CN102611369A - 电动汽车专用开关磁阻电机调速系统 - Google Patents

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Abstract

电动汽车专用开关磁阻电机调速系统，属于电动汽车的动力控制系统领域。其特征在于：控制器的输出端连接功率变换器的控制端，控制器的输入端连接外部给定；功率变换器的输出端连接电动机，其输入端连接蓄电池组；SRM的定子/转子极数为24/16极，开关磁阻电机的输出轴连接负载；传感器包括电流检测器和位置检测器，位置检测器设置在开关磁阻电机内部，电流检测器和位置检测器的输出端分别连接控制器的输入端。通过有针对性地对现有SRD进行了整体性一致性改进，符合车辆工况的负载特性，瞬时功率大，过载能力强，加速性能好，调速范围宽广，改善了电机在低速转矩的波动问题，降低了SRM的噪声，延长了电池寿命，节电效果显著，符合电动汽车用电机的要求。

Description

电动汽车专用开关磁阻电机调速系统
技术领域
本发明提供一种电动汽车专用开关磁阻电机调速系统，属于电动汽车的动力控制系统领域。
背景技术
电动汽车中常用的交流电机主要有异步、永磁、开关磁阻三大类型，其中，异步电机主要应用在纯电动汽车(包括轿车及客车)，永磁同步电机主要应用在混合动力汽车(包括轿车及客车)中，开关磁阻电机目前更多地应用在客车中。特别是，由于具有高效、高功率密度的特点，目前在混合动力轿车中采用的基本都是永磁同步电动机。
电动汽车分为纯电动、混合动力和燃料电池三种类型，无论纯电动汽车、混合动力电动汽车还是燃料电池电动汽车，车用驱动电机系统既是关键技术又是共性技术。
目前电动车辆有5种：串励有刷直流电机、有刷永磁直流电机、交流电机(异步电机)永磁同步调频电机和无刷直流电机。
1)有刷直流串励电机：优点是启动转矩大、过载能力强；缺点是需要换碳刷、高速有环火、不适宜高速运行、效率低、体积大、防护能力差、能量回馈差，主要用在电动三轮车上。
2)有刷永磁直流电机：优点是比有刷直流串励电机效率高，能量回馈好，启动转矩和过载能力一般；缺点是需要换碳刷、高速有环火、不适宜高速运行、效率适中、体积大、防护能力差，主要用在电动三轮车上。
3)交流电机：优点是结构简单、电机本身可靠性高；缺点是起动转矩小、起动电流大、电机要靠增大启动电流来产生大转矩，但因电池特性所限，电池难以提供大的电流，影响了电机转矩的提升，这种电机效率低、控制复杂，能量回馈性能差。
4)永磁同步电机：优点是具有较高的效率，能量回馈好；缺点是低速时转矩无法提升，有失步问题，应用很少。
5)无刷直流电机：优点是：电机外特性好，电机体积小、重量轻，速度范围宽，缺点是电机本身比交流电机复杂，运行电流大，特别是电机磁钢易退磁，降低了电机与电池的作用寿命。
现有的开关磁阻调速电机系统(Switched Reluctance Driver，简称SRD)是以现代电力电子与微机控制技术为基础的机电一体化产品。SRD具有如下技术特点：
1、效率高，节能效果好。在所有的调速和功率范围内，SRD效率都可达到85％以上，整体效率比交流异步电动机变频调速系统(简称变频调速)至少高10％以上，在低速工作的状态下其效率能够提高20～30％以上。与直流调速、串级调速、电磁调速等系统相比，SRD节电效果更明显。
2、起动转矩大，特别适合于那些需要重载起动和负载变化明显并且频繁的场合。SRD控制器从电源吸收较少的电流，在电机可得到较大的起动转矩，起动转矩达额定转矩的150％时(车用300％)、起动电流仅为额定电流的30％，比之直流电动机的100％电流获得100％的转矩的性能，优势非常明显。
3、调速范围广。SRD电动机可以在低速下长期运行。由于效率高，在低速下的温升程度比额定工况时还要低。此外，SRD电动机最高转速不会像交流电动机那样受极数的限制，可以根据实际需要灵活地设定最高转速，最高转速可达10000rpm。
4、可频繁正、反转，频繁起动、停止，电动车等应用场合。
5、起动电流小，避免了对蓄电池的冲击，在整个工作范围内，其起动电流小于额定电流。
6、电机结构简单、坚固、制造工艺简单，成本低。工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境，不存在直流永磁电机的退磁现象。
