉矩控制器設計與優(yōu)化[J]．電機與控制學報，2010，14(2)：47-52． </p&g