江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t i na ni n c r e a s i n g l ys e r i o u sg l o b a le n v i r o n m e n t a li s s u e st o d a y , t h ed e v e l o p m e n to f g r e e nt r a n s p o r th a sb e c o m ea l li m p o r t a n ti s s u e a se l e c t r i cv e h i c l eh a st h ef e a t u r e so f p o r t a b i l i t y , n o n - p o l l u t i o na n dl o w - n o i s e ，i tb e c o m e sa ni d e a lv e h i c l e s w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) h a ss i m p l es t r u c t u r e ，f l e x i b l ec o n t r o la n dh i g hr e l i a b i l i t y i t c a nw o r ke f f i c i e n t l yw i t h i nar e l a t i v e l y 、析( 1 er a n go fs p e e d s r ma l s oh a sf i r ma n d d u r a b l es t r u c t u r e i ts u i t sf o rt h ea p p l i c a t i o nu n d e ra d v e r s ec o n d i t i o n s a l lo ft h e s e c h a r a c t e r i s t i c sd e t e r m i n et h a ts r mi sf i tf o rt h ec o n t r o lm o t o ro fv e h i c l e t h i sp a p e rr e s e a r c h e sam o t o rd r i v i n gs y s t e mf o re l e c t r i cv e h i c l e sb a s e do n12 10 s t r u c t u r es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r t h es y s t e ma d o p t st h et m s 3 2 0 f 2 812d s pa n d e p m 7128 s - b a s e dc p l dt ob u i l dd i g i t a lc o n t r o l l e r s ，i m p l e m e n t se l e c t r i cm o t o r i n g a n dp o w e rg e n e r a t i o nf o re l e c t r i cm o t o r t h i sp a p e ro u t l i n e st h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l ea n ds w i t c h e dr e l u c t a n c e m o t o r , t h e na n a l y s e si t sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e l ，f i n a l l yp r o p o s e s c c cc o n t r o lm e t h o da n da p cc o n t r o lm e t h o dc o r r e s p o n d i n gt os r m s t a r t ，e l e c t r i c a l a n dp o w e rg e n e r a t i o n b a s e do nt h i s ，im a k eah a r d w a r ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o r e l e c t r i cv e h i c l e ss r m d r i v i n gs y s t e ma n dad r i v i n gs y s t e mc o n t r o ls o f t w a r eb a s e do n d s pa n dc p l d a c c o r d i n gt oe l e c t r i cv e h i c l er u n n i n gi nt h ea c t u a ls i t u a t i o n ，im a k e e x p e r i m e n t s f o re l e c t r i ca n dp o w e rg e n e r a t i o n s e p a r a t e l y f i n a l l yig e t t h e e x p e r i m e n t a ld a t aa n dw a v e f o r m s ，a n a l y z et h er e s u l t sa n do b t a i nt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rf o re l e c t r i c v e h i c l e sa r ef e a s i b l ei np r a c t i c ea n dh a sag o o dp r o s p e c t k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，s r m ，d s p , c o n t r o l i l 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)江蘇大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部 內(nèi)容或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃 描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 保密口， 在年解密后適用本授權(quán)書。 不保密。 