7、由于控制器中功率变换器与电机绕组串联，不会出现变频调速系统功率变换器可能出现的直通故障，可靠性大为提高。
由于SRD复杂的非线性电磁特性，运行控制的关键就是要实时检测转子磁极位置以确定不同转速下的定子各相开关角，开关角的调整是SRD的主要控制参数和手段，甚至可以独立控制SRD的运行。
目前一般工业用SRD的控制方法是用各种位置检测器采集信息后通过控制器的微处理实时解算转子磁极位置查表给出事先经实验优化确定的各相开关角参数，然后以相电流CCC和电压PWM斩波方式实现转速闭环控制。过程环节多、软件复杂，对微处理器解算速度和可靠性要求高，成本高，在电动车辆驱动领域很难直接运用。电动车辆的SRD驱动系统，对调速精度要求低但对可靠性和效率要求高；各相开关角的控制参数和解算还直接关系到电动车辆的安全性，因而应十分警惕过于依赖微处理器控制汽车核心驱动系统。
表1比较了三类电动汽车用调速系统。
表1三类电动汽车用调速电机系统比较
Figure BDA0000144736960000021
Figure BDA0000144736960000031
由于SRM的定、转子双凸极结构以及特殊的供电方式，开关磁阻电机调速系统的性能也存在着不足，这主要表现在：(1)位置传感器的引入使电机结构复杂，安装调试困难；电机和控制器之间连线增加，且由于传感器分辨率的限制，常常导致开关磁阻电机调速系统性能下降；(2)为提高电机输出功率密度，SRM通常运行于深度磁饱和状态，这导致SRM转矩是转子位置和绕组电流的非线性函数。在采用传统的矩形脉冲供电模式下，电机转矩有明显脉动，在转轴惯量小、转速低时尤为严重。当将SRM用于电动汽车驱动时，还存在着功率密度低、体积及重量大和电机噪声大等特点。这些缺点限制了SRM在电动汽车上的应用，也促使国内外学者对开关磁阻电机调速系统作进一步的研究。
中国专利CN1266823C公开了一种三相开关磁阻电动机调速系统中功率变换器的控制方法，其系统中由六只功率管构成的三相逆变桥功率变换器，其特征是在三相逆变桥功率变换器中，功率管V1-V6以电角度720°为周期分为12个通电状态，导通顺序为V1V6-V1-V1V5-V5-V3V5-V3-V3V4-V4-V2V4-V2-V2V6-V6，周而复始12个通电状态采用对称不均匀时间分布，以相邻一组双管导通和一只单管导通构成一个状态组，该状态组通电时间为120°电角度，双管导通时间大于单管导通时间。本发明使三相开关磁阻电动机的性能得到很好的发挥。该控制方法不适于电动汽车控制，不适于汽车工况。
发明内容
根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的问题是：提供一种既符合电池充放电特性，又符合车辆工况的负载特性，瞬时功率大，过载能力强，加速性能好，节电效果显著，调速范围宽广的电动汽车专用开关磁阻电机调速系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：电动汽车专用开关磁阻电机调速系统，包括控制器、功率变换器、电动机和传感器，其特征在于：所述的控制器的输出端连接功率变换器的控制端，输出控制信号，控制器的输入端连接外部给定；所述的功率变换器的输出端连接电动机，其输入端连接蓄电池组；所述的电动机为开关磁阻电机，开关磁阻电机的定子/转子极数为24/16极，开关磁阻电机的输出轴连接负载；所述的传感器包括电流检测器和位置检测器，电流检测器用于检测开关磁阻电机的运行电流，位置检测器设置在开关磁阻电机内部，检测转子与定子的相对位置以及转速信号，电流检测器和位置检测器的输出端分别连接控制器的输入端。
外部给定主要包括电动汽车的加速踏板、制动和转向盘输出信号，经过控制器信号处理，输入到电动机驱动器，控制功率变换器的功率输出量，实现控制驱动SRM转速和扭矩，再通过机械传动装置，驱动车辆负载行驶。通过将开关磁阻电机的定子/转子极数增加到24/16极，改善了SRM在低速扭矩的波动问题，功率密度有了较大提高，电机的噪声有所降低。
其中优选方案是：
