《設(shè)計(jì)和優(yōu)化開關(guān)磁阻電動機(jī)扭矩控制器驅(qū)動的電動汽車的仿真.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《設(shè)計(jì)和優(yōu)化開關(guān)磁阻電動機(jī)扭矩控制器驅(qū)動的電動汽車的仿真.doc（16頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

設(shè)計(jì)和優(yōu)化開關(guān)磁阻電動機(jī)扭矩控制器驅(qū)動的電動汽車的仿真 摘要 這篇文章展示了一個(gè)關(guān)于開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動的優(yōu)化控制器應(yīng)用于電動汽車和混合動力電動車的研究，描述了通過模擬仿真所提出的優(yōu)化方法。在優(yōu)化過程中，提出和應(yīng)用了8/6開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動所取得的仿真結(jié)果。通過模擬仿真，評估和驗(yàn)證了優(yōu)化控制器的性能。 1. 介紹 在不久的將來，對于汽車應(yīng)用我們將不得不用電動機(jī)來取代傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)。這一點(diǎn)不僅對限制燃?xì)忉尫胖陵P(guān)重要，同時(shí)也與稀缺的化石資源有關(guān)聯(lián)。隨著電動汽車和混合動力電動車的發(fā)展，這個(gè)過渡將由中間相來完成，現(xiàn)在應(yīng)用于電動汽車和混合動力電動汽車的電動機(jī)是永磁同步電機(jī)。目前,電動機(jī)系列中的開關(guān)磁阻電動機(jī)極大地引發(fā)了對電動汽車的推進(jìn)，電動汽車及混合動力電動汽車設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)了許多開關(guān)磁阻電動機(jī)益于應(yīng)用的特點(diǎn)，尤其表現(xiàn)在堅(jiān)固結(jié)構(gòu)和容錯(cuò)操作方面。然而，開關(guān)磁阻電動機(jī)在開發(fā)轉(zhuǎn)矩波動的相關(guān)問題時(shí)存在很大的缺點(diǎn)。為了使開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動牽引獲得良好的驅(qū)動性能，高性能的控制器需要在一個(gè)廣速范圍內(nèi)減小轉(zhuǎn)矩波動并增大平均轉(zhuǎn)矩。 這篇文章展示了一個(gè)關(guān)于開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動的優(yōu)化控制器用于電動汽車和混合動力電動汽車的應(yīng)用。首先通過對開關(guān)磁阻電動機(jī)基礎(chǔ)特征的研究展示了推動系統(tǒng)所需要的特點(diǎn)，為了指明最優(yōu)化方向，對影響驅(qū)動性能的主要方面進(jìn)行了測試，特別是在機(jī)器結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)換器的配置和控制方案等方面。本次優(yōu)化研究選擇了包含電動機(jī)和轉(zhuǎn)換器配置的獨(dú)特開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動非線性模型驅(qū)動程序，用于按照平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動的接通、斷開角度和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的函數(shù)來預(yù)測性能。仿真結(jié)果以多維表格的形式描述了控制器的性能。疊加生成的表為優(yōu)化超速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩性能提供了一個(gè)常規(guī)選擇工具，對優(yōu)化控制器被評估的性能和仿真結(jié)果進(jìn)行展示和討論。 2. 8/6開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動的描述 在研究了開關(guān)磁阻電動機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)間的區(qū)別及考慮開關(guān)磁阻電動機(jī)所提供的極性轉(zhuǎn)換器的配置后，我們選擇了8/6開關(guān)磁阻電動機(jī)，一種因其幾何結(jié)構(gòu)和非對稱轉(zhuǎn)換器而產(chǎn)生更少轉(zhuǎn)矩波動的電動機(jī)。其結(jié)構(gòu)及聯(lián)合的轉(zhuǎn)換器見圖1。 圖1. 圖2. 圖3 一個(gè)非常有吸引力的替代方法是使用總電流控制變頻器的直流轉(zhuǎn)換器自動調(diào)節(jié)機(jī)器的總電流。顯然，這一配置在轉(zhuǎn)換時(shí)使用了更少的電能，并且能在很大程度上減少轉(zhuǎn)矩波動。