一躲毒肯 簽字日期j - ，年月日 導(dǎo)師簽名：乏弓彳轉(zhuǎn)、 灸 導(dǎo)師簽名： 乏三也、 災(zāi) 簽字日期，年6 月6 日 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指 導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引 用的內(nèi)容以外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和 集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明 的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文儲(chǔ)繇力；哿 日期：沙垂口年6 月6 e l 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1課題的背景 第一章緒論 電動(dòng)車的發(fā)展史比燃油汽車更長(zhǎng)，世界上第一輛機(jī)動(dòng)車就是電動(dòng)車。后來(lái)， 由于燃油汽車技術(shù)的迅速發(fā)展，而電動(dòng)車在能源技術(shù)和行駛里程的研制上長(zhǎng)期未 能取得突破，從2 0 世紀(jì)2 0 年代初至6 0 年代末，電動(dòng)車的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)沉寂 期。進(jìn)入7 0 年代以來(lái)，由于中東石油危機(jī)的爆發(fā)以及人類對(duì)自然環(huán)境的日益關(guān) 注，電動(dòng)車才再度成為技術(shù)發(fā)展的熱劇“3 】。 近幾十年來(lái)，主要工業(yè)化國(guó)家為電動(dòng)車的開發(fā)投入了大量的人力和財(cái)力，電 動(dòng)車的各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)也取得了重大的進(jìn)展。盡管電動(dòng)車在能源和行駛里程的研制 方面，至今尚未取得突破性的進(jìn)展，但是電動(dòng)車的美好前景仍然激勵(lì)著人們鍥而 不舍地開發(fā)新型電動(dòng)車，改善其性能。 處于世紀(jì)之交的今天，能源和環(huán)境對(duì)人類的壓力越來(lái)越大，要求盡快改善人 類生存環(huán)境的呼聲越來(lái)越高。為了適應(yīng)這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，世界各國(guó)的政府、學(xué)術(shù)界、 工業(yè)界正在加大對(duì)電動(dòng)車開發(fā)的投資力度，加快電動(dòng)車的商品化步伐。雖然目前 電動(dòng)車在能源利用和行駛里程方面還未能盡如人意，但己足以滿足人們的基本需 要。從技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)看，在走過了漫長(zhǎng)而艱難的發(fā)展歷程之后，電動(dòng)車正面 臨著重大的技術(shù)突破，有望成為2 1 世紀(jì)的重要交通工具。 在大都市中，電動(dòng)車作為一種小型、中速和短途的日常交通工具，是十分理 想的。電動(dòng)車的開發(fā)關(guān)系到能源、環(huán)保、交通和高科技的發(fā)展以及新興工業(yè)的興 起，它將推動(dòng)整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。電動(dòng)車將使能源的利 用多元化和高效化，達(dá)到能量的可靠、均衡和無(wú)污染地利用。從環(huán)保的角度來(lái)看， 電動(dòng)車是無(wú)排放交通工具，即使計(jì)及發(fā)電廠所增加的排氣，從總量上來(lái)看，它也 將使空氣污染大為減少。此外，電動(dòng)車比傳統(tǒng)的燃料汽車更易實(shí)現(xiàn)精確的控制， 智能交通系統(tǒng)則有可能率先通過電動(dòng)車來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而提高道路利用率和交通安全 性。 現(xiàn)代電動(dòng)車的能源系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、智能化的能量管理系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、 車載空調(diào)系統(tǒng)和變速系統(tǒng)，電動(dòng)車的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及未來(lái)智能化的交通系統(tǒng)的 江蘇人學(xué)碩上學(xué)位論文 發(fā)展。根據(jù)各類子系統(tǒng)的不同特點(diǎn)近年來(lái)，各種顯示高新技術(shù)的電動(dòng)車層出不 窮，日新月異。 1 2國(guó)內(nèi)外電動(dòng)車研究現(xiàn)狀 1 2 1 國(guó)外電動(dòng)車研究狀況 日本出于對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的關(guān)注及占領(lǐng)未來(lái)世界汽車市場(chǎng)的考慮，一 直十分重視電動(dòng)汽車的研制與開發(fā) 4 1 。從目前世界范圍內(nèi)的整個(gè)形勢(shì)來(lái)看，日本 是電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展速度最快的幾個(gè)國(guó)家之一，特別是在混合動(dòng)力汽車的產(chǎn)品發(fā) 展方面，居世界領(lǐng)先地位。根據(jù)同本經(jīng)產(chǎn)省2 0 0 9 年1 1 月專門成立的“下一代汽 車戰(zhàn)略研究會(huì)”的報(bào)告，通過一系列措施的實(shí)施和多方努力，到2 0 2 0 年日本將 把電動(dòng)汽車的年銷量提高到8 0 萬(wàn)輛、混合動(dòng)力汽車的年銷量提高到1 2 0 萬(wàn)輛。 自1 9 9 7 年1 2 月，豐田汽車公司首先在日本市場(chǎng)上推出了世界上第一款批量生產(chǎn) 的混合動(dòng)力轎車p r i u s 。該轎車于2 0 0 0 年7 月開始出口北美，同年9 月開始出 口歐洲，現(xiàn)在已經(jīng)在全世界多個(gè)國(guó)家上市銷售。根據(jù)豐田汽車公司的測(cè)試，p r i u s 轎車在城市工況下比同等排量的花冠轎車節(jié)油4 4 4 ；在市郊節(jié)油2 9 7 ，綜合 節(jié)油4 0 5 。繼p r i u s 混合動(dòng)力轎車之后，豐田汽車公司還推出了e s t i m a 混 合動(dòng)力汽車和搭載軟混合動(dòng)力系統(tǒng)的c r o w n 轎車。豐田汽車公司在普及混合 動(dòng)力系統(tǒng)的低燃耗、低排放和改進(jìn)行駛性能方面已經(jīng)走在了世界的前列。