1 概述

1.1 課題研究背景與意義(Background and Significance of thisResearch)

近年來(lái)汽車工業(yè)飛速發(fā)展，根據(jù)美國(guó)汽車行業(yè)雜志 Wardsauto 的數(shù)據(jù)顯示，到 2011 年 8 月，世界汽車保有量約有 8 億輛，預(yù)計(jì)到 2030 年全球汽車保有量將突破20億輛[2]。國(guó)際汽車制造協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示，2009年中國(guó)的汽車產(chǎn)量增加了48%，達(dá)到了 1300 余萬(wàn)輛，，2010 年增長(zhǎng) 32%，達(dá)到了 1800 余萬(wàn)輛。據(jù)預(yù)測(cè)，中國(guó)的汽車普及率將由 2010 年的 5.9%上升到 2030 年的 26.7%，將成為汽車保有量最高的國(guó)家[3]。汽車工業(yè)的發(fā)展將帶來(lái)兩大問(wèn)題：石油資源消耗和環(huán)境污染。交通運(yùn)輸業(yè)占到了石油總消耗量的 61%，根據(jù)國(guó)際能源署的《2009 年世界能源報(bào)告》預(yù)測(cè)，交通運(yùn)輸業(yè)的能源消耗到 2020 年將增長(zhǎng) 50%，到 2030 年將增長(zhǎng) 80%，這將使得石油資源嚴(yán)重緊缺。內(nèi)燃機(jī)燃燒會(huì)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%顆粒污染物來(lái)自汽車尾氣排放，其中二氧化碳會(huì)造成溫室效應(yīng)；氮氧化物和二氧化硫是導(dǎo)致酸雨的罪魁禍?zhǔn)�；一氧化碳和碳�(xì)浠衔飼?huì)引起一系列健康問(wèn)題。在能源緊缺和環(huán)境污染的雙重壓力下，新能源電動(dòng)車因清潔、高效、低噪音等特點(diǎn)受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。為了推進(jìn)新能源汽車的發(fā)展，世界各國(guó)都積極制定鼓勵(lì)政策和發(fā)展規(guī)劃，表 1-1 給出了美國(guó)、日本、歐盟和我國(guó)近年來(lái)制定的相關(guān)政策[4]。從表中可以看出各國(guó)都在大力發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)，我國(guó)也抓住了這次發(fā)展機(jī)遇，提升自主創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)化交通跳躍式發(fā)展。

無(wú)論是混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車，還是燃料電池汽車，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)既是核心技術(shù)，也是共性技術(shù)。在我國(guó)新能源汽車“三縱三橫”的研發(fā)布局中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為“三橫”之一，是推進(jìn)電驅(qū)動(dòng)總成技術(shù)的研究重點(diǎn)[5]。電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)相比于普通工業(yè)電機(jī)有著以下特性需求：高的功率和轉(zhuǎn)矩密度；在較寬的工作區(qū)域內(nèi)保持高效率；具有寬的調(diào)速范圍，即包含恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和寬的恒功率區(qū)；在起動(dòng)或爬坡時(shí)能提供大轉(zhuǎn)矩輸出，即短時(shí)過(guò)載能力強(qiáng)；有高的可靠性和魯棒性，容錯(cuò)能力強(qiáng)；可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行和制動(dòng)能量回饋；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，噪音低；成本低[6]。SRM 的特性滿足上述多項(xiàng)要求，同時(shí)相比于其它類型電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、過(guò)載能力強(qiáng)、容錯(cuò)性能強(qiáng)、在較寬的工作區(qū)域有高的效率等優(yōu)點(diǎn)使其非常適用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)場(chǎng)合[7]。