該開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動配置仿真采用開關(guān)磁阻電動機(jī)線型模型并且取得了令人鼓舞的結(jié)果。然而，對于一個(gè)真實(shí)的開關(guān)磁阻電動機(jī)，電動機(jī)的電流階段必須單獨(dú)控制。在其開始與結(jié)束的重疊階段，必須允許生成光滑的扭矩。這就是我們選擇如圖1.b所示轉(zhuǎn)換器的原因。因?yàn)殡娏髟陔妱訖C(jī)階段可以獨(dú)立控制各階段之間的交互影響，同時(shí)也能減少總體轉(zhuǎn)矩波動。這個(gè)轉(zhuǎn)換器也允許活躍能源回收返還通信能源電池，這一能源恢復(fù)方法對于期望將消耗最小化以擴(kuò)大驅(qū)動范圍的汽車應(yīng)用至關(guān)重要。 在能量回路圖中L1、L2、L3、L4自感線，描述了開關(guān)磁阻電動機(jī)的四個(gè)階段曲線。在電動機(jī)階段使用獨(dú)立滯變控制器，半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換器可以控制個(gè)別電流。單向轉(zhuǎn)動二極管口允許能源恢復(fù)。這個(gè)轉(zhuǎn)換器允許能源恢復(fù)和總體電動機(jī)轉(zhuǎn)扭圖形的優(yōu)化。 圖2描述了預(yù)想的電流控制8/6開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動的控制圖。轉(zhuǎn)子軸的位置編碼器提供了轉(zhuǎn)換器的同步驅(qū)動信號所需的位置信號，一個(gè)反饋信號處理器是用于生產(chǎn)速度信號ω和轉(zhuǎn)矩控制器安裝啟用所需的轉(zhuǎn)矩反饋信號Te。力矩電機(jī)開發(fā)階段是根據(jù)測量相流和電動機(jī)磁化特性曲線的轉(zhuǎn)子位置所估計(jì)的[1]: 是磁共能 圖4. 為了提高執(zhí)行速度，復(fù)雜函數(shù)預(yù)先計(jì)算和存儲在一個(gè)查找表中。從接通和斷開的角度來看，轉(zhuǎn)換器也可以作為優(yōu)化過程的控制輸入。 3. 開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動的建模和仿真 3.1 開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動建模 開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動的模型對于扭矩性能的優(yōu)化研究是必要的，圖3顯示了一個(gè)模型圖表，對上文所描述的由電流控制的8/6開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動模型進(jìn)行了展示。 為了提供逼真的特質(zhì)，在充分考慮電機(jī)的磁化特性后，采用非線性模型對開關(guān)磁阻電動機(jī)進(jìn)行描述。如果開關(guān)磁阻電動機(jī) 的結(jié)構(gòu)和大小是已知的，那么開關(guān)磁阻電動機(jī)的磁化可以通過測量或有限元分析獲得。 在本文中，我們選擇了7.5千瓦的8/6開關(guān)磁阻電動機(jī)，其特點(diǎn)在參考文獻(xiàn)[10]中進(jìn)行了強(qiáng)調(diào)和研究。 圖3顯示了8/6開關(guān)磁阻電動機(jī)的詳細(xì)仿真軟件模型，電機(jī)建模部分的電壓方程和機(jī)械部件的運(yùn)動方程。 轉(zhuǎn)換器所提供的電壓應(yīng)用于機(jī)器的四個(gè)階段，每個(gè)階段的磁鏈計(jì)算公式是對整合相電壓和的差進(jìn)行積分： 圖5 表1. 每分鐘轉(zhuǎn)速1300，電流為30安時(shí)，轉(zhuǎn)矩波動率所對應(yīng)的接通與斷開角度 轉(zhuǎn)子位置和磁鏈作為輸入，查找表產(chǎn)生相應(yīng)的電流。通過電流和轉(zhuǎn)子的位置，每個(gè)階段開發(fā)的轉(zhuǎn)矩可以使用一下關(guān)系計(jì)算： 圖6 磁共能的計(jì)算公式： 為了加快模擬，轉(zhuǎn)矩特性預(yù)先計(jì)算存儲在查找表中（該表計(jì)算在開關(guān)磁阻電動機(jī)模型中）。 圖4顯示了在開關(guān)磁阻電動機(jī)模型中使用的兩個(gè)查找表。 四個(gè)階段所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩通過求和得到轉(zhuǎn)子軸上的總轉(zhuǎn)矩，電機(jī)和負(fù)載機(jī)械動力是由運(yùn)動方程所控制： J是總慣性，B是總摩擦系數(shù)，TL是負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 表2 最優(yōu)的接通和斷開角度所對應(yīng)的速度和電流 3.2. 開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動仿真 仿真的目的是切換角（接通和斷開的角度）在各自范圍內(nèi)變化時(shí)，獲得8/6開關(guān)磁阻電動機(jī)在操作電流和速度范圍的轉(zhuǎn)矩特性。