豐田預(yù) 計(jì)到2 0 1 2 年生產(chǎn)自己的可充電電動(dòng)汽車。 此外本田汽車公司開發(fā)的i n s i g h t 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車也投放市場(chǎng)。日產(chǎn)公 司研發(fā)的電動(dòng)車l e a f 已投入市場(chǎng)，該公司表示，在一個(gè)放置在車庫(kù)中的“快速充 電器”的幫助下，車主能夠只需用2 5 分鐘便可以讓電動(dòng)車l e a f 擁有8 0 的電量。 美國(guó)的汽車公司在電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化方面比來(lái)自日本的同行遜色不少，三大汽 車公司僅僅小批量生產(chǎn)、銷售過純電動(dòng)汽車，而混合動(dòng)力和燃料電池電動(dòng)汽車目 前還未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化【5 l 。 為促進(jìn)本國(guó)電動(dòng)車的發(fā)展與應(yīng)用，美國(guó)能源部與三大汽車公司于1 9 9 3 年簽 訂了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車開發(fā)合同，其中通用汽車公司投入1 4 8 億美元，福特汽 車公司投入1 3 8 億美元，克萊斯勒汽車公司投8 4 8 0 萬(wàn)美元，進(jìn)行為期5 年的研 制開發(fā)工作，并于1 9 9 8 年北美國(guó)際汽車展上展出了樣車。在此基礎(chǔ)上現(xiàn)已推 2 江蘇大學(xué)碩二卜學(xué)位論文 出三款混合動(dòng)力概念車g mp r e c e p t 、f o r dp r o d i g y 、d a i m l e rc h r y s l e rd o d g ee s x 3 。 2 0 0 4 年1 2 月1 4 日通用汽車公司與戴姆勒一克萊斯勒汽車公司對(duì)外宣布雙 方將在開發(fā)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的技術(shù)領(lǐng)域攜手，共同推進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展?？巳R 斯勒公司表示，計(jì)劃于2 0 1 2 年開始為美國(guó)市場(chǎng)生產(chǎn)一款全電動(dòng)版菲亞特5 0 0 微 型轎車。該公司表示，這款輕型轎車的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說是完美的。 1 2 2 我國(guó)電動(dòng)車研究狀況 “十五”期間，國(guó)家從維護(hù)我國(guó)能源安全、改善大氣環(huán)境、提高汽車工業(yè)競(jìng)爭(zhēng) 力、實(shí)現(xiàn)我國(guó)汽車工業(yè)的跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略高度考慮，設(shè)立。電動(dòng)汽車重大科技 專項(xiàng)”。通過組織企業(yè)、高等院校和科研機(jī)構(gòu)，集中國(guó)家、地方、企業(yè)、高校、 科研院所等方面的力量進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。為此，從2 0 0 1 年1 0 月起，國(guó)家共計(jì)撥款 8 8 億元作為這一重大科技專項(xiàng)的經(jīng)費(fèi)【6 l 。 在燃料電池汽車方面，均采用電一電混合驅(qū)動(dòng)方案，在整車操控性能、行駛 性能、安全性能、燃料利用率等方面均已得到較大提高。2 0 0 4 年5 月在北京召 開的世界氫能大會(huì)上，我國(guó)自主研發(fā)的燃料電池轎車和客車樣車與世界領(lǐng)先的奔 馳公司樣車同堂展示，引起了世界的驚贊。在1 0 月舉行的必比登世界清潔汽車 挑戰(zhàn)賽上，我國(guó)自主研發(fā)的燃料電池轎車在7 個(gè)單項(xiàng)獎(jiǎng)中獲得5 個(gè)a ( 在高速蛇 行障礙賽、噪音、排放、能耗、溫室氣體減排5 個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)方面的最高等級(jí)) 的 好成績(jī)，燃料電池城市客車也以較高的技術(shù)性能和可靠性在挑戰(zhàn)賽中取得了良好 的成績(jī)。 在混合動(dòng)力汽車方面，一汽、東風(fēng)、長(zhǎng)安、奇瑞等汽車公司對(duì)此都投入了較 大的人力、物力。各車型均已完成功能樣車開發(fā)。2 0 0 3 年1 1 月8 日，湖北省啟 動(dòng)武漢電動(dòng)汽車試驗(yàn)示范運(yùn)行工作，先后投多輛由東風(fēng)電動(dòng)車輛股份有限公司研 制的混合動(dòng)力客車。長(zhǎng)安汽車公司采用同軸i s g 輕度混合方案，成功開發(fā)了第 二輪功能樣車和第三輪性能樣車，并在國(guó)內(nèi)率先開展了混合動(dòng)力專用發(fā)動(dòng)機(jī)開 發(fā)。經(jīng)過國(guó)家檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)試動(dòng)力性能接近參考車的水平，綜合油耗降低接近 1 7 ，排放達(dá)到歐i i i 標(biāo)準(zhǔn)。 在純電動(dòng)汽車的電池和電機(jī)研制方面，我國(guó)與世界先進(jìn)水平差距較小，在電 動(dòng)汽車高性能電池和驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)方面取得了重大突破，有些甚至處于領(lǐng)先地 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 位。如深圳雷天綠色電動(dòng)源深圳有限公司開發(fā)的鋰離子電池續(xù)駛能力達(dá)到3 0 0 公里，最高時(shí)速可達(dá)1 2 0 公里，單臺(tái)車電池成本4 萬(wàn)元左右；深圳中星汽車制造 公司研制的超級(jí)納米碳纖素電池容量是一般鉛酸電池的1 1 倍，能量功率之比可 達(dá)每千克一千瓦時(shí)，充電僅需l o 分鐘就可以完成，壽命可達(dá)l o 年以上，價(jià)格為 鋰電池的一半，體積為鋰電池的1 3 ，商業(yè)化前景看好；安徽兆成電動(dòng)車輛技術(shù) 有限公司開發(fā)的水平極板鉛酸蓄電池具有較高的性能指標(biāo)，已經(jīng)獲得國(guó)家專利； 中國(guó)科學(xué)院北京三環(huán)通用電氣公司開發(fā)出了電動(dòng)汽車專用7 5 千瓦電機(jī)等。 