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设计和优化开关磁阻电动机扭矩控制器驱动的电动汽车的仿真
摘要
这篇文章展示了一个关于开关磁阻电动机驱动的优化控制器应用于电动汽车和混合动力电动车的研究,描述了通过模拟仿真所提出的优化方法。在优化过程中,提出和应用了8/6开关磁阻电动机驱动所取得的仿真结果。通过模拟仿真,评估和验证了优化控制器的性能。
介绍
在不久的将来,对于汽车应用我们将不得不用电动机来取代传统的内燃机。这一点不仅对限制燃气释放至关重要,同时也与稀缺的化石资源有关联。随着电动汽车和混合动力电动车的发展,这个过渡将由中间相来完成,现在应用于电动汽车和混合动力电动汽车的电动机是永磁同步电机。目前,电动机系列中的开关磁阻电动机极大地引发了对电动汽车的推进,电动汽车及混合动力电动汽车设计者发现了许多开关磁阻电动机益于应用的特点,尤其表现在坚固结构和容错操作方面。然而,开关磁阻电动机在开发转矩波动的相关问题时存在很大的缺点。为了使开关磁阻电动机驱动牵引获得良好的驱动性能,高性能的控制器需要在一个广速范围内减小转矩波动并增大平均转矩。
这篇文章展示了一个关于开关磁阻电动机驱动的优化控制器用于电动汽车和混合动力电动汽车的应用。首先通过对开关磁阻电动机基础特征的研究展示了推动系统所需要的特点,为了指明最优化方向,对影响驱动性能的主要方面进行了测试,特别是在机器结构和设计、转换器的配置和控制方案等方面。本次优化研究选择了包含电动机和转换器配置的独特开关磁阻电动机驱动非线性模型驱动程序,用于按照平均转矩和转矩波动的接通、断开角度和转子转速的函数来预测性能。仿真结果以多维表格的形式描述了控制器的性能。叠加生成的表为优化超速范围内的转矩性能提供了一个常规选择工具,对优化控制器被评估的性能和仿真结果进行展示和讨论。
8/6开关磁阻电动机驱动的描述
在研究了开关磁阻电动机产品设计间的区别及考虑开关磁阻电动机所提供的极性转换器的配置后,我们选择了8/6开关磁阻电动机,一种因其几何结构和非对称转换器而产生更少转矩波动的电动机。其结构及联合的转换器见图1。
图1.
图2.
图3
一个非常有吸引力的替代方法是使用总电流控制变频器的直流转换器自动调节机器的总电流。显然,这一配置在转换时使用了更少的电能,并且能在很大程度上减少转矩波动。该开关磁阻电动机驱动配置仿真采用开关磁阻电动机线型模型并且取得了令人鼓舞的结果。然而,对于一个真实的开关磁阻电动机,电动机的电流阶段必须单独控制。在其开始与结束的重叠阶段,必须允许生成光滑的扭矩。这就是我们选择如图1.b所示转换器的原因。因为电流在电动机阶段可以独立控制各阶段之间的交互影响,同时也能减少总体转矩波动。这个转换器也允许活跃能源回收返还通信能源电池,这一能源恢复方法对于期望将消耗最小化以扩大驱动范围的汽车应用至关重要。
在能量回路图中L1、L2、L3、L4自感线,描述了开关磁阻电动机的四个阶段曲线。在电动机阶段使用独立滞变控制器,半导体转换器可以控制个别电流。单向转动二极管口允许能源恢复。这个转换器允许能源恢复和总体电动机转扭图形的优化。
图2描述了预想的电流控制8/6开关磁阻电动机驱动的控制图。转子轴的位置编码器提供了转换器的同步驱动信号所需的位置信号,一个反馈信号处理器是用于生产速度信号ω和控制器转矩反馈信号Te的转子位置所估计的[1]:
是磁共能
图4.
为了提高执行速度,复杂函数预先计算和存储在一个查找表中。从接通和断开的角度来看,转换器也可以作为优化过程的控制输入。
开关磁阻电动机驱动的建模和仿真
3.1 开关磁阻电动机驱动建模
开关磁阻电动机驱动的模型对于扭矩性能的优化研究是必要的,图3显示了一个模型图表,对上文所描述的由电流控制的8/6开关磁阻电动机驱动模型进行了展示。
为了提供逼真的特质,在充分考虑电机的磁化特性后,采用非线性模型对开关磁阻电动机进行描述。如果开关磁阻电动机 的结构和大小是已知的,那么开关磁阻电动机的磁化可以通过测量或有限元分析获得。
在本文中,我们选择了7.5千瓦的8/6开关磁阻电动机,其特点在参考文献[10]中进行了强调和研究。
图3显示了8/6开关磁阻电动机的详细仿真软件模型,电机建模部分的电压方程和机械部件的运动方程。
转换器所提供的电压应用于机器的四个阶段,每个阶段的磁链计算公式是对整合相电压和的差进行积分:
图5
表1.
每分钟转速1300,电流为30安时,转矩波动率所对应的接通与断开角度
转子位置和磁链作为输入,查找表产生相应的电流。通过电流和转子的位置,每个阶
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