仿真策略如下，首先，通過使用一個(gè)非常大的慣性負(fù)載為電動機(jī)轉(zhuǎn)速施加一個(gè)恒定值，并且電流是由滯后電流調(diào)節(jié)器施加。然后，根據(jù)每一個(gè)指定范圍的射擊角度的組合，一步步計(jì)算出平均轉(zhuǎn)矩和均方根轉(zhuǎn)矩。報(bào)告結(jié)果是一個(gè)數(shù)據(jù)存儲矩陣。這個(gè)矩陣將被用來產(chǎn)生一個(gè)顯示角度組合軌跡的多維圖表，根據(jù)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動，這些角度組合的平均轉(zhuǎn)矩是最佳的。開關(guān)磁阻電動機(jī)模擬的速度范圍0-40000rpm,步幅為200rpm。根據(jù)7.5千瓦的8/6開關(guān)磁阻電動機(jī)的特性，其額定電流是30安，所以當(dāng)步幅是5安時(shí)，電流將在0到50安的范圍內(nèi)變化。通過短暫的研究，我們所確定的接通角α和斷開角β的主要范圍各自是18-32度,40-60度。同樣，發(fā)射角的影響減小到了低于700rpm，所以沒有必要在速度低時(shí)非常準(zhǔn)確。顯然，為了節(jié)省時(shí)間，很有必要將這些模擬自動化。 每個(gè)速度和電流組合的結(jié)果給出了三個(gè)矩陣：與平均轉(zhuǎn)矩相對的轉(zhuǎn)換角度，與均方根相對的轉(zhuǎn)換角度，與轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)相對的轉(zhuǎn)換角度。表1顯示了轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)換角度是1300rpm,30安。 如果將他們像圖5（描述了平均轉(zhuǎn)矩和1300rpm,30安的轉(zhuǎn)矩波動曲線）那樣畫出三維圖，結(jié)果將更加富有表達(dá)力。在這些圖表中，機(jī)器的變化趨勢很容易確定。另外，為了找到最好的轉(zhuǎn)換角度，可以在（α，β）平面內(nèi)畫出轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)曲線，如圖6所示。在這個(gè)圖中，轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)最低軌跡很容易識別。 4. 開關(guān)磁阻電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的優(yōu)化性能 對于開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動，平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動受接通和斷開的角度及電機(jī)階段的電流波形所影響，這些特性作為電機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)而變化。對于汽車驅(qū)動應(yīng)用程序，在一個(gè)廣泛的速度范圍內(nèi)，獲得更高的轉(zhuǎn)矩/電流比率及更低的轉(zhuǎn)矩波動是可取的。 在本文中，我們提出了一個(gè)多維的方法來優(yōu)化開關(guān)磁阻電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能。開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動的非線性仿真軟件模型用于依據(jù)接通和斷開角度及轉(zhuǎn)子速度來預(yù)測轉(zhuǎn)矩性能（平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩波動）。轉(zhuǎn)矩控制回路可用于提供在轉(zhuǎn)向電機(jī)階段所需的電流波形從而將轉(zhuǎn)矩波動減至最小。 仿真所獲得的結(jié)果編譯在幾個(gè)表示控制器性能的多維表中：（a）平均轉(zhuǎn)矩作為接通、斷開角度和速度的函數(shù)，（b）轉(zhuǎn)矩波動作為接通、斷開角度和速度的函數(shù)， 圖7 圖8 疊加所有生成的表給出了一般選擇的工具，在速度和電流范圍內(nèi)對轉(zhuǎn)矩性能優(yōu)化。優(yōu)化的參數(shù)可以在真正的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制器的查找表中使用。 在分析模擬的結(jié)果后，現(xiàn)在可以確定一個(gè)矩陣，通過如表2所示的驅(qū)動操作條件其內(nèi)容更好的擬合了接通和斷開角度。 圖9 因?yàn)樽钪匾拈_關(guān)角的值是介于700至1700rpm之間的，所以表的范圍是有限的。低于700rpm時(shí)，角度不改變；超過1700rpm時(shí)，α角慢慢減小，β角保持不變。有趣的是突出這樣一個(gè)事實(shí)：對于任何速度和條件，其最優(yōu)的斷開角保持在50度左右。另一方面，最佳接通角α隨速度的增大而減小。