在目前電動(dòng)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，與感應(yīng)電機(jī)和永磁電機(jī)相比，SRM 的應(yīng)用較少，這與 SRM 本身存在的一些問(wèn)題不無(wú)關(guān)系。由于固有的雙凸極結(jié)構(gòu)和脈沖勵(lì)磁，SRM 有較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪音，尤其在低速段，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)裝置產(chǎn)生共振，將嚴(yán)重影響驅(qū)動(dòng)性能[8]。功率變換器是 SRM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重要組成部分之一，固然 SRM 本體成本低，但需要特殊的驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，增大了功率變換器成本，從而使得整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本增加；對(duì)于電動(dòng)車來(lái)說(shuō)，存在電動(dòng)和制動(dòng)工作狀態(tài)，功率變換器還應(yīng)能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車不同的工作狀態(tài)以及不同工作狀態(tài)之間的平滑切換。SRM 是自同步電機(jī)，必須根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息實(shí)現(xiàn)換相，產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)矩。常用的位置傳感器有光電傳感器、霍爾傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器或光電編碼器。位置傳感器的存在增加了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本和體積，同時(shí)降低了 SRM 相對(duì)于其它類型電機(jī)本體簡(jiǎn)單牢固和容錯(cuò)能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。在電動(dòng)車這種高溫、多粉塵、強(qiáng)震動(dòng)的惡劣環(huán)境下，SRM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的無(wú)位置傳感器控制則顯得尤為重要。

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1.2 電動(dòng)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 (Motor Drive System forElectric Vehicles: State of the Art)

電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)種類繁多，按不同的方式有著不同的分類方法，其中一種分類方法如圖 1-1 所示，下面分別介紹四種常用的電機(jī)：直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)在電動(dòng)車中應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀[9-11]。

直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性與電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)需求特性匹配較好，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，電機(jī)結(jié)構(gòu)成熟，因此在電動(dòng)車領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用[12]。但滑環(huán)與碳刷的存在使電機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，并附帶產(chǎn)生電磁干擾，這對(duì)電氣化的新能源電動(dòng)車有著嚴(yán)重的影響；同時(shí)也增大了直流電機(jī)的體積，降低了系統(tǒng)可靠性和效率，限制了電機(jī)高速運(yùn)行能力，需要定期維護(hù)。隨著功率器件價(jià)格的降低和電機(jī)設(shè)計(jì)與控制技術(shù)的發(fā)展，直流電機(jī)在電動(dòng)車中的應(yīng)用逐漸減少。
感應(yīng)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、成本低、運(yùn)行可靠、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、技術(shù)成熟等特點(diǎn)，在歐美國(guó)家設(shè)計(jì)的電動(dòng)車上有著廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的出現(xiàn)，使得感應(yīng)電機(jī)的動(dòng)靜態(tài)性能超過(guò)了直流電機(jī)。但是，感應(yīng)電機(jī)相對(duì)于永磁電機(jī)而言，效率低、重量大、功率因數(shù)小，同時(shí)有著起動(dòng)轉(zhuǎn)矩低、起動(dòng)電流大和存在著臨界轉(zhuǎn)矩等缺點(diǎn)，因此限制了感應(yīng)電機(jī)在電動(dòng)車領(lǐng)域中的應(yīng)用。為了提高感應(yīng)電機(jī)在電動(dòng)車中的應(yīng)用，可以從感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手[13-14]。淺、寬的轉(zhuǎn)子槽有利于提高感應(yīng)電機(jī)的起動(dòng)性能；定子繞組采用多匝并聯(lián)涂漆線和淺的轉(zhuǎn)子槽可以減弱趨膚效應(yīng)；定子采用磁性槽鍥來(lái)約束諧波的影響；采用較多的定轉(zhuǎn)子槽，且轉(zhuǎn)子槽少于定子槽，來(lái)減小諧波的影響。為了提高異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)效率，控制方面則可以通過(guò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)電機(jī)磁鏈幅值和直接測(cè)量輸入的驅(qū)動(dòng)功率來(lái)達(dá)到最大的驅(qū)動(dòng)效率[15]；為了得到動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩情況下的最小損耗控制，通過(guò)優(yōu)化的指數(shù)磁鏈與預(yù)測(cè)控制方案，可以減小感應(yīng)電機(jī)在動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中損耗[16]。

