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.docx
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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
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。
1.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。
2.8/6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和转矩控制器安装启用所需的转矩反馈信号Te。
力矩电机开发阶段是根据测量相流和电动机磁化特性曲线
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。
3.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，每个阶段开发的转矩可以使用一下关系计算：
图6
磁共能的计算公式：
为了加快模拟，转矩特性预先计算存储在查找表中（该表计算在开关磁阻电动机模型中）。
图4显示了在开关磁阻电动机模型中使用的两个查找表。
四个阶段所产生的转矩通过求和得到转子轴上的总转矩，电机和负载机械动力是由运动方程所控制：
J是总惯性，B是总摩擦系数，TL是负载转矩。
表2
最优的接通和断开角度所对应的速度和电流
3.2.开关磁阻电动机驱动仿真
仿真的目的是切换角（接通和断开的角度）在各自范围内变化时，获得8/6开关磁阻电动机在操作电流和速度范围的转矩特性。
仿真策略如下，首先，通过使用一个非常大的惯性负载为电动机转速施加一个恒定值，并且电流是由滞后电流调节器施加。
然后，根据每一个指定范围的射击角度的组合，一步步计算出平均转矩和均方根转矩。
报告结果是一个数据存储矩阵。
这个矩阵将被用来产生一个显示角度组合轨迹的多维图表，根据产生的转矩波动，这些角度组合的平均转矩是最佳的。
开关磁阻电动机模拟的速度范围0-40000rpm,步幅为200rpm。
根据7.5千瓦的8/6开关磁阻电动机的特性，其额定电流是30安，所以当步幅是5安时，电流将在0到50安的范围内变化。
通过短暂的研究，我们所确定的接通角α和断开角β的主要范围各自是18-32度,40-60度。
同样，发射角的影响减小到了低于700rpm，所以没有必要在速度低时非常准确。
显然，为了节省时间，很有必要将这些模拟自动化。
每个速度和电流组合的结果给出了三个矩阵：
与平均转矩相对的转换角度，与均方根相对的转换角度，与转矩波动系数相对的转换角度。
表1显示了转矩波动系数所对应的转换角度是1300rpm,30安。
如果将他们像图5（描述了平均转矩和1300rpm,30安的转矩波动曲线）那样画出三维图，结果将更加富有表达力。
在这些图表中，机器的变化趋势很容易确定。
另外，为了找到最好的转换角度，可以在（α，β）平面内画出转矩波动系数曲线，如图6所示。
在这个图中，转矩波动系数最低轨迹很容易识别。
4.开关磁阻电动机转矩的优化性能
对于开关磁阻电动机驱动，平均转矩和转矩波动受接通和断开的角度及电机阶段的电流波形所影响，这些特性作为电机转速的函数而变化。
对于汽车驱动应用程序，在一个广泛的速度范围内，获得更高的转矩/电流比率及更低的转矩波动是可取的。
在本文中，我们提出了一个多维的方法来优化开关磁阻电动机的转矩性能。
开关磁阻电动机驱动的非线性仿真软件模型用于依据接通和断开角度及转子速度来预测转矩性能（平均转矩和转矩波动）。
转矩控制回路可用于提供在转向电机阶段所需的电流波形从而将转矩波动减至最小。
仿真所获得的结果编译在几个表示控制器性能的多维表中：
（a）平均转矩作为接通、断开角度和速度的函数，（b）转矩波动作为接通、断开角度和速度的函数，
图7
图8
叠加所有生成的表给出了一般选择的工具，在速度和电流范围内对转矩性能优化。
优化的参数可以在真正的实现转矩控制器的查找表中使用。
在分析模拟的结果后，现在可以确定一个矩阵，通过如表2所示的驱动操作条件其内容更好的拟合了接通和断开角度。
图9
因为最重要的开关角的值是介于700至1700rpm之间的，所以表的范围是有限的。
低于700rpm时，角度不改变；超过1700rpm时，α角慢慢减小，β角保持不变。
有趣的是突出这样一个事实：
对于任何速度和条件，其最优的断开角保持在50度左右。
另一方面，最佳接通角α随速度的增大而减小。
这种行为是可预测的，因为预测相应的相绕组中通过的电流是必要的。
最优转换角机器对应的电机转速的变化如图7所示。
5.应用程序实例——转矩优化开关磁阻电动机驱动
在本节中，使用优化控制器的一个应用实例来说明其作用。
测试设置用来评估开关磁阻电动机驱动的转矩性能如图8所示。
这里，使用相同的开关磁阻电动机驱动的仿真软件模型做了一些调整。
为了调整开关角，最优的接通和断开角度在两个查找表中应用。
为了能够在固定和变化的角度间进行选择，对交换机进行了安置。
这样我们可以在保持相同的驱动模型时对我们的结果进行比较。
使用转矩和转子位置特征，如图9所示，为了获得一个好的高频矩可以任意确定适当的固定开关角，如图10所示。
图10
图11
接通角α是固定在32.5度，断开角β是固定在52.5度。
根据这些数值我们可以在宽度范围内成完成对固定角的仿真，通过可供参考的仿真结果，进行比较，可以更好地突出我们方法的改进之处。
通过在模型上加30安的额定电流及固定的转换角度开始测试，我们记录到该系统可以控制当前高达每分钟1000转的转速及所产生的平均60nm的转矩。
在1000rpm，驱动失去当前控制，平均转矩下降到7Nm,机器达到速度的最大值1800rpm。
通过应用相同的初始条件，使用最优的接通和断开的查找表角度，开关磁阻电动机的性能明显改善。
当前可以控制整个仿真速度范围，因此，产生的平均转矩很高。
此外，当超过每分钟4000转的速度时，开关磁阻电动机可以产生比17Nm更高的平均转矩。
（图10b）
对这两个驱动进行一个简单的比较，我们将控制速度并测量平均转矩，转矩波动和转矩波动系数比率。
转矩性能控制方案的比较图，如图11。
与我们方案中生成的变化的转换角相比，恒定的转矩延长可两倍。
可变角驱动所产生的平均转矩远高于固定角驱动。
低速时转矩波动在较小程度上有改善，中速时改变明显。
在高速时，在两个转矩波动系数曲线之间有一个显著的影响。
6.总结
一个优化开关磁阻电动机的转矩性能的仿真方法已经被提出并应用到了8/6开关磁阻电动机驱动。
实验表明，从使用仿真的非线性开关磁阻电动机模型所建立的查找表中可以选择出适当的接通和断开角度，从而最大化平均转矩和最小化转矩波动因素。
获得的结果表明，与恒定的转换角方案相比，最佳转换角方案可以使转矩性能在宽度范围内大大改善。
当然也可以得出，在优化过程中，断开角几乎不变而接通角随转子速度改变。
这种结果通过理论推理是可以预测的。
本文所提出的优化方法对于最大化平均转矩和最大限度的减少转矩波动因素对开关磁阻电动机的影响。
通过实现外部转矩回路，可以减少从一个阶段向另一个阶段过渡时所产生的转矩波动。
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