在整車開發(fā)方面，比亞迪f 3 d m 雙模電動(dòng)車已于2 0 1 0 年3 月底上市。比亞 迪f 3 d m 是全球首款不依賴專業(yè)充電站的雙模電動(dòng)車，代表著全球新能源汽車 技術(shù)的最高水平。比亞迪f 3 d m 面向個(gè)人銷售在中國(guó)汽車史上具有里程碑的意 義，標(biāo)志著中國(guó)雙模電動(dòng)車和電動(dòng)車的普及化進(jìn)程邁出了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。天津清 源電動(dòng)車輛有限責(zé)任公司等十幾個(gè)單位共同參與合作開發(fā)出x l 2 0 0 0 純電動(dòng)轎 車，該車采用了天津夏利2 0 0 0 車型、和平海灣的鎳氫電池技術(shù)和十八所鋰離子 動(dòng)力電池技術(shù)，首批開發(fā)了5 輛達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平的純電動(dòng)轎車。天津清源電動(dòng)車 輛有限公司和中科院電動(dòng)所還共同研制成功全國(guó)第一輛純電動(dòng)中型客車。該電動(dòng) 客車以二汽東風(fēng)客車為原車型，單純以電池為動(dòng)力源，最大時(shí)速可達(dá)8 0 公里。 東風(fēng)電動(dòng)車輛股份公司開發(fā)出了e q 7 1 6 0 e v 純電動(dòng)轎車、純電動(dòng)富康轎車和純 電動(dòng)客車等電動(dòng)汽車。其中，e q 7 1 6 0 e v 純電動(dòng)轎車采用高性能鎳氫電池，純電 動(dòng)富康轎車?yán)胏 e v 9 5 技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)按用戶需求定制。 1 3電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 1 3 1電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求 電動(dòng)車的整體性能取決于電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是 電動(dòng)汽車的心臟，為電動(dòng)車提供運(yùn)行所需的動(dòng)力，它利用功率電子器件、電機(jī)和 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)換成車輛的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。 電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有如下要求 7 1 ： 1 成本：要求電動(dòng)車整個(gè)系統(tǒng)與內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)具有同樣的價(jià)格水平。 2 性能：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、恒功率范圍寬、瞬時(shí)功率大、過載能力強(qiáng)、加速性 能好、調(diào)速范圍寬廣。調(diào)速范圍包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)，在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)要求低速 4 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 運(yùn)行時(shí)，具有大轉(zhuǎn)矩以滿足起動(dòng)和爬坡的要求；在恒功率區(qū)要求低轉(zhuǎn)矩時(shí)具有高 速度，以滿足汽車在平坦的路面能夠高速行駛的要求。在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)具有高 的效率，以提高一次充電的續(xù)駛里程。 3 最優(yōu)的能量利用率：在最輕重量條件下，具有電氣和機(jī)械效率的最優(yōu)， 此外還要充分利用再生制動(dòng)的能量。 4 安全、可靠性高。滿足車輛的各種工況。 1 3 2 電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的比較 目前電動(dòng)車中，主要有以下幾種驅(qū)動(dòng)電機(jī)：直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)、永磁 電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等。在電動(dòng)車研究不同的歷史階段采用了不同的電動(dòng) 機(jī)，最早采用的是控制性能好和成本較低的直流電動(dòng)機(jī)，隨著電力電子技術(shù)、微 機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和開關(guān) 磁阻電動(dòng)機(jī)顯示出比直流電動(dòng)機(jī)具有更加優(yōu)越的性能，這些電動(dòng)機(jī)正在逐步取代 了直流電動(dòng)機(jī)。 電動(dòng)車常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有直流電機(jī)、異步電機(jī)、永磁無(wú)刷電機(jī)和開關(guān)磁 阻電機(jī)。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員針對(duì)這幾種電動(dòng)汽車的常用傳動(dòng)電機(jī)，從多方面對(duì) 其性能進(jìn)行了比較研究 8 - 9 1 。表1 1 給出了常用的傳動(dòng)電機(jī)的性能對(duì)比。 表1 1 電動(dòng)車傳動(dòng)電機(jī)的性能對(duì)比 項(xiàng)目直流電機(jī) 異步電機(jī)開關(guān)磁阻電機(jī)永磁無(wú)刷電機(jī) 外形尺寸大中 小小 結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性差好優(yōu)秀中 驅(qū)動(dòng)器性能優(yōu)秀好好 好 電機(jī)成本低中 中高 功率密度低 中 葡高 效率中中高 局 可見，開關(guān)磁阻電機(jī)有較明顯的特點(diǎn)，與其它三種電機(jī)相比，整體性能優(yōu)良， 尤其是結(jié)構(gòu)非常堅(jiān)固，可靠性高，可在惡劣環(huán)境和高速條件下工作。 