由于永磁體的存在，永磁電機(jī)有著其它電機(jī)無(wú)可比擬的高效率、高轉(zhuǎn)矩密度、高功率因數(shù)的特性，這些特性在電動(dòng)車應(yīng)用中十分重要，因此永磁電機(jī)在國(guó)內(nèi)外新能源電動(dòng)車中有著廣泛的應(yīng)用。永磁電機(jī)根據(jù)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的波形可以分為無(wú)刷永磁直流電機(jī)和無(wú)刷永磁交流電機(jī)；根據(jù)磁路方向可以分為徑向永磁電機(jī)與軸向永磁電機(jī)；根據(jù)永磁體布置位置可以分為轉(zhuǎn)子永磁拓?fù)渑c定子永磁拓?fù)�；根�?jù)勵(lì)磁方式可以分為永磁體勵(lì)磁與混合勵(lì)磁電機(jī)[17]。不同的永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)有著不同的特性，根據(jù)電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)需求可以選擇不同的電機(jī)結(jié)構(gòu)。但是，由于永磁體的存在，無(wú)刷永磁電機(jī)也有固有的缺點(diǎn)。永磁體增加了電機(jī)弱磁控制的難度，限制了電機(jī)恒功率調(diào)速范圍；永磁體存在著不可逆去磁風(fēng)險(xiǎn)，限制了永磁電機(jī)在惡劣環(huán)境中的應(yīng)用；同時(shí)隨著時(shí)間的推移，永磁體存在退磁現(xiàn)象，將導(dǎo)致電機(jī)效率和性能下降。目前對(duì)永磁電機(jī)在電動(dòng)車中應(yīng)用的研究主要集中在提高電機(jī)效率、功率密度，降低齒槽轉(zhuǎn)矩，增強(qiáng)電機(jī)弱磁能力和降低永磁體的去磁風(fēng)險(xiǎn)等幾個(gè)方面。對(duì)應(yīng)用于車輛自重較大場(chǎng)合的低速大轉(zhuǎn)矩永磁輪轂電機(jī)，轉(zhuǎn)子應(yīng)為多極結(jié)構(gòu)；采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組結(jié)構(gòu)可以削弱諧波電動(dòng)勢(shì)的影響，提高端部空間利用率和降低齒槽轉(zhuǎn)矩；優(yōu)化轉(zhuǎn)子氣隙長(zhǎng)度與電氣角度的關(guān)系可以得到優(yōu)化的空載氣隙磁鏈密度，從而減小三次諧波增加基波幅值；通過(guò)改變電機(jī)繞組，優(yōu)化空載電磁力波形，提高電機(jī)的效率；通過(guò)優(yōu)化慈橋的長(zhǎng)和寬來(lái)減少漏磁，增加永磁體的利用率[18-19]。

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2 電動(dòng)車開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 引言(Introduction)
對(duì)于運(yùn)輸車輛來(lái)說(shuō)，動(dòng)力裝置的理想驅(qū)動(dòng)特性是在全速度范圍有著恒功率輸出的能力，其輸出轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性如圖 2-1(a)所示。然而傳統(tǒng)汽車的內(nèi)燃機(jī)工作特性與理想驅(qū)動(dòng)特性差距很大，如圖 2-1(b)所示，因此為了匹配理想驅(qū)動(dòng)特性，通常采用多級(jí)變速器。采用四級(jí)變速器改善后的內(nèi)燃機(jī)工作特性如圖 2-2 所示[137]。
設(shè)計(jì)滿足電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)性能需求的 SRM，是優(yōu)化控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的前提。文獻(xiàn)[140, 141]給出了 SRM 綜合的設(shè)計(jì)方法學(xué)，詳細(xì)分析了電機(jī)相數(shù)、極數(shù)、內(nèi)部尺寸、繞組匝數(shù)等對(duì)電機(jī)性能的影響。文獻(xiàn)[142]分析了電機(jī)相數(shù)與極數(shù)對(duì) SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪音的影響，同時(shí)采用 PC-SRD 計(jì)算機(jī)程序?qū)?SRM 磁鏈特性進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[143, 144]為電動(dòng)車設(shè)計(jì)了一臺(tái)高效率和高功率密度的 SRM，采用有限元分析優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，提高功率密度，并對(duì)電機(jī)的峰值過(guò)載能力、恒功率操作范圍、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音和溫度性能進(jìn)行測(cè)試。文獻(xiàn)[145-147]研究了不同的軟磁材料對(duì) SRM 效率與最大轉(zhuǎn)矩的影響，其中采用非晶態(tài)鐵心材料的電機(jī)效率最高，采用含硅量高的硅鋼片其次，采用含硅量低的硅鋼片效率最低；但由于其飽和磁通密度依次增大，電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生能力也依次遞增。文獻(xiàn)[148, 149]研究了定子繞組匝數(shù)對(duì) SRM 調(diào)速范圍、伏安容量和電機(jī)效率的影響。隨著繞組匝數(shù)的增多，電機(jī)伏安容量降低，同時(shí)高速時(shí)輸出功率降低，此時(shí)可采用連續(xù)導(dǎo)通模式增大電機(jī)功率輸出能力，但卻降低了電機(jī)的效率。近年來(lái)，一些學(xué)者在給定電機(jī)幾何尺寸約束的條件下，以轉(zhuǎn)矩密度或電機(jī)效率為優(yōu)化目標(biāo)，采用遺傳算法(GA)優(yōu)化SRM 的結(jié)構(gòu)參數(shù)[150-152]，但沒(méi)有文獻(xiàn)詳細(xì)研究電動(dòng)車用 SRM 的設(shè)計(jì)指標(biāo)和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

