开关磁阻电机在混合动力军用车辆中的应用.pdf

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编号:20181111074602972371    类型:共享资源    大小:362.82KB    格式:PDF    上传时间:2019-02-16
  
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应用i E眦A 迫札再控制应用2008,35(1) 开关磁阻电机在混合动力 军用车辆中的应用 杨岳峰, 王素杰, 张奕黄 ’(北京交通大学电气工程学院,北京100044) 摘要:对开关磁阻电机(SRM)在混合动力军用车辆中的应用进行了研究。分析了SRM的运行原理、 调速特性和控制方法,设计了离散滑模变结构-PI控制器。试验表明,系统获得了较好的静态和动态性能。本 系统选用数字信号处理(DSP)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)结合的控制电路,控制灵活,工作可靠,有效地 利用了DSP的内部资源。 关键词:开关磁阻电机;混合动力汽车;军用车;滑模.PI控制器 中图分类号:TM301.2:TM352;U469.6+93文献标识码:A文章编号:1673-6540(2008)01-0058-05 Application of Switched Reluctance Motor Used for Hybrid Military Vehicle YANG Yue-feng, WANG Su-jie, ZHANG Yi—huang (School of Electric Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China) Abstract:The印plication of SRM in military vehicles is studied.The principle,characteristics and methods of SRM are analyzed.Sliding mode—PI controller is designed.Experiments show the steady and dynamic performances of SRM are suit for operating of military vehicles.The control unit is composed of DSP and CPLD,which are contrib- uting to the reliability and flexibility of military vehicles,and the inner resources of DSP are utilized efficiently. Key words:switched reluctance motor;hybrid el佻tdc vehicle;military vehicle;sliding mode—PI COIl- troller 1 混合动力军用车辆概述 1.1 混合动力军用车辆的研究状况 混合动力汽车(HEV)不仅具有低排放的优 点,又发挥了石油燃料的高比能量和比功率的长 处,显著改善了传统内燃机汽车的排放和燃油经 济性,增加了混合动力车的续驶里程。 混合动力军用车辆(以下简为“军车”)采用 传统的内燃机和电动机作为动力能源,通过混合 使用热能和电能两套系统开动汽车。其混合动力 系统的最大特点是油、电发动机的互补工作模式。 在起步或低速行驶时,车辆仅依靠电力驱动,此时 汽油发动机关闭,车辆的燃油消耗量是零;当车辆 行驶速度升高(二般达40 km/h以上)或者需要 紧急加速时,汽油发动机和电机同时起动并开始 输出动力;在车辆制动时,混合动力系统能将动能 转化为电能,并储存在蓄电池中以备下次低速行 一58一 驶时使用。这些特点使得混合动力军车可节省燃 料50%,与纯电动车及燃料电动车两种电动车相 比,混和动力军车在动力性能、续驶里程、使用方 便性等方面具有优势,因而最具商业价值和批量 生产的可能。 军车要具有高的机动性能和通过性能,使其 在各种路面上都能顺利行驶,并提高主动安全性。 因此,军车要求全轮驱动,同时希望具有防滑、防 抱死功能。当汽车使用混合动力系统时,不仅能 发挥电动机优异的驱动行驶特性,使车辆的动力 性提高,还可以通过控制发动机与电动机的协调 工作使发动机工作在最佳工况。另外,当军车在 各种路面行驶时,其电机与驱动车轮直接相连,因 此可通过检测到的车轮滑转信号,由控制器处理 分析输出控制指令,以实现对电机的直接控制。 