開關(guān)磁阻電機(jī)用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有幾方面優(yōu)判1 0 l ： 可靠性：交流電機(jī)主電路中存在直通短路隱患，當(dāng)某相電路出現(xiàn)故障時(shí)，不 能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)，電機(jī)不能運(yùn)行。而開關(guān)磁阻電機(jī)主電路不存在直通短路故障 隱患，各相獨(dú)立工作，一相故障不影響整個(gè)電機(jī)的運(yùn)行，因而具有一定的容錯(cuò)性， 可靠性高。 5 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 調(diào)速性能：具有四象限工作能力，可作為電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)工作，在寬廣的轉(zhuǎn) 速和功率范圍內(nèi)都具有高輸出和高效率?？刂茀?shù)多，控制方式靈活，可控性好， 改變勵(lì)磁相序可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，改變勵(lì)磁角度可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)和發(fā)電運(yùn)行，從而改變輸 出效率和轉(zhuǎn)矩。 起動(dòng)性能：起動(dòng)時(shí)電流低，轉(zhuǎn)矩高。起動(dòng)電流為額定電流的3 0 時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn) 矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的1 5 0 。起動(dòng)電流小，對(duì)車載電源沖擊?。黄饎?dòng)轉(zhuǎn)矩大，可重 載起動(dòng)，并可作為加速、爬坡時(shí)的輔助動(dòng)力。結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可頻繁起動(dòng)。 發(fā)電性能：開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)理與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)不同，它等效于電流源向外輸出 電能，對(duì)蓄電池的充電效果好，可實(shí)現(xiàn)快速充電并延長(zhǎng)電池壽命。 結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊成，無(wú)繞組無(wú)永磁體，因此損耗低，有較高的允 許溫升，工藝簡(jiǎn)單，機(jī)械強(qiáng)度高，適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)和極端惡劣的工作環(huán)境；定子 集中繞組，線圈嵌裝容易，端部短而牢固，銅耗少，繞組承受的匝間電壓峰值為 幾十伏，不存在絕緣疲勞老化，壽命較長(zhǎng)，熱耗大部分在定子，易于冷卻。 可見，開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，節(jié)省材料，成本低。開關(guān)磁阻電 機(jī)的獨(dú)特性能契合了電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的要求，非常適合電動(dòng)車的應(yīng)用。 1 4開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 開關(guān)磁阻電機(jī)( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r , s r m ) 最早可以追溯到1 9 7 0 年， 英國(guó)l e e d s 大學(xué)步進(jìn)電機(jī)研究小組首創(chuàng)一個(gè)開關(guān)磁阻電機(jī)雛形。到1 9 7 2 年進(jìn)一 步對(duì)帶半導(dǎo)體開關(guān)的小功率電動(dòng)機(jī)( 1 0 w l k w ) 進(jìn)行了研究。1 9 7 5 年有了實(shí) 質(zhì)性的進(jìn)展，并一直發(fā)展到可以為5 0 k w 的電瓶汽車提供裝置。1 9 8 0 年在英國(guó) 成立了開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置有限公司( s i ml t d ) ，專門進(jìn)行開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)( s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e ) 的研究、開發(fā)和設(shè)計(jì)。1 9 8 3 年英國(guó)( s r dl t d ) 首先推出了s r d 系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品命名為o u l t o n 。1 9 8 4 年t a s c 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 公司也推出了他們的產(chǎn)品。另外s r dl t d 研制了一種適用于有軌電車的驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)，到1 9 8 6 年已運(yùn)行5 0 0 k m 。該產(chǎn)品的出現(xiàn)，在電氣傳動(dòng)界引起不小的反響。 在很多性能指標(biāo)上達(dá)到了出人意料的高水平，整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能價(jià)格指標(biāo)達(dá)到 或超過了工業(yè)中長(zhǎng)期廣泛應(yīng)用的一些變速傳動(dòng)系糾1 1 】。 6 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 隨后，美國(guó)、加拿大、南斯拉夫、埃及等國(guó)家也都開展了s r d 系統(tǒng)的研制 工作。在國(guó)外的應(yīng)用中，s r d 般用于牽引中，例如電瓶車和電動(dòng)汽車。同時(shí) 高速性能是s r d 的一個(gè)特長(zhǎng)的方向。據(jù)報(bào)道，美國(guó)為空間技術(shù)研制了一個(gè) 2 5 0 0 0 r m i n 、9 0 k w 的高速s r d 樣機(jī)。