本章重點(diǎn)研究了電動(dòng)車用 SRM 的設(shè)計(jì)指標(biāo)和方法。首先分析了電動(dòng)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的理想驅(qū)動(dòng)特性和電機(jī)的工作特性，總結(jié)了用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的需求特性。采用有限元分析軟件計(jì)算了 SRM 電磁特性，在此基礎(chǔ)上，搭建了動(dòng)態(tài)仿真模型。根據(jù) SRM 的固有特性，總結(jié)了六個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)，并基于搭建的動(dòng)態(tài)仿真模型對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，分析得到四個(gè)敏感性結(jié)構(gòu)參數(shù)。然后設(shè)計(jì)了多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)值被敏感性結(jié)構(gòu)參數(shù)影響程度，從大到小地優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。其中，優(yōu)化函數(shù)的權(quán)重系數(shù)可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的需求，采用相對(duì)重要性比例標(biāo)度法確定。根據(jù)所提的設(shè)計(jì)方法制造了一臺(tái) SRM，搭建了電機(jī)測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試了電機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性、機(jī)械特性、容錯(cuò)性能以及溫度特性。最后，比較了仿真和實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)指標(biāo)值，驗(yàn)證了所提方法的正確性。

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2.2 電動(dòng)車?yán)硐腧?qū)動(dòng)特性與驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求特性 (Ideal DriveCharacteristic and Drive Motor Characteristic Requirements ofElectric Vehicles)
2.2.1 電動(dòng)車?yán)硐腧?qū)動(dòng)特性
為了得到最優(yōu)的車輛性能，車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)能提供一個(gè)驅(qū)動(dòng)特性場(chǎng)，即所謂的供應(yīng)特性場(chǎng)。驅(qū)動(dòng)供應(yīng)特性場(chǎng)受到三個(gè)極限條件的限制：(1)車輪與地面附著力的限制；(2)任一車速所能提供的最大功率的限制；(3)車輛最高轉(zhuǎn)速的限制。由上述三個(gè)限制條件得出的車輛理想驅(qū)動(dòng)特性場(chǎng)如圖 2-3 所示。
圖 2-4 為電機(jī)轉(zhuǎn)矩/功率-轉(zhuǎn)速特性，在基速 nb以下，為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的增大保持不變；在基速 nb以上，為恒功率區(qū)，轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的增大成反比例減小。其機(jī)械特性與圖 2-3 所示的車輛理想的驅(qū)動(dòng)特性場(chǎng)相似，因此電機(jī)作為車輛的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以采用固定減速比的傳動(dòng)方式，簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)裝置。在設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡可能使電機(jī)的機(jī)械特性涂滿整個(gè)理想驅(qū)動(dòng)特性場(chǎng)，從而提高電動(dòng)車的動(dòng)力性
2.2.2 電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)需求特性
與工業(yè)用電機(jī)不同，電動(dòng)車用電機(jī)需要頻繁啟停，低速大轉(zhuǎn)矩有利于起動(dòng)和爬坡；寬的恒功率調(diào)速范圍可以減少電機(jī)額定需求功率；四象限運(yùn)行實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車制動(dòng)能量回饋；適應(yīng)震動(dòng)、高溫、粉塵等惡劣環(huán)境的能力；振動(dòng)、噪音小，滿足車輛行駛時(shí)的舒適性。而工業(yè)用電機(jī)通常運(yùn)行在額定工作點(diǎn)，電動(dòng)車用電機(jī)與工業(yè)用電機(jī)的對(duì)比見(jiàn)表 2-1。
從表 2-1 可以看出，電動(dòng)車用電機(jī)相比于工業(yè)用電機(jī)，在尺寸、工作環(huán)境、操作性能、可靠性、效率等方面都有特殊的要求，具體的需求特性總結(jié)如下[6, 153]：
1) 高功率密度和高轉(zhuǎn)矩密度：可以減小驅(qū)動(dòng)電機(jī)體積和質(zhì)量，滿足電動(dòng)車有限空間的約束和輕量化的要求；2) 在較寬的工作轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)保持高效率：在現(xiàn)有電池技術(shù)瓶頸的情況下，可以提高電動(dòng)車一次充電的續(xù)航里程；3) 寬的恒功率調(diào)速范圍：可以減少電機(jī)額定功率的需求，從而減小電機(jī)體積和成本，同時(shí)，可滿足低速起動(dòng)和高速巡航的能力；4) 過(guò)載能力強(qiáng)：4~5 倍的過(guò)載能力，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車起動(dòng)和爬坡時(shí)的高動(dòng)態(tài)性能；5) 容錯(cuò)能力強(qiáng)：在各種惡劣環(huán)境和工況下，具有高的魯棒性和可靠性，保證乘客的人身安全；6) 低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪音：提高加速的平滑性和駕駛的舒適性，減少對(duì)環(huán)境的噪音污染；7) 低成本：電動(dòng)車的普及以及與傳統(tǒng)汽車的競(jìng)爭(zhēng)，需要降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本。

