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电动车用开关磁阻电机驱动系统多指标同步优化

朱曰莹;杨传甜;赵桂范;王大方

【摘要】为了提高电动汽车用开关磁阻电机综合性能，在获得开关磁阻电机磁链特性曲线的基础上建立了其非线性动态模型;以改善平均转矩,降低转矩脉动，提高电机效率为目标，提出了一种多指标同步优化开关角度的方法，建立了最优开通角、关断角与转速、负载转矩之间的函数关系;设计了基于可变开通角、关断角的驱动系统优化控制器;定义了均方根电流比例系数、转矩平顺度比例系数和等效功率比例系数3个概念，将多指标同步优化策略与平均转矩最优化策略进行了对比分析，分析及实验结果表明利用多指标同步优化开关角度的方法建立的转矩优化控制器能很好地平衡平均转矩、转矩脉动和电机效率3个参数指标，达到了优化开关磁阻电机转矩动态特性的目的.

【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷)，期】2018(022)010【总页数】10页(P25-34)【关键词】电动汽车;开关磁阻电机;控制器;转矩特性;优化【作者】朱曰莹;杨传甜;赵桂范;王大方

【作者单位】天津科技大学机械工程学院，天津300222;天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室，天津300222;天津科技大学机械工程学院,天津300222;哈尔滨工业大学汽车工程学院仙东威海264209;哈尔滨工业大学汽车工程学院仙东威海264209

【正文语种】中文［中图分类】TM352

0引言

开关磁阻电机驱动系统具有结构简单，成本低，可靠性高，性能优越等优点［1-2］,使其成为电动汽车驱动系统的最优选方案之一［3-4］。然而开关磁阻电机过大的转矩脉动对电机本身及电动车传动机构是非常有害的［5］，另外电机的效率将直接决定着电动汽车的续驶里程，因此，在电动车驱动系统中，降低开关磁阻电机脉动、提高输出效率，对电动车获得良好的牵引特性具有至关重要的意义。

现在比较常用的开关磁阻电机转矩控制方法一是对换相过程中转矩进行优化控制，如：电流双幅值斩波控制［6］；PWM斩波调压控制［7-8］；直接瞬时转矩控制技术［9-10］等；另一种方法是基于现代控制理论的优秀智能控制策略，如：模糊补偿控制［11］；滑模控制［1,12-13］；自适应控制［2］；人工神经网络控制［1,14-15］等。这些方法在一定程度上取得了很好的效果，推动了开关磁阻电机控制技术的发展。本文以电动车用开关磁阻电机大转矩、低脉动和高效率为目标，建立其转矩优化控制器，以满足电动车对牵引电机各复杂工况的要求。首先，本文建立了电动车用开关磁阻电机非线性动态模型；以提高电机整体动态特性为目的，针对开关角度提出了一种多指标同步优化方法，建立了基于转速与负载转矩的最优开关角度模型；设计了驱动系统优化控制器，通过多指标同