我國(guó)大約在1 9 8 5 年才開始對(duì)s r d 系統(tǒng)進(jìn) 行研究。s r d 系統(tǒng)的研究已被列入我國(guó)中、小型電機(jī)“八五 、“九五”和“十 五”科研規(guī)劃項(xiàng)目。華中科技大學(xué)開關(guān)磁阻電機(jī)課題組在“九五”項(xiàng)目中研制出 使用s r d 的純電動(dòng)轎車，在“十五 項(xiàng)目中將s r d 應(yīng)用到混合動(dòng)力城市公交車， 均取得了較好的運(yùn)行效果。紡織機(jī)械研究所將s r d 應(yīng)用于毛巾印花機(jī)、卷布機(jī) 等，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 從國(guó)內(nèi)外有關(guān)s r d 系統(tǒng)的文章來(lái)看，對(duì)s r d 系統(tǒng)的研究工作已經(jīng)從論證它 的優(yōu)點(diǎn)、開發(fā)應(yīng)用階段進(jìn)入到設(shè)計(jì)理論、優(yōu)化設(shè)計(jì)研究階段。對(duì)s r 電機(jī)、控制 器、功率變換器等的運(yùn)行理論、優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)形式等方面進(jìn)行了更加深入的研 究。 1 5本文主要研究?jī)?nèi)容 本文針對(duì)電動(dòng)車用1 2 1 0 結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，研究開關(guān)磁阻電機(jī) 在起動(dòng)、電動(dòng)、發(fā)電三種狀態(tài)的控制策略。從理論上對(duì)電動(dòng)車用開關(guān)磁阻電機(jī)控 制系統(tǒng)要求進(jìn)行了分析，并構(gòu)建了1 2 1 0 結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè) 計(jì)了基于d s p 的控制系統(tǒng)軟件，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 本文的主要內(nèi)容分為： 第一章為緒論，介紹了課題研究的目的、現(xiàn)狀、背景及意義等。 第二章為開關(guān)磁阻電機(jī)的基本理論部分，分別闡述了開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 的組成，開關(guān)磁阻電機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)，電機(jī)的基本方程、數(shù)學(xué)模型及特性，控制 方法以及發(fā)電運(yùn)行。 第三章為電動(dòng)車用開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，分別介紹了功率變換 器、主控制器等。 第四章為電動(dòng)車用開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的控制策略和軟件設(shè)計(jì)，介紹了運(yùn) 行控制策略，以及不同運(yùn)行狀態(tài)各控制策略的具體實(shí)現(xiàn)和軟件流程。 7 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 第五章為電動(dòng)車用開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析，按照實(shí)際運(yùn)行 狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出分析結(jié)論。 第六章為總結(jié)與展望。 8 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章開關(guān)磁阻電機(jī)理論分析 2 1 開關(guān)磁阻電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 開關(guān)磁阻電機(jī)( s r 電機(jī)) 1 2 1 ，其六相1 2 1 0 結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示。 圖2 1 六相1 2 1 0 開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 從圖2 1 中我們可以看出s r 電機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)不同，它是 一種雙凸極( 即凸極定子和凸極轉(zhuǎn)子) 的無(wú)刷變磁阻電機(jī)，轉(zhuǎn)子上沒有任何形式 的繞組，也沒有永磁體，僅由硅鋼片疊成定子上只有簡(jiǎn)單的集中繞組，其電流是 靠外圍的功率開關(guān)電路根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的變化作相應(yīng)的通斷而獲得的。其中，徑向 相對(duì)的兩個(gè)繞組構(gòu)成一相【1 3 1 。 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)可以設(shè)計(jì)成多種不同的相數(shù)結(jié)構(gòu)，而且定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)也有 多種不同的搭配。相數(shù)越多，步距角小，利于減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且主 開關(guān)器件相應(yīng)增多，增加了功率電路的成本。三相以下的開關(guān)磁阻電機(jī)無(wú)自起動(dòng) 能力，因此目前應(yīng)用較多的是相數(shù)在三相及三相以上的開關(guān)磁阻電機(jī)。根據(jù)開關(guān) 磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩形成的原理，定轉(zhuǎn)子要不斷形成偏離最小磁阻位置的磁路，因此定 轉(zhuǎn)子極數(shù)不同，一般使定子極數(shù)大于轉(zhuǎn)子極數(shù)。定轉(zhuǎn)子極數(shù)的差值即為一相所對(duì) 應(yīng)的磁極數(shù)。因此1 2 1 0 結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機(jī)定子有1 2 個(gè)齒極，轉(zhuǎn)子有1 0 個(gè)齒 極，每相對(duì)應(yīng)兩個(gè)勵(lì)磁極，共六相。 