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混合动力汽车的电机选型与调速仿真摘要:电机驱动系统是混合动力电动汽车(HEV)中的主要组成部分。研究开发体积小、重量轻、工作可靠、动态响应好的电机，对混合动力电动汽车进一步提高动力性和经济性极为重要。目前国内外比较重视BLDCM和SRM控制系统在混合动力电动汽车中的应用，随着计算机技术、电力电子技术和控制理论的发展，为了提高电机驱动系统的稳态、动态性能，智能控制、自适应、滑模变结构控制在电机控制系统应用的研究，引起国内外学者的广泛关注。本文主要运用MATLAB-SIMULINK软件中的交流电机库对电动汽车用的交流电动机的调速系统进行仿真，由仿真结果图直接认识交流系统的机械特性。重点对三相交流调压调速系统进行仿真研究，认识PID调节器参数的改变对系统性能的影响，认识该系统动态及静态性能的优劣及适用环境。1.前言在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点[1][2]。而交流调速系统凭着其绝对的优势，最终必将取代直流调速系统[3]。交流电动机的调速系统不但性能同直流电动机的性能一样，而且成本和维护费用比直流电动机系统更低，可靠性更高[4]。到目前为止，日本除了个别的地方还继续采用直流电机外，几乎所有的调速系统都采用变频装置[6][7]。计算机仿真技术在交流调速系统的应用，使得对交流调速的性能分析和研究变的更为方便。传统的计算机仿真软件包用微分方程和差分方程建模，其直观性、灵活性差，编程量大，操作不便。随着一些大型的高性能的计算机仿真软件的出现，实现交流调速系统的实时仿真可以较容易地实现[8]。如：matlab软件已经能够在计算机中全过程地仿真交流调速系统的整个过程。matlab语言非常适合于交流调速领域内的仿真及研究，能够为某些问题的解决带来极大的方便并能显著提高工作效率。随着新型计算机仿真软件的出现，交流调速技术必将在成本控制、工作效率、实时监控等方面得到长足进步[9-12]。因此可以利用该软件对电动汽车的交流电机进行系统的动态性能仿真，为其选型及控制做好铺垫。2.电机调速原理与特性2.1交流电机调速原理与分类交流电机包括异步电动机和同步电动机两大类。对交流异步电动机而言，其转速为：（2-1）从转速公式可知改变电动机的极对数，改变定子供电功率以及改变转率都可达到调速的目的。对同步电动机而言，同步电动机转速为：（2-2）由于实际使用中同步电动机的极对数是固定的，因此只有采用变压变频（VVVF）调速，即通常说的变频调速。运用到实际中的交流调速系统主要有：变级调速系统、串级调速系统、调压调速系统、变频调速系统[1]。采用相控技术在输出电压波形中含有较大的谐波，会引起附加损耗，产生转矩脉动[15]。变压变频调速系统在调速时，须同时调节定子电源的电压和频率，在这种情况下，机械特性基本上平行移动，转差功率不变，它是当前交流调速的主要方向[16]。2.2电机调压调速电路2.2.1 三相交流调压电路交流调压调速需要三相交流调压电路，晶闸管三相交流调压电路的接线方式很多，工业上常用的是三相全波星形连接的调压电路。如图2.1所示。这种电路的接法特点是负载输出谐波分量低，适用于低电压大电流的场合[11]。图2.1 三相全波星形连接的调压电路在晶闸管交流调压中，晶闸管可借助于负载电流过零而自行关断，不需要另加换流装置，故线路简单、调试容易、维修方便、成本低廉，从而得到广泛的应用。2.2.2调压调速原理根据异步电动机的机械特性方程式（2-3）其中——电动机的极对数、——电动机定子相电压和供电角频率——转差率、——定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻、——定子每漏感和折算到定子侧的转子每相漏感可见，当转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。改变定子电压可得到一组不同的人为机械特性，如图2.2所示。在带恒转矩负载时，可以得到不同的稳定转速，如图中的A，B，C点，其调速范围较小，而带风机泵类负载时，可得到较大的调速范围，如图2.2中的D，E，F点。图2.2 异步电动机在不同定子电压时的机械特性所谓调压调速，就是通过改变定子外加电压来改变电磁转矩，可得到较大的调速范围，从而在一定的输出转矩下达到改变电动机转速的目的[13]。为了能在恒转矩负载下扩大调压调速范围，使电机在较低速下稳定运行又不致过热，可采用电动机转子绕组有较高电阻值时的机械特性。在恒转矩负载下的交流力矩电动机的机械特性。图2.3显示此类电动机的调速范围增大了，而且在堵转转矩下工作也不致烧毁电动机[1][4]。图2.3　交流力矩电机在不同定子电压时的机械特性2.2.3闭环控制的调压