開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固；具有高的可靠性和魯棒性；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大；寬的調(diào)速范圍；在較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩工作區(qū)內(nèi)保持較高的效率；可以再生制動(dòng)，回收能量；相比于感應(yīng)電機(jī)通常有較高的電負(fù)荷和較低的磁負(fù)荷，轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組，因而轉(zhuǎn)子無(wú)銅損，大部分損耗來(lái)自于定子有利于散熱；相比于永磁電機(jī)，沒(méi)有永磁體，成本低，沒(méi)有去磁風(fēng)險(xiǎn)，能應(yīng)用于惡劣環(huán)境中，因此很適用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

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3 電動(dòng)車開關(guān)磁阻電機(jī)新型功率變換器拓?fù)湓O(shè)計(jì)與控制 ··· 53
3.1 引言···························53
3.2 電動(dòng)車開關(guān)磁阻電機(jī)新型功率變換器拓?fù)洹ぁぁぁぁぁぁ?4
3.3 電動(dòng)工作模式與控制策略··················56
4 電動(dòng)車開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略 ·········· 76
4.1 引言····························76
4.2 電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制···············77
5 電動(dòng)車開關(guān)磁阻電機(jī)四象限無(wú)位置傳感器控制·········· 98
5.1 引言····························98

5.2 特殊位置磁鏈特性檢測(cè)···················99

5 電動(dòng)車開關(guān)磁阻電機(jī)四象限無(wú)位置傳感器控制

5.1 引言(Introduction)
SRM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)屬于自同步電機(jī)系統(tǒng)，需要精確的轉(zhuǎn)子位置信息實(shí)現(xiàn)高性能控制。位置傳感器的安裝增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，同時(shí)也降低了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。在電動(dòng)車應(yīng)用場(chǎng)合中，溫度變化大(-40oC~105oC)，振動(dòng)劇烈，粉塵與污水等惡劣環(huán)境極易損壞位置傳感器。位置傳感器的存在降低了 SRM 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固的優(yōu)勢(shì)，因此有必要研究用于電動(dòng)車的 SRM 無(wú)位置傳感器控制。雙凸極結(jié)構(gòu)和集中繞組使 SRM 有特殊的電感和磁鏈特性，該電磁特性中包含了轉(zhuǎn)子位置信息[184]。SRM 系統(tǒng)中可直接測(cè)得的量主要有繞組電壓、繞組電流、電流斜率、電流拐點(diǎn)、電流上升和下降時(shí)間。通過(guò)以上測(cè)得的量，可間接的計(jì)算出電機(jī)的電感或磁鏈；然后根據(jù)電感或磁鏈與轉(zhuǎn)子位置和電流的關(guān)系，即可得到轉(zhuǎn)子位置信息，這是實(shí)現(xiàn) SRM 無(wú)位置控制的理論基礎(chǔ)[185]。