由于目前电机的控制(如直流电机的斩波控制、 交流电机的脉宽调制(PWM)控制、矢量控制、力 万方数据 迫札与楦刊应用2008,35(1) 应用2 E醐强 矩直接控制等)在工业上的应用逐渐成熟,比对 发动机直接控制要更容易实现,因而使混合动力 汽车在提高动力性能的同时,还可以大大提高通 过性能。因此,混合动力应用于军车具有非常重 要的意义。 1.2混合动力军车的优势 与传统军车相比,混合动力军车的优势比较 明显,主要体现在燃油经济性、车辆加速性、可靠 性和可维护性、减小排放和红外特征及具有小型 移动电站的功能等几方面。 2 开关磁阻电机 2.1开关磁阻电机与其他电机的比较 各种电动机各有长处,又各有不足。下面结 合混合动力军车对电机的要求,着重对使用较多 的异步电机同开关磁阻电机(SRM)做一比较。 从表1和表2中的数据可以看出,SRM在效 率、结构、价格、维护、控制方法等方面都比传统电 机有较大优势;尤其是SRM的起动转矩大,但起 动电流却不大,而且由于结构上的原因,使SRM 非常适合高速运行。因此,SRM是混合动力军车 较为有竞争力的一种特种调速电机。 表1 7.5 kW的SRM与异步电动机驱动系统性能比较 2.2 SRM的特性 SRM是20世纪70年代以后才逐渐发展起 来的一种新型驱动装置,是磁阻同步电动机和电 力电子开关电路相结合而产生的一种机电一体化 新产品。它可以实现高精度、快响应、高效率以及 高输出的性能指标。 表2 7.5 kW的几种调速系统性能比较 性能指标 尊差电动直流电}置苎电动机开关警阻苎机 机调速 机调速 变频调速 驱动系统 作为一种驱动装置,SRM综合了交流感应电 动机和直流电动机的许多优点,是极具潜力的电 动军车驱动方式。本文充分分析了SRM的原理 和特点,认为采用开关磁阻电动机驱动系统 (SRD)来驱动混合动力军车是一种良好的方案。 SRD的优点可以归纳如下: (1)SRM转子无绕组,具有成本低、坚固耐 用、高速旋转不变形、转动惯量小、容易实现加减 速、耐热性能好等特点。可见,SRM很适合于频 繁起停、增减速等多变的运行。 (2)SRM的定子绕组为集中式绕组,容易安 装在定子中;其端部固定,冷却方便,适于工作在 频繁起停状态。 (3)SRM的转矩方向与相电流方向无关,只 需控制开关器件导通角度,即可改变电机的工作 状态;能够很方便地实现四象限运行,适合军车的 减速、刹车制动、正反方向的运行和转换。 (4)SRM在宽调速范围内能保持很高的效 率,通常是85%一90%,这对于蓄电池供电的军 用车辆来讲是非常可贵的。 (5)SRM具有再生作用,在汽车下坡时可以 向蓄电池充电。 (6)SRM遵循磁阻最小原理,只有励磁电 流,由磁共能产生转矩,所以起动转矩大、起动电 流小、起动时间短,适合军用车辆加速,控制灵活。 (7)SRM的调速性能接近于直流电动机优 越的调速性能,可以实现车辆平稳光滑的变速要 求,满足车辆运行的舒适性。 由于SRM双凸极结构和磁路饱和的非线性, 一59— 万方数据 应用}EMCA 电札与控制应用200$,3s(1) 使SRM的合成转矩是含有一定谐波分量的脉动 转矩。谐波的存在对SRM的低速运行性能有影 响,噪声和振动比一般电机大,且出线较多。但最 新研究成果表明,通过对SRM的优化设计,以及 采取更为合理的控制方案,上述缺点是可以得到 改进的。英、美等国一些军事科研机构应用SRM 的军车,也很好地证明了SRM能够以优良的性能 应用于军车的牵引驱动。基于SRM的上述优点, 它在军车牵引方面的应用一定会成为其他传统电 机的有力竞争者。 2.3 SRM电动车辆驱动系统构成 SRM军车驱动系统是由蓄电池、功率变换 器、SRM、电流传感器、位置传感器和控制电路组 成的机电一体化的机电能量转换系统。系统结构 框图如图l所示。 图1 SRM控制系统的系统结构 3 军用车辆SRM驱动系统控制策 略的设计 SRM的典型运行特性可分为三个运行区,分 别为恒转矩区、恒功率区和串激特性区。根据 SRM的这种特性,可将SRD系统的控制分为恒转 矩控制区(I)、恒功率控制区(II)和串激特性控 制区(Ⅲ)。 SRM通常有角度控制、电流斩波控制、电压斩波 控制等控制方法,它们各有其适用范围和优缺点,在 不同的区域内所采取的控制策略也是不同的。 在(I)区内采取电流斩波控制方式。在 (Ⅱ)区内采取角度位置控制方式。在(Ⅲ)区内 对电流幅值和通电角度的控制都已达到了极限 值,不再作控制,SRM运行在自然的机械特性上。 ’在整个控制过程值中始终采用电压PWM斩单管 控制。在电流斩波方式中,有起动斩波、定角度斩 波和变角度斩波三种方式。 