电动汽车用开关磁阻电机瞬时转矩控制系统研究 |
| 2012-11-15 18:26 作者：汪志义 潘忠德 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网11月15日文】据《硅谷》杂志2012年第17期刊文称，介绍开关磁阻电机（SRM）作为电动汽车驱动电机的优势和潜力；根据电动汽车的行驶工况要求和电机自身的转矩特性，设计基于转矩分配策略的车用开关磁阻电机直接瞬时转矩控制（DITC）系统；并基于所设计的控制策略，在matlab/simulink软件中搭建控制系统仿真模型。仿真结果表明，所制定的控制策略改善开关磁阻电机的转矩脉动，使SRM能够满足电动汽车对动力性、系统响应以及乘坐舒适性的要求。
0序言
开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor，简称SRM）具有良好的启动加速性能和较高的效率，可以灵活实现电动和再生制动模式的转换[1]，作为电动汽车驱动电机具有很大的潜力。但SRM本身具有较严重的非线性引起的转矩脉动影响了电动汽车的性能，如何抑制SRM转矩脉动成为当前SRM的研究热点。
直接瞬时转矩控制（DirectInstantaneousTorqueControl，简称DITC）方法在SRM的转矩脉动抑制中有较好的效果，DITC系统根据预设的转矩分配函数（TorqueShareFunction，简称TSF）得到电机的各相参考转矩[2]，再通过转矩滞环[3]控制方法来限制电机相转矩的变化，从而调整瞬时输出转矩的大小。
本文在现有研究的基础上，根据电动汽车的行驶工况要求和电机自身的转矩特性，设计了车用SRM的DITC系统；并在matlab/simulink软件中搭建了所设计的控制系统仿真模型。仿真结果表明，所设计的控制系统改善了SRM的转矩脉动，使之能够满足电动汽车对动力性、系统响应以及乘坐舒适性的要求。
1车用SRM的DITC系统
1.1DITC系统的结构
电动汽车为了能够适应不同的负载以及不同的路况，电机的输出转矩应当成为控制的目标。DITC系统实现了瞬时输出转矩的闭环控制，系统结构如图1所示。图中，转速控制单元根据需求转速信号nref和电机的当前转速信号n得到期望转矩Tref；转矩分配单元将Tref分配为电机每相的期望转矩Tkref，k=0、1、2……m，m为电机的总相数；转矩估算单元根据瞬时的转子位置θ和相电流信号ik得到各相的瞬时转矩信号Tk；Tkref和Tk的差值经过转矩滞环单元产生相开关信号施加给功率变换单元来调整电机的运转状态。
图1DITC系统结构图
1.2转矩分配单元
转矩分配单元中预设了固定形状的转矩分配函数，以总的期望转矩Tref和实时的转子位置θ为输入，经过预设的TSF计算分配之后得出当前各相的需求转矩。
常用的TSF主要有余弦、直线两种类型，研究结果[4]表明，余弦型TSF能够较好的限制低速区转矩上升过快，本文遂选取余弦型TSF作为预设。定义第k相的转矩分配函数为fk(θ)，函数的表达式如下：
（1）
式中：θ为电机转子位置；θon和θoff为电机的开通角和关断角；θov为两相同时导通区间转子转过的角度[5]，分配函数的曲线如图3所示。
图2余弦型分配函数曲线
可将电机每相转矩的建立可以分为以下几个阶段：①当θon≤θ≤θon+θov和θoff≤θ≤θoff+θov时，按照函数分配比例分配上升和下降阶段的相参考转矩；②当θon+θov≤θ≤θoff时，单相导通区间，相参考转矩等于总的参考转矩；③其他转子位置，相参考转矩为0。根据转矩分配函数和总的期望转矩可求出各相的期望转矩：
Tkref=Tref*fk(θ)（2）
1.3转矩估算单元
SRM瞬时转矩的估算单元是DITC系统中很重要的一个单元，它直接影响了转矩控制的精度。通常根据离线状态电机的相电流和转子位置信号计算出特定位置的瞬时转矩大小，并使用查表法得到任意转子位置瞬时转矩。
SRM的瞬时转矩可以通过磁链特性，利用测得的相电流与转子位置角度得到由公式，如式（3）[1]所示：
（3）
式中：Te为电磁转矩，W`为磁共能，Ψk为第k相绕组的磁链。
2系统仿真与分析
在matlab/simulink中建立了基于上述策略的开关磁阻电机控制系统模型，采用三相6/4极SRM作为控制对象，电机额定功率为4KW，额定转速为1500r/min。
给定电机20N•m的负载，电机由静止启动至额定转速稳定运行，响应结果如下：
图3所示为开关磁阻电机在所述工况下的转速响应，可以看出，启动阶段SRM转速响应迅速且平稳，在额定转速附近能平稳的过渡并稳定运行于额定转速下。
图3SRM转速响应
图4所示为SRM启动阶段的合成转矩、相转矩和相电流的波形，可以看出SRM低速大转矩的良好性能，而且相转矩能够很大程度上按照TSF所描述的轨迹建立，使输出转矩平滑，保证电动汽车具有良好的低速和加速性能。
图4启动阶段DITC系统仿真结果
图5所示为SRM稳定于额定转速时合成转矩、相转矩和相电流的波形，可以得出结论，所设计的控制系统能够很好的保证开关磁阻电机的高速运行性能，在满足电机转矩需求，保证电机出力的同时使转矩输出尽量平滑，转矩脉动有很好的改善，使电动汽车具有很好的高速巡航性能。
图5额定转速下DITC系统仿真结果
3结论
本文充分考虑了电动汽车对驱动电机的要求，根据电动汽车的行驶工况要求和电机自身的转矩特性，设计了基于转矩分配策略的车用开关磁阻电机直接瞬时转矩控制（DITC）系统。仿真结果表明，所设计的控制系统响应快，加速性能好，实现了转矩闭环控制，鲁棒性好，使电机能够平稳的切换于恒转矩与恒功率区，能够适应不同的负载以及不同的路况。且改善了开关磁阻电机的转矩脉动现象，使SRM能够满足电动汽车对动力性、系统响应以及乘坐舒适性的要求。
作者简介：
汪志义，男，安徽人，安徽全柴动力股份有限公司，研究方向：新能源动力，内燃机结构强度。
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