2 2 開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理 9 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 2 開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行原理圖 開關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程可用圖2 2 說n t l 4 1 ，圖中畫出了c 相不對(duì)稱半橋式 功率變換電路，其它各相與c 相相同。當(dāng)主開關(guān)器件v 1 、v 2 導(dǎo)通時(shí)，c 相從直 流電源啦吸收電能，定子c c 極勵(lì)磁，電機(jī)內(nèi)建立以c c 為軸線的磁場(chǎng)， 其磁通經(jīng)過定子軛、定子極、氣隙、轉(zhuǎn)子極、轉(zhuǎn)子軛閉合。此時(shí)定子凸極c c 與轉(zhuǎn)子凸極2 2 錯(cuò)位，氣隙大，穿過氣隙的磁力線是彎曲的，磁阻大于定、轉(zhuǎn) 子軸線重合時(shí)的磁阻，根據(jù)“最小磁阻原理”【1 5 】，轉(zhuǎn)子凸極2 和2 將受到彎曲 磁力線切向分力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的作用，沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)至轉(zhuǎn)子極軸線2 2 與 定子極軸線c c 對(duì)齊的位置，此時(shí)磁路中磁阻最小，c 相勵(lì)磁繞組的電感最大。 在最小磁阻位置附近關(guān)斷主開關(guān)器件v 1 、v 2 關(guān)斷后，繞組電流經(jīng)二極管v d l 、 v d 2 繼續(xù)流通，并回饋給電源礬。若以圖中定、轉(zhuǎn)子所處的相對(duì)位置作為起始 位置，依次給c b a f e d 相的繞組通電，轉(zhuǎn)子以逆時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)； 反之，若依次給e f a b c d 相的繞組通電，則轉(zhuǎn)子就會(huì)沿著順時(shí)針的 方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)?？梢婇_關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向與相繞組電流的方向無(wú)關(guān)，而僅僅于 相繞組通電的順序有關(guān)。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)過程體現(xiàn)出一定的周期性。如圖中以c b a f e d 的相序每相輪流通電一次后，轉(zhuǎn)子極3 逆時(shí)針轉(zhuǎn)到與定子極e 的 軸線對(duì)齊的位置，再下一個(gè)c b a f e d 勵(lì)磁周期轉(zhuǎn)子極3 運(yùn)轉(zhuǎn)到與定 子極f 的軸線對(duì)齊的位置，可見每完成一次六相輪流勵(lì)磁周期，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)轉(zhuǎn) 子極距仃，因此這個(gè)勵(lì)磁周期轉(zhuǎn)過的角度稱為電角度周期角，其值與轉(zhuǎn)子極距口 相同。對(duì)1 2 1 0 結(jié)構(gòu)的開關(guān)磁阻電機(jī)，其轉(zhuǎn)子極距為3 6 。，因此每個(gè)電角度周期 對(duì)應(yīng)3 6 。而每相勵(lì)磁一次，轉(zhuǎn)過6 。，為一個(gè)步進(jìn)角。 2 3 開關(guān)磁阻電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 1 0 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 建立開關(guān)磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型，通常有以下三種方法：線性模型、準(zhǔn)線性模型 ( 分段線性模型) 和非線性模型。線性模型忽略了飽和及邊緣效應(yīng)，認(rèn)為繞組電感 與電流無(wú)關(guān)：準(zhǔn)線性模型將磁化曲線分段線性化，近似考慮定轉(zhuǎn)子齒極重合時(shí)的 飽和。以上兩種模型，電感參數(shù)有解析表達(dá)式，用于求解電機(jī)性能時(shí)，電流和轉(zhuǎn) 矩有解析解，一般用于定性分析。事實(shí)上，由于電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)和磁路的飽和、 渦流和磁滯效應(yīng)所產(chǎn)生的非線性，加上電機(jī)運(yùn)行期間的開關(guān)性和可控性，電機(jī)運(yùn) 行期間繞組電感不是常數(shù)，而是電流和轉(zhuǎn)子位置角的函數(shù)。 開關(guān)磁阻電機(jī)定子繞組的電流、磁鏈等參數(shù)隨著轉(zhuǎn)子位置不同而變化的規(guī)律 是很復(fù)雜的，難以用簡(jiǎn)單的解析表達(dá)式來(lái)表示，因此很難建立一套精確可解的數(shù) 學(xué)模型。在一定假設(shè)條件下，得到開關(guān)磁阻電機(jī)的三個(gè)基本方程以及理想線性數(shù) 學(xué)模型。利用線性模型，可以對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的一些特性進(jìn)行分析。 2 3 1s r 電機(jī)的基本方程式 s r 電機(jī)動(dòng)態(tài)過程方程由電路方程、運(yùn)動(dòng)方程和機(jī)電聯(lián)系方程三部分組成【1 6 1 。 1 電路方程： 根據(jù)能量守恒定律和電磁感應(yīng)定律，施加在各定子繞組端的電壓等于電阻壓 降和因磁鏈變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)作用之和，即第k 相繞組電動(dòng)勢(shì)平衡方程： 致= r + 警 ( 2 - 1 ) 各相繞組磁鏈為該相電流與自感、其余各相電流與互感以及轉(zhuǎn)子位置角的函 數(shù)： 2 ( ，之，乙：d ( 2 2 ) 由于s r 電機(jī)各相之間的互感相對(duì)自感來(lái)說甚小，為了便于計(jì)算，在開關(guān)磁 阻電機(jī)的計(jì)算中一般忽略相間互感，不考慮兩相以上電流導(dǎo)通時(shí)定、轉(zhuǎn)子軛部飽 和在各相之間產(chǎn)生的相互影響，這時(shí)磁鏈方程可近似成： 2 杪( ；皖) = 厶( 幺，) ( 2 3 ) 2 運(yùn)動(dòng)方程： 按照力學(xué)定律可列出電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩t e 和負(fù)載轉(zhuǎn)矩t l 作用下的轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn) 動(dòng)方程： 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 z = j d 西2 0 。