這種行為是可預(yù)測的，因?yàn)轭A(yù)測相應(yīng)的相繞組中通過的電流是必要的。最優(yōu)轉(zhuǎn)換角機(jī)器對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化如圖7所示。 5.應(yīng)用程序?qū)嵗D(zhuǎn)矩優(yōu)化開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動 在本節(jié)中，使用優(yōu)化控制器的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例來說明其作用。測試設(shè)置用來評估開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩性能如圖8所示。這里，使用相同的開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動的仿真軟件模型做了一些調(diào)整。為了調(diào)整開關(guān)角，最優(yōu)的接通和斷開角度在兩個(gè)查找表中應(yīng)用。 為了能夠在固定和變化的角度間進(jìn)行選擇，對交換機(jī)進(jìn)行了安置。這樣我們可以在保持相同的驅(qū)動模型時(shí)對我們的結(jié)果進(jìn)行比較。 使用轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子位置特征，如圖9所示，為了獲得一個(gè)好的高頻矩可以任意確定適當(dāng)?shù)墓潭ㄩ_關(guān)角，如圖10所示。 圖10 圖11 接通角α是固定在32.5度，斷開角β是固定在52.5度。根據(jù)這些數(shù)值我們可以在寬度范圍內(nèi)成完成對固定角的仿真，通過可供參考的仿真結(jié)果，進(jìn)行比較，可以更好地突出我們方法的改進(jìn)之處。 通過在模型上加30安的額定電流及固定的轉(zhuǎn)換角度開始測試，我們記錄到該系統(tǒng)可以控制當(dāng)前高達(dá)每分鐘1000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速及所產(chǎn)生的平均60nm的轉(zhuǎn)矩。在1000rpm，驅(qū)動失去當(dāng)前控制，平均轉(zhuǎn)矩下降到7Nm,機(jī)器達(dá)到速度的最大值1800rpm。 通過應(yīng)用相同的初始條件，使用最優(yōu)的接通和斷開的查找表角度，開關(guān)磁阻電動機(jī)的性能明顯改善。當(dāng)前可以控制整個(gè)仿真速度范圍，因此，產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩很高。此外，當(dāng)超過每分鐘4000轉(zhuǎn)的速度時(shí)，開關(guān)磁阻電動機(jī)可以產(chǎn)生比17Nm更高的平均轉(zhuǎn)矩。（圖10 b） 對這兩個(gè)驅(qū)動進(jìn)行一個(gè)簡單的比較，我們將控制速度并測量平均轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩波動和轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)比率。轉(zhuǎn)矩性能控制方案的比較圖，如圖11。 與我們方案中生成的變化的轉(zhuǎn)換角相比，恒定的轉(zhuǎn)矩延長可兩倍?？勺兘球?qū)動所產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)高于固定角驅(qū)動。 低速時(shí)轉(zhuǎn)矩波動在較小程度上有改善，中速時(shí)改變明顯。在高速時(shí)，在兩個(gè)轉(zhuǎn)矩波動系數(shù)曲線之間有一個(gè)顯著的影響。 6.總結(jié) 一個(gè)優(yōu)化開關(guān)磁阻電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩性能的仿真方法已經(jīng)被提出并應(yīng)用到了8/6開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動。實(shí)驗(yàn)表明，從使用仿真的非線性開關(guān)磁阻電動機(jī)模型所建立的查找表中可以選擇出適當(dāng)?shù)慕油ê蛿嚅_角度，從而最大化平均轉(zhuǎn)矩和最小化轉(zhuǎn)矩波動因素。獲得的結(jié)果表明，與恒定的轉(zhuǎn)換角方案相比，最佳轉(zhuǎn)換角方案可以使轉(zhuǎn)矩性能在寬度范圍內(nèi)大大改善。 當(dāng)然也可以得出，在優(yōu)化過程中，斷開角幾乎不變而接通角隨轉(zhuǎn)子速度改變。這種結(jié)果通過理論推理是可以預(yù)測的。 本文所提出的優(yōu)化方法對于最大化平均轉(zhuǎn)矩和最大限度的減少轉(zhuǎn)矩波動因素對開關(guān)磁阻電動機(jī)的影響。通過實(shí)現(xiàn)外部轉(zhuǎn)矩回路，可以減少從一個(gè)階段向另一個(gè)階段過渡時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動。