所述的控制器通过单片机、数字/模拟电路以及外围电路设置信号连接的起动及给定电路、给定积分器、速度调节器、电流调节器、脉宽调制电路、电流限幅电路和通电逻辑电路；电流信号经过电流检测器检测以后，输入电流限幅电路进行平稳性处理，再通过通电逻辑电路驱动功率变换器输出；转子与定子的相对位置信号经过位置检测器检测以后，通过测速输入速度调节器进行处理，同时转子与定子的相对位置信号输入通电逻辑电路驱动功率变换器输出；外部给定信号经过起动及给定电路输入，经过给定积分器、速度调节器处理后，输入电流调节器控制输出电流，控制脉宽调制电路输出，同时速度调节器的输出信号输入通电逻辑电路，构成转速电流双闭环系统，驱动功率变换器输出。其调速系统属于转速电流双闭环系统，通过脉冲宽度调制电路调节加于SRM绕组上的电压和电流，实现调速和稳速的目的。通过逻辑电路改变通电相序改变SRM的转向，并通过改变换相角改变SRM的电动、制动工作状态。电流限幅改善了SRM的转矩平稳性，实现控制和SRM的安全工作。控制器内还可以设置多种保护和自我诊断功能。由于单片机程序可修改性，可以方便的满足用户在SRM性能等方面的多种需求。通过单片机内部软件和外围控制电路，进行模拟实/试验，经过双闭环系统控制，电机扭矩波动大幅度减小，噪声大幅度降低，解决了通用开关磁阻电机的软件和控制电路一般对电机的相电流进行控制，导致开关磁阻电机在换相时，电机转矩出现较大的波动，同时也导致较大的噪声的问题。
所述的控制器设置由数码管或/和发光管构成的操作显示电路，操作显示电路的输入端连接控制器的数据输出端。接收手动或者电气操作信号，如起动、停止、转向、转速等信号，并将操作情况和SRM的实际运行情况和故障情况显示出来。
所述的功率变换器采用不对称半桥结构，功率开关元件为IGBT，功率开关元件IGBT与开关磁阻电机绕组相串联。由于SRM的定子绕组的电流是单向的，功率开关元件IGBT必须与SRM绕组相串联，这就使得功率电路设计简单化，并且不会出现类似变频器的上下桥臂因控制错误而造成直通短路的严重事故，故而开关磁阻电机调速系统的主电路具有很高的工作可靠性。
所述蓄电池组为120V的铅酸蓄电池供电系统，所述开关磁阻电机的参数为：额定功率：10KW，相电流有效值：85A，相感应最大值：1.2mH，额定转速：3000rpm，相感应最小值：0.12mH。根据目前电动汽车用蓄电池的实际技术水平，为使SRM的体积小、重量轻，同时保证车载能源的重量轻，特选用了此型号的蓄电池组和SRM，进一步提高整体SRD的性能。
本发明的电动汽车专用开关磁阻电机调速系统所具有的有益效果是：通过分析电动汽车用电机驱动系统的特点以及对开关磁阻电机的要求，有针对性地对现有SRD进行了整体性一致性改进，既符合电池充放电特性，又符合车辆工况的负载特性，瞬时功率大，过载能力强，加速性能好，调速范围宽广。具体上：
1、增加了电机定子和转子的极数，针对车用电机的特点，将开关磁阻电机的定子、转子极数增加到24/16极，通过增加极数，改善了电机在低速转矩的波动问题，功率密度有了较大提高，电机的噪声有所降低；
2、通过对开关磁阻电机的软件和控制电路的优化改进，避免了通用开关磁阻电机在换相时，电机转矩波动大，噪声大的缺点；
3、低速大力矩，启动电流小的特点；在较宽的调速范围和输出功率范围内，都具有高的整体效率，符合电动汽车用电机的要求。
整体性能，表2中比较了电动汽车专用SRD与工业通用SRD的相关技术质量参数。从表3中可以看出，电动汽车专用SRD的综合性能要优于通用SRD的性能。
表2汽车专用开关磁阻电机系统和通用SRD对比
  序号   项目  通用SRD  汽车专用SRD   备注
  1   极数(定子/转子)  12/8  24/16
  2   额定扭矩(N.M)  33  33
  3   最大扭矩(N.M)  50  110
  4   额定转速(rpm)  3000  3000
  5   最高转速(rpm)  4500  4500
  6   电流峰值(A)  92  125
  7   线圈直径(mm)  1.2  1.2
  8   线圈并联数  8  4
  9   噪声(dB)  75  60   相对
  10   功率(kW)   10   10
  11   体积(mm*mm)   275*452   205*315   直径*长度
  12   重量(kg)   70   30
