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基于SRM系统的电动汽车动力驱动方案研究槽形混合机

文章来源:宝富五金网  |  2022-08-05

基于SRM系统的电动汽车动力驱动方案研究

基于SRM系统的电动汽车动力驱动方案研究 2012年10月20日 目前发展低碳经济已经延伸到了国民经济的各个领域内,首当其冲要在汽车产业实现突破。新能源汽车是目前整个世界汽车工业的竞争焦点,世界各大汽车厂商都将未来汽车发展重点放在新能源汽车上,而纯电动汽车因为其整体的优越件越来越受到各国汽车厂商的重视,纯电动汽车关键技术也成为了主要竞争点。在国内,各大汽车厂商及很多非传统汽车领域内的厂家也在做着相关技术的研发与产业化工作。 电动汽车的关键技术有:底盘电动化技术、驱动电机与控制系统技术及电源管理系统技术等。目前整车与底盘基本沿用原有的内燃机汽车结构,并与车身轻量化技术共同发展。驱动电机与控制系统及电源管理系统是整个纯电动汽车技术的关键。电池技术是电动汽车目前的一个瓶颈,短时间很难取得关键突破,有待于基础学科研究取得重大进展。因此作为核心的电机与控制系统技术,成为各食业研究的重点方向。1电动汽车动力驱动系统类型 电动汽车在技术方案上可以采用的方案有直流有刷电机、永磁无刷电机、交流感应电机和开关磁阻等四种电机作为动力源。目前直流有刷电机已经被淘汰,应用最为普遍的为交流感应电机与永磁无刷电机。 欧美等国研究方向主要是电动汽车交流感应电机及其控制系统,开发的电动汽车大多采用交流感应电机,其主要优点是价格较低、效率高、质量小,但因电动汽车电源为直流,故所需要从直流变换到交流电再供给电机使用,同时其启动转矩小,系统结构复杂,制造成本与后期维护成本较高,一般多为应用于公共汽车等大型车辆上。日本汽车食业研究的电动汽车几乎大部分使用永磁无刷电机,其主要优点是效率比交流感应电机高6%,但造价较贵,同时永磁材料一般仪耐热120℃以下,长时间运行电机易消磁,造成性能下降,维护成本上升。 开关磁阻电机系统的特点主要有以下几个方面: 1、)电动机结构简单、制造成本低、适于高速运行; 2、)效率高、功耗小; 3、)高起动转矩、低起动电流,起动电流可以为额定工作电流的30%,启动转矩可达到额定值的1 50%; 4、)可控参数多,系统控制父活。控制SRM(开关磁阻电机、)的主要运行参数和方法可采用控制开通角、控制关断角、控制相电流幅值、控制相绕组电压等方式。可以根据电动汽车不同的工况采用不同的控制方法和参数值,使系统运行于最佳状态。表1为各类电动汽车驱动电机系统的基本性能比较。

从表l及前述可知,开关磁阻电机系统结构简单、控制方便、制造成本较低的特点,因而其在电动汽车动力驱动中得到应用,可以满足要求的同时使电动汽车成本得到有效降低,对于电动汽车更快进入市场化发展是有较大意义的。

2 SRM的工作原理 SRM(开关磁阻电机)的结构和工作原理与前述的两类电机有本质的差异,为烈凸极可变磁阻电动机,定转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成,并且定转子极数不能相等,转子既无永磁体也无绕组,只有凸极,定子绕有集中绕组,通常采取径向相对的2个绕组串联成一相。各磁蹄的磁阻随着转子位置的改变而改变,因此电机的磁场能量也随着转子位置的变化而变化,同时将磁能转变为机械能。根据定转了的极数不同,电机可以设计成多种不同相数结构,形成定转子的多种不同的搭配。图l为常见的四相8/6极结构的开关磁阻电机的结构示意图。 开关磁阻电机的运行遵循“磁阻最小原理”,同时其转向与相绕组的电流方向无关,而仅仅取决于相绕组的通电顺序。根据能量守恒和电磁感应定律,施加在各定了绕组端的电压等于电阻压降和因磁链变化而产生的感应电势作用之和,则通过SRM每一相的瞬时端电压与相绕阻的磁链有以下关系: 式中:U为绕组端电压;j为绕组电流;尺为绕组电阻;ψ为绕组的磁链。 忽略磁蹄饱和与互感因素的影响,SRM的每相磁链为: 将式(2)代入式(1)并且忽略磁蹄的非线性,得SRM的电磁转矩:

式中:T为SRM的电磁转矩;i为绕组电流;θ为转子角度。 由式(3)可知,通过控制相绕组电流导通的时刻、相电流脉冲的幅值和宽度,即可控制SR电机转矩的大小实现SRM的调速控制。 根据SRM运行特性可分为三个区域:恒转矩区、恒功率区、串励特性区(自然特性区)(如图2所示)。恒转矩区与恒功率区是电机运行的可控区,通过控制条件,能够实现在实线以下的任意实际运行特性控制。当电机在恒转矩区运行时,转速较低,电动机反电动势小,通常采用电流斩波控制(CCC)方式。当电机在恒功率区运行时,旋转电动势较大,开关元件导通的时间较恕,电流较小。在外加电压和开关角一定的条件下,随着角速度的增加,转矩急剧下降,此时采用角度位置控制(APC)方式,通过按比例地增大导通角来补偿,延缓转矩的下降速度。因串励特性区属于不可控区,故SRM通常不运行于串励特性区。3 驱动系统方案 驱动系统控制参数如下:额定输入电压60V/72V;工作环境温度一40°C~50°C;全功率输出温度一25℃~80。C;绝缘≥500 Vac;功率输出≥3 kw;能实现系统的过压、温度、欠压、过流等保护;系统能实现开SRM的软启动、慢倒车、制动充电等四象限运行。3.1驱动系统结构 系统l由DSP智能控制单元、SRM、位置与电流检测单元、智能功率变换模块及电动汽车整车控制模块组成。系统中DSP采用美国Tl公司的16位数字信号处理器TMS320F240x系列中的TMS320LF2407 DSP芯片作为智能控制单元,采用PWM(Pulse Width Modulation)技术的控制方法来实现数字化的闭环控制,实现了动力驱动系统在电动汽车整车控制模块控制下的闭环精确控制。系统框图如图3所示。

3.2智能功率变化模块 通常对于功率驱动部分采用的方式功率器件IGBT与隔离驱动电路组成,其兼有过电流保护功能。随着技术的发展,智能功率控制模块(IPM)开始在控制系统中得到应用。IPM内部含有子极驱动控制电路、故障检测与多蹄保护电路,并在内部宵传感器用于检测功率器件IGBT的主电路,内部故障保护电路模块主要用于检测过流、短路、欠压、过热等故障。当出现故障时,内部电路会停止驱动信号并向外输出故障信号,停止系统工作。系统采用日本三菱公司生产的PS21564智能功率模块,通过三块PS21 564的组合组成智能功率变换模块,通过内部16个IGBT来对4相绕组进行控制。3.3 电流与位置检测 电流检测采用霍尔电流传感器来实现,检测电流经处理后与DSP的10位A/D转换ADCIN00、ADCIN01、ADCIN02与ADCIN03通道连接,作为电流环的控制反馈信号。 由于SRM的结构特征,要使SRM止常运转,必须要进行实时测量转子的位置,文献[8]等研究了一类间接检测转子位置的方法。本系统因实际应用的可行性,采用传统的直接检测转了位置的方式来进行位置检测。位置检测采用GD一4096线的光电编码器进行检测,光电编码器的输出信号经过处理直接与DSP事件管理器的捕获单元CAP连接,通过编码器发山的脉冲数可准确判断转子的位置,确定下一个导通相,同时DSP通过软件编程计算出位置传感器脉冲宽度的时间,计算出SRM的转速。4系统软件方案 系统采用DSP数字PI调节器来实现SRM系统的闭环控制,通过给定值与实际输出值之间的偏差E(t)来进行控制系统全数字速度闭环运行。控制系统软件的主要功能是根据转子位置状态和实际转速发出对应绕组通、断信号。系统软件包含一个主程序和若干个中断服务子程序,主程序对整个系统以及DSP芯片运行进行初始化;中断子程序主要包括行采样各工作参数、故障信号处理等。主程序框图如图4所示。

5 结论 对由SRM系统构成的电动汽车动力驱动方案进行讨论,由SRM构成的一类经济的电动汽车驱动系统是可行的。当前主研究领域是集中于非直接转子位置测试的控制方案的工程应用,以及进一步通过优化控制策略克服电机转矩脉动,优化SRM系统的运行特性。

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