基于以上理論基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了不同的 SRM 無(wú)位置控制方法。高頻脈沖注入法通過(guò)向非導(dǎo)通相注入高頻電壓脈沖，比較電流幅值與閾值關(guān)系，可確定電感的大小和轉(zhuǎn)子所處的區(qū)域[105]。該方法可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的起動(dòng)和低速運(yùn)行，但受脈沖頻率的限制，該方法不適合高速階段。電流梯度法通過(guò)檢測(cè)相電流拐點(diǎn)，確定轉(zhuǎn)子與定子極重疊的起始位置，但該方法僅適用于在基速以上，控制方式單一，且限制了開關(guān)角調(diào)節(jié)范圍[186]。調(diào)制法是基于通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)，首先向非導(dǎo)通相注入檢測(cè)信號(hào)，然后通過(guò)電子電路組成的解調(diào)器，解碼響應(yīng)電流的幅值或相位，從而得出轉(zhuǎn)子位置信息[107, 187]，但該方法需增加硬件調(diào)制電路，并且僅適用于低速段。電感模型法首先建立繞組自感或增量式電感與轉(zhuǎn)子位置和電流的傅立葉解析模型，然后帶入開關(guān)磁阻電機(jī)繞組電壓方程中構(gòu)建恒等式，之后可采用數(shù)值求解法得到轉(zhuǎn)子位置信息[127, 129]。該方法需要建立復(fù)雜的傅立葉模型，且不能實(shí)現(xiàn)電機(jī)起動(dòng)。觀測(cè)器法在線檢測(cè)磁鏈并與參考磁鏈模型比較求出磁鏈誤差，滑模觀測(cè)器根據(jù)誤差估計(jì)出轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。該方法可得到連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置，且適用于較寬的轉(zhuǎn)速[124, 188]，但需要精確的數(shù)學(xué)模型和較強(qiáng)的在線計(jì)算能力。智能控制算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯法[189, 190]，利用自學(xué)習(xí)能力可以適應(yīng)電機(jī)參數(shù)變化與外部擾動(dòng)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且需要大量的離線訓(xùn)練和較強(qiáng)的實(shí)時(shí)計(jì)算能力。

本章首先分析了 SRM 的磁鏈特性，根據(jù)電機(jī)幾何結(jié)構(gòu)的對(duì)稱特性測(cè)得了四個(gè)特殊位置的磁鏈-電流特性曲線。在起動(dòng)階段，向相繞組注入電壓脈沖，檢測(cè)響應(yīng)磁鏈，通過(guò)與四個(gè)特殊位置的磁鏈-電流特性曲線比較，即可確定轉(zhuǎn)子所處的區(qū)域。低速階段，首先根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)選擇檢測(cè)相和導(dǎo)通相；兩相作為檢測(cè)相，確定轉(zhuǎn)子區(qū)域；一相作為導(dǎo)通相，控制電機(jī)運(yùn)行。中高速階段，在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在線檢測(cè)磁鏈與 7.5o 和 15o 位置的磁鏈-電流特性曲線的交點(diǎn)確定轉(zhuǎn)子位置；在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在線檢測(cè)磁鏈與 30o 和 37.5o 位置的磁鏈-電流特性曲線的交點(diǎn)確定轉(zhuǎn)子位置。所提方法實(shí)現(xiàn)了 SRM 零速起動(dòng)和四象限運(yùn)行的能力，并有較寬的調(diào)速范圍，適應(yīng)于不同的控制方式，如電流斬波控制、電壓 PWM 控制、角度位置控制；同時(shí)，也避免了傳統(tǒng)磁鏈法需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型或較大的存儲(chǔ)器空間[132,193]，因此，該方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性和通用性。

