电动车开关磁阻电机驱动系统研究

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1、博士学位论文电动车开关磁阻电机驱动系统研究ResearchontheSwtichedReluctanceMotorDriveSystemforElectricVehicles作者：程鹤导师：陈昊教授中国矿业大学二○一五年六月中图分类号TM352学校代码10290UDC621.3密级公开中国矿业大学博士学位论文电动车开关磁阻电机驱动系统研究ResearchontheSwitchedReluctanceMotorDriveSystemforElectricVehicles作者程鹤导师陈昊申请学位工学博士培养单位信电学院学科专业电气工程研究方向电机及其控制答辩委

2、员会主席王秀和评阅人二○一五年六月论文审阅认定书研究生程鹤在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。导师签字：年月日致谢值此论文完成之际，我首先要向尊敬的导师陈昊教授表达最衷心的感谢!在我攻读博士学位期间，陈老师在学习、生活等方面给了我极大的指导、关怀和帮助。从论文的选题，思路的提炼，实验的细节都倾注了陈老师大量的精力和心血。陈老师渊博的学识，严谨的治学态度，饱满的工作热

3、情，敏锐的学术洞察力，为人谦和的处事作风永远是学生学习的楷模，并将激励我今后的人生道路。在此，谨向陈老师表达诚挚的谢意!感谢中国矿业大学信电学院的各位师长，你们对我学业、生活上的指导和关怀，我将永志于心。实验室浓厚的学习氛围、融洽的兄弟友情给我了一个温馨的学习环境。在此感谢徐瑞东副教授、于东升副教授、昝小舒博士、曾辉博士、在读的徐阳博士、王千龙博士、王青博士以及马磊、余国军、杨洲、黄为龙、梁琨、王孙清等师弟间有益的探讨和无私的帮助。最后，向百忙之中审阅本文的专家老师致以深深的谢意!摘要面对资源紧缺和环境污染两大问题，世界各国都大力发展和推广新能源电动车。电

4、机驱动系统是电动车发展的关键技术之一，开关磁阻电机(SRM)因起动转矩大、调速范围宽、驱动效率高、容错能力强和成本低等特性，非常适用于电动车应用场合。然而，较大的转矩脉动、特殊的功率变换器结构和脆弱的位置传感器同样也限制了SRM在电动车中的应用。为此本文根据电动车电机驱动系统需求特性，对电动车用SRM设计指标、新型功率变换器驱动拓扑、电动车SRM驱动控制策略和四象限无位置传感器控制进行了研究。论文主要内容如下：根据电动车电机驱动系统需求特性和SRM固有特性，总结了六个设计指标：转速因数υ、转矩铜损比率η、过载转矩系数ζ、转矩平滑系数τ、伏安利用率f和转子转

5、矩密度ρ。基于有限元(FEA)建立了SRM动态仿真模型，对每个设计指标进行了优化。根据优化分析选择了四个敏感性几何参数，并采用多目标优化函数对每个几何参数进行优化，其中优化函数中的设计指标根据电动车驱动性能需求选择了不同的权重系数。最后采用所提的方法设计了一台电动车用SRM，并对电机静态和动态性能进行了测试，实验结果验证了所提指标和设计方法的正确性。功率变换器是SRM驱动系统重要组成部分之一，本文将双向DC/DC变换器和不对称半桥功率变换器级联，构成了能实现电动车不同工作模式的新型驱动拓扑。详细分析了功率变换器电动状态的六种等效工作电路，制动状态的五种等效

6、工作电路和充电状态的四种等效电路。在电动状态，前端变换器工作在Boost模式，低速轻载时降低母线电压，减小电流脉动和开关损耗；高速重载时，升高母线电压，缩短换相时间，提高驱动效率和功率输出能力。在制动状态，前端变换器工作在Buck模式，机械能转换为电能并给蓄电池充电。在充电状态，利用电机绕组和功率开关器件构成了车载充电器，并有功率因数校正(PFC)功能，仿真和实验验证了所提拓扑的有效性和灵活性。根据电动车电动和制动两种工作状态，本文提出了电动状态采用转速闭环控制，制动状态采用制动转矩闭环控制。在电动状态，采用三段式控制策略，以拓宽SRM调速范围；为了提高加

7、减速过程的平滑度，提出了混合交叉控制；并通过在线调节开通角和关断角，提高驱动系统效率。在制动过程中，采用制动转矩闭环控制策略；设计了转矩估计器实时估计SRM制动转矩，实现制动转矩信号反馈；设计了前馈加饱和补偿的复合转矩调节器，减小动态制动转矩响应时间，提高稳态制动转矩精度；采用遗传算法优化开通和关断角，减小转矩脉动，提高制动能量回馈效率。仿真和实验验证了电动和制动状态控制策略的正确性。I位置传感器的安装降低了SRM驱动系统在电动车中应用的可靠性，为此本文提出了能实现自起动、四象限和宽调速范围的无位置传感器控制。首先根据三相12/8极SRM几何结构的对称性，

8、测得电机在7.5°、15°、30°和37.5°转子位置的磁链-电流