+ 。i d o + 瓦 ( 2 - 4 ) 其中j 和d 分別為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘滯系數(shù)。 3 機(jī)電聯(lián)系方程： 根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，s r 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表示為磁共能對(duì)轉(zhuǎn)子位置增加 的速率 五= 鼉產(chǎn)咧妒) 其中，僅k 相供電時(shí)的繞組的磁共能w7 表示為： w 。上( f ：o ) d 電機(jī)的合成轉(zhuǎn)矩由各相轉(zhuǎn)矩疊加而成： z = 瓦( ；秒) k = l 于是，由以上式子，即組成了s r 電機(jī)的基本平衡方程組。 2 3 2 開關(guān)磁阻電機(jī)理想線性模型分析 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 為了簡(jiǎn)化分析，弄清s r 電機(jī)內(nèi)部的基本電磁關(guān)系和特性，假設(shè)： ( 1 ) 忽略磁通邊緣效應(yīng)和磁路非線性，且磁導(dǎo)率= ，因此繞組電感l(wèi) 式 轉(zhuǎn)子位置的分段函數(shù)； ( 2 ) 忽略所有功率損耗； ( 3 ) 功率管開關(guān)動(dòng)作瞬間完成； ( 4 ) 電機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)。 本文采用s r 電機(jī)線性模型，推導(dǎo)出運(yùn)行狀態(tài)的相電流解析及電磁轉(zhuǎn)矩的解 析解，并在此基礎(chǔ)上分析其轉(zhuǎn)速控制的基本方法即運(yùn)行狀態(tài)的特性。 1 相電感波形 基于理想線性假設(shè)，繞組電感l(wèi) 與轉(zhuǎn)子位置角0 在一個(gè)轉(zhuǎn)子極距tr 內(nèi)的關(guān) 系曲線如圖2 3 所示【1 - 1 8 1 。 1 2 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 廠 廣廠、定予 lr 一i ： l 一轉(zhuǎn)子 t l ( o ) jr l m a x ：1l l m i 小 0 圖2 3 繞組電感l(wèi) 與轉(zhuǎn)子位置角0 的關(guān)系 圖中橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)子位置角，它的基準(zhǔn)點(diǎn)即坐標(biāo)原點(diǎn)0 = 0 的位置，對(duì)應(yīng)于定 子齒中心線與轉(zhuǎn)子槽中心線重合的位置，這時(shí)相電感為最小值l m i n 。在p l 和曉 區(qū)域內(nèi)，定轉(zhuǎn)子磁極不相重疊，電感保持最小值m i l i 不變，這是因?yàn)閟 r 電機(jī)的 轉(zhuǎn)子槽寬通常大于定子極弧，所以當(dāng)定子齒對(duì)著轉(zhuǎn)子槽時(shí)，便有一段定子極與轉(zhuǎn) 予槽之間的磁阻恒為最大并不隨轉(zhuǎn)子位置變化的最小電感常數(shù)區(qū)；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過曉 后，相電感便開始線性地上升直到島為止，島為轉(zhuǎn)子磁極的前沿與定子磁極的 前沿重疊處，這時(shí)定轉(zhuǎn)子磁極全部重疊，相電感變?yōu)樽畲笾等齧 雙；同樣，在島 和以區(qū)域內(nèi)，定轉(zhuǎn)子磁極保持全部重疊，相應(yīng)的定轉(zhuǎn)子齒間磁阻恒為最小值， 相電感保持在最大值三一；從吼相電感開始線性地下降，直到鉛處降為m i n ，島， 秒l 均為轉(zhuǎn)子磁極后沿與定子磁極前沿重合處，如此往復(fù)循環(huán)。 s r 電機(jī)基于線性模型的繞組電感的分段線性解析式為【1 9 - 2 0 ： f 厶血 0 1s 護(hù)0 2 即，- 竺以卜k 瓣三( 2 - 8 ，l ，m 雎 v jivo ”1 【三m “一k ( 口一只) 秒4 口0 5 其中： x ：百l m 廠l m i n = 芻! 墼冬 ( 多s 為定子磁極極弧) 島一只孱 一。“ 2 繞組磁鏈分析【2 1 l 一相的電壓方程式： = 識(shí)+ 譬( 2 - 9 ) 取“+ 則是勵(lì)磁階段繞組兩端所加的電壓，取“一，則是主開關(guān)管關(guān)斷之 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 后續(xù)流階段所加的電壓。由于電阻壓降i r 相對(duì)于dq v d t 很小，可以忽略，這樣 造成的誤差不會(huì)超過線性模型的假設(shè)帶來(lái)的誤差。這樣上式可以簡(jiǎn)化如下： = 警= 等魯= 芳q 。2 邶， 。 西d 秒出d 秒 【2 。l o ) 由此得到： d l ：+ u s 0 1 q q 為轉(zhuǎn)子的角速度 主開關(guān)管開通瞬間( t = 0 ) 為電路的初始狀態(tài)，此時(shí)o o2 ，2 0 。式( 2 - l o ) 左端取+ ，求哦分并代入初始條件，可以得到導(dǎo)通期間的磁鏈表達(dá)式： y ( 鄉(xiāng)) 2 告( 臼一既) 。( 2 - 1 1 ) 主開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候o o = o o f r ，求取關(guān)斷時(shí)刻為初始時(shí)刻的磁鏈表達(dá)式： y ( 護(hù)) = 魯 ( 9 一) 一( 一如) = 百u s ( 2 一屯一鄉(xiāng)) ( 2 m ) 從而 y ( p ) = p 一甌) o o 秒 o o ：0 2 _ o o ( 2 - 1 3 ) 2 一如一p ) ?？趏 o , 2 一瓦口2 ，n - 由式( 2 一1 1 ) 和式( 2 1 2 ) 可以得到一相繞組在通電、斷電的一個(gè)變化周期內(nèi)的磁 鏈表達(dá)式，從而可以得到磁鏈嘴轉(zhuǎn)子位置角口的周期性變化曲線，如圖2 4