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6 總結(jié)與展望

6.1 本文總結(jié)(Conclusions)
SRM 采用雙凸極結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊牢固；集中繞組的結(jié)構(gòu)，很容易實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動(dòng)繞線，制作加工簡(jiǎn)單；轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組，可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行，且不需要考慮轉(zhuǎn)子散熱；特殊的功率變換器結(jié)構(gòu)，不會(huì)出現(xiàn)功率變換器上下管直通現(xiàn)象，增加了系統(tǒng)的可靠性；電機(jī)可缺相運(yùn)行，有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力；在較寬的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有較高的驅(qū)動(dòng)效率，以上特點(diǎn)使其非常適合作為電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本文主要圍繞著電動(dòng)車用 SRM 設(shè)計(jì)指標(biāo)和方法、電動(dòng)車 SRM 新型功率變換器拓?fù)湓O(shè)計(jì)、電動(dòng)車 SRM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略、四象限無(wú)位置傳感器控制進(jìn)行了研究，研究成果主要包括以下幾個(gè)方面：
1) 分析了電動(dòng)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特性要求，并結(jié)合 SRM 固有特性，提出了電動(dòng)車用 SRM 六個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)：轉(zhuǎn)速因數(shù) υ，轉(zhuǎn)矩銅損比率 η，過(guò)載轉(zhuǎn)矩系數(shù) ζ，轉(zhuǎn)矩平滑系數(shù) τ，伏安利用率 f，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩密度 ρ。利用有限元分析軟件計(jì)算了SRM 電磁特性，并在 Matlab/Simulink 環(huán)境中搭建了 SRM 動(dòng)態(tài)仿真模型�；诖四Ｐ头治隽穗姍C(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響，總結(jié)出了四個(gè)敏感性結(jié)構(gòu)參數(shù)：電機(jī)極數(shù)、繞組匝數(shù)、極弧寬度和氣隙長(zhǎng)度。根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響程度，提出了采用多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)依次優(yōu)化電機(jī)極數(shù)、繞組匝數(shù)、極弧寬度和氣隙長(zhǎng)度，其中函數(shù)的權(quán)重系數(shù)采用層次分析法中的判斷矩陣來(lái)確定，最后給出了電動(dòng)車用 SRM 的設(shè)計(jì)流程。
2) 為了提高電動(dòng)車 SRM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能，提出了在傳統(tǒng)的不對(duì)稱半橋功率變換器前端增加雙向 Boost-Buck 變換器，構(gòu)成了一種可調(diào)母線電壓的新型功率變換器拓?fù)�。該功率變換器可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車電動(dòng)、制動(dòng)和充電三種工作狀態(tài)，以及電動(dòng)狀態(tài)和制動(dòng)狀態(tài)的平滑切換。當(dāng)電動(dòng)車工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，前端變換器工作在Boost 模式；在低速輕載時(shí)，降低母線電壓可以降低開關(guān)頻率、開關(guān)損耗和電流脈動(dòng)；在高速重載時(shí)，高的母線電壓可以減小換相時(shí)間以及反電動(dòng)勢(shì)的影響，增大驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率和轉(zhuǎn)矩輸出能力，因此母線電壓應(yīng)隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)載的增大而增大。當(dāng)電動(dòng)車工作在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，前端變換器工作在 Buck 模式；通過(guò)檢測(cè)母線電壓實(shí)現(xiàn)電動(dòng)狀態(tài)到制動(dòng)狀態(tài)的自動(dòng)切換；制動(dòng)能量通過(guò)前端變換器給蓄電池充電；當(dāng)制動(dòng)能量過(guò)大時(shí)，可接通開關(guān)，使部分制動(dòng)能量消耗在電阻中，防止對(duì)蓄電池造成損壞。當(dāng)電動(dòng)車工作在充電狀態(tài)時(shí)，利用電機(jī)自身繞組和功率變換器組成車載充電器，不需要外接任何元件，同時(shí)該電路有功率校正(PFC)功能，降低了諧波含量，提高了充電時(shí)的功率因數(shù)。同時(shí)，采用兩段式充電方式，即首先采用恒流充電方式，之后采用恒壓進(jìn)行浮充，提高充電速度。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：34858