  13   效率(％)   90   90   高低速，轻重载综合
  14   控制方式   电流   扭矩   根据位置、电流、扭矩曲线模拟
附图说明
图1为本发明的电气原理方框图；
图2为本发明的功率变换器的电路原理图；
图3为本发明的控制器原理方框图；
图4为本发明的SRD扭矩与电流的关系曲线图；
图5为本发明的定转子位置和扭矩的关系曲线图；
图6为本发明的SRD转矩(功率)与转速特性曲线图；
图7为本发明的软件和控制电流改进后的扭矩、电流的测试波形图；
其中：V1-V6、IGBT  VD1-VD6、二极管 C1、滤波电容 A、B、C、绕组。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：
实施例1：
如图1所示，本系统包括控制器、功率变换器、电动机和传感器。
控制器的输出端连接功率变换器的控制端，输出控制信号，控制器的输入端连接外部给定；所述的功率变换器的输出端连接电动机，其输入端连接蓄电池组；电动机为开关磁阻电机，开关磁阻电机的定子/转子极数为24/16极，开关磁阻电机的输出轴连接负载；传感器包括电流检测器和位置检测器，电流检测器用于检测开关磁阻电机的运行电流，位置检测器设置在开关磁阻电机内部，检测转子与定子的相对位置以及转速信号，电流检测器和位置检测器的输出端分别连接控制器的输入端。
蓄电池组为120V的铅酸蓄电池供电系统，所述开关磁阻电机的参数为：额定功率：10KW，相电流有效值：85A，相感应最大值：1.2mH，额定转速：3000rpm，相感应最小值：0.12mH。根据目前电动汽车用蓄电池的实际技术水平，为使SRM的体积小、重量轻，同时保证车载能源的重量轻，特选用了此型号的蓄电池组和SRM，进一步提高整体SRD的性能。
外部给定主要包括电动汽车的加速踏板、制动和转向盘输出信号，经过控制器信号处理，输入到电动机驱动器，控制功率变换器的功率输出量，实现控制驱动SRM转速和扭矩，再通过机械传动装置，驱动车辆负载行驶。通过将开关磁阻电机的定子/转子极数增加到24/16极，改善了SRM在低速扭矩的波动问题，功率密度有了较大提高，电机的噪声有所降低。
如图2所示，功率变换器采用不对称半桥结构，功率开关元件为IGBT V1-V6，功率开关元件IGBT V1-V6与开关磁阻电机绕组A、B、C相串联。输入端设置滤波电容C1。由于SRM的定子绕组的电流是单向的，功率开关元件IGBT必须与SRM绕组相串联，这就使得功率电路设计简单化，并且不会出现类似变频器的上下桥臂因控制错误而造成直通短路的严重事故，故而开关磁阻电机调速系统的主电路具有很高的工作可靠性。
当IGBTV1、V2同时闭合时，相绕组A充电；IGBTV1、V2同时关断时，A相绕组储存的能量通过二极管VD1、VD2续流回馈给电源。B相与二极管VD3、VD4的连接，C相与二极管VD5、VD6的连接，与A相相同。由于这里的能量可以回馈，因此这种变换器效率较高。变换器中电动机绕组与2个主开关管串联，不存在上下桥臂贯穿直通短路的故障隐患。两相同时工作时，由于各相之间是互为独立的，控制方式较为简单。
如图3所示，控制器通过单片机、数字/模拟电路以及外围电路设置信号连接的起动及给定电路、给定积分器、速度调节器、电流调节器、脉宽调制电路、电流限幅电路和通电逻辑电路；电流信号经过电流检测器检测以后，输入电流限幅电路进行平稳性处理，再通过通电逻辑电路驱动功率变换器输出；转子与定子的相对位置信号经过位置检测器检测以后，通过测速输入速度调节器进行处理，同时转子与定子的相对位置信号输入通电逻辑电路驱动功率变换器输出；外部给定信号经过起动及给定电路输入，经过给定积分器、速度调节器处理后，输入电流调节器控制输出电流，控制脉宽调制电路输出，同时速度调节器的输出信号输入通电逻辑电路，构成转速电流双闭环系统，驱动功率变换器输出。
其调速系统属于转速电流双闭环系统，通过脉冲宽度调制电路调节加于SRM绕组上的电压和电流，实现调速和稳速的目的。通过逻辑电路改变通电相序改变SRM的转向，并通过改变换相角改变SRM的电动、制动工作状态。电流限幅改善了SRM的转矩平稳性，实现控制和SRM的安全工作。控制器内还可以设置多种保护和自我诊断功能。由于单片机程序可修改性，可以方便的满足用户在SRM性能等方面的多种需求。通过单片机内部软件和外围控制电路，进行模拟实试验，经过双闭环系统控制，电机扭矩波动大幅度减小，噪声大幅度降低，解决了通用开关磁阻电机的软件和控制电路一般对电机的相电流进行控制，导致开关磁阻电机在换相时，电机转矩出现较大的波动，同时也导致较大的噪声的问题。