这里采用电压PWM斩单管方式,主要是基 一60一 于其优良的控制性能。因为当相电流较大时,由 于饱和的原因,占空比D近似与转矩r成正比。 因此,采用电压斩波PWM控制可以通过调节占 空比D从而很好地控制转矩,并且不存在模式的 转换问题。但对应某一宽广的速域,如单纯地采 用PWM调压调速控制,而使开通角0,、关断角如 固定,则其局限性是显然的。因为在某一速度下 运行的SRM,相同的转矩,其0,、以和占空比可以 有多种不同的组合,因而对应有不同大小的电流 有效值。如固定0。、02而只调节占空比,则无法 做到在整个运行速域内损耗最小、效率最优。因 此,为提高效率和获得较大的转矩,电机的开通、 关断角也必须随转速的改变而变化。 综合以上分析,本系统采用的是PWM加优 化角度的分段控制策略。本系统各种控制方式沿 速度轴的分布如图2所示。 : 一l毫角度斩鎏l窆角度斩章 定电流、变角度控制 定电$酞定角度控制 ∞b nJa ∞h ∞虻 ∞sm硇 一 图2 SRD系统各种运行方式 4 SRM的离散滑模变结构一PI控制 4.1 SI蝴滑模变结构-PI控制的设计与实现 对于滑模算法,一方面,控制的离散性将造成 转速抖振;另一方面,在稳态点附近,前后两次转 速测量误差会导致较大的转速导数误差,引起切 换函数及控制量变化较大,造成转速在稳态点附 近振荡。这也是实际系统转速抖振的主要原因。 因此,本系统外环最终采用了离散滑模变结构一PI 控制。即在稳态点附近切换为PI控制。此时采 用PI控制主要是为了获得较高的稳态精度,参数 选择较为简单。图3为离散滑模变结构.PI控制 SRM系统框图。 图3 SRM离散滑模变结构一PI控制系统框图 万方数据 ’穹札与控刊应闸200&3S(1) 应用i E眦A 4.2控制电路硬件设计 本系统采取了数字信号处理(DSP)与复杂可 编程逻辑器件(CPLD)结合的控制电路,提高了 系统可靠性和灵活性。控制电路硬件结构框图如 图4所示。 图4 SRD硬件框图 4.3软件设计 混合动力军车开关磁阻电机控制器采用Ⅱ 公司的TMS320LF2407作为主控芯片。图5是该 控制器软件主程序流程图。程序采用汇编语言编 制,包含了电机起动、导通逻辑预测、电流斩波、角 度计算、数字PI、离散滑模控制等子模块,结构紧 凑,修改调试比较方便。 5 试验结果 图6(a)是电机带负载直接起动时的转速波 形(转速给定为l 000 r/min)。从图中可以看出, 电机起动后到达给定转速的转速上升时间较短。 图6(b)是电机在给定转速不变的情况下,加 雪 { 蔺 辩 图5主程序流程图 载、减载时转速变化波形。电机加载时,负载转矩 突然增大,使得电机的电磁转矩小于负载转矩,导 致电机转速滑落。系统正是在转速降落时使电机 输出更大的电磁转矩,在调节器的作用下迅速回 升到给定转速,达到一个新的平衡状态。电机减 载时的情况正好相反。由于电机在降速时没有电 磁转矩作为制动转矩,转速快速降落是由负载转 矩的制动作用;此时负载转矩比加载升速时的电 磁转矩要小,电机转速降落的时间相对长一些。 菖 墨 煅 埤 (a)带负载直接起动时的转速 (b)给定转速不变,加载、减载时转速波形 图6 电机带载运行转速波形 一61— 万方数据 应用《EMCA ,迫扎再控制应闭2008,35(1) 图7是20 kW开关磁阻军用电机运行时检 测到的电压、电流波形。 图7绕组电压、电流波形 从图7可知,电机绕组的导通区间与关断区 间的长度随转速的升高而减小。开关导通,蓄电 池电压正向加在电机绕组两端;开关关断后的电 压斩波续流期间,与电机绕组相连的两开关只关 断一个,绕组为零电压续流;当换相时与绕组相连 的两个开关都关断,电源电压反向作用在电机绕 组两端,绕组为反压续流。 图8为电机带负载起动时的转矩转速波形。 从图中可以看出,电机起动时间短,起动转矩平稳。 图8 电机带负载起动转矩转速波形 6 结 语 综上所述,SRM是一种非常适用于军车的牵 引电机。其优越的调速性能和抗干扰能力都使 SRM应用于混合动力军车牵引成为可能。另外, SRM能可靠地运行于发电状态,很容易实现四象 限运行,还可以兼作发电机和移动电站使用,因此 极大的扩展了军用车辆的机动性和使用范围。 【参考文献】 [1] Giuseppe S Buja,Roberto Menis,Maria I Valla.Vat- iable structure control of an SRM drive[J 1.IEEE Trans On Industry Electmnics,1993,40(5):56-62. 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