控制器设置由数码管或/和发光管构成的操作显示电路，操作显示电路的输入端连接控制器的数据输出端。接收手动或者电气操作信号，如起动、停止、转向、转速等信号，并将操作情况和SRM的实际运行情况和故障情况显示出来。
实验效果：
如图4所示，改进后SRD的扭矩和工作电流的关系曲线。实验SRD的额定功率为10KW，额定转速为3000r/min。从图中可以看出，当扭矩低于20N.m时，电机扭矩与工作电流之间呈现近似线性增长的关系，然而当扭矩大于20N.m时，电机的扭矩增长速率随着工作电流的增加明显降低，表明在大负荷工作时，电机消耗功率会增加。
如图5所示，为改进后电机扭矩与定、转子关系角度关系。从图中可知，改进后的电机扭矩随定子转子关系角度变得非常平滑，表明电机运行稳定可靠。
如图6所示，是改进后SRD的转矩(功率)与转速的工作特性曲线。从图中可以看出，在额定转速下，基本为恒扭矩输出；在额定转速到最高转速后，为恒功率输出。在低速情况下，启动扭矩约为1.5倍，而功率仅为额定功率的约10％左右。
如图7所示，测定的改进前(左侧图)、改进后(右侧图)SRD的扭矩和电流的波形变化。显著，改进前的扭矩存在明显的尖峰极值，而改进后的扭矩输出则非常稳定平滑。相对应地，改进后的电流则由原来的相对稳定转变为稍有波动。这表明，通过对电机结构的定子、转子极数增加到24/16极，并对控制电路和控制软件改进后，电机扭矩波动大幅度减小，噪声大幅度降低，基本实现了由电流控制转变为扭矩控制。
以上实施例是本专利较佳实施方式，本领域技术人员在本专利的思想指引下联想到的其他变形实施方式，也在本保护范围内。

Claims (5)

1.一种电动汽车专用开关磁阻电机调速系统，包括控制器、功率变换器、电动机和传感器，其特征在于：
所述的控制器的输出端连接功率变换器的控制端，输出控制信号，控制器的输入端连接外部给定；
所述的功率变换器的输出端连接电动机，其输入端连接蓄电池组；
所述的电动机为开关磁阻电机，开关磁阻电机的定子/转子极数为24/16极，开关磁阻电机的输出轴连接负载；
所述的传感器包括电流检测器和位置检测器，电流检测器用于检测开关磁阻电机的运行电流，位置检测器设置在开关磁阻电机内部，检测转子与定子的相对位置以及转速信号，电流检测器和位置检测器的输出端分别连接控制器的输入端。
2.根据权利要求1所述的电动汽车专用开关磁阻电机调速系统，其特征在于：所述的控制器通过单片机、数字/模拟电路以及外围电路设置信号连接的起动及给定电路、给定积分器、速度调节器、电流调节器、脉宽调制电路、电流限幅电路和通电逻辑电路；
电流信号经过电流检测器检测以后，输入电流限幅电路进行平稳性处理，再通过通电逻辑电路驱动功率变换器输出；
转子与定子的相对位置信号经过位置检测器检测以后，通过测速输入速度调节器进行处理，同时转子与定子的相对位置信号输入通电逻辑电路驱动功率变换器输出；
外部给定信号经过起动及给定电路输入，经过给定积分器、速度调节器处理后，输入电流调节器控制输出电流，控制脉宽调制电路输出，同时速度调节器的输出信号输入通电逻辑电路，构成转速电流双闭环系统，驱动功率变换器输出。
3.根据权利要求2所述的电动汽车专用开关磁阻电机调速系统，其特征在于：所述的控制器设置由数码管或/和发光管构成的操作显示电路，操作显示电路的输入端连接控制器的数据输出端。
4.根据权利要求1或2所述的电动汽车专用开关磁阻电机调速系统，其特征在于：所述的功率变换器采用不对称半桥结构，功率开关元件为IGBT，功率开关元件IGBT与开关磁阻电机绕组相串联。
5.根据权利要求1所述的电动汽车专用开关磁阻电机调速系统，其特征在于：所述蓄电池组为120V的铅酸蓄电池供电系统，所述开关磁阻电机的参数为：额定功率：10KW，相电流有效值：85A，相感应最大值：1.2mH，额定转速：3000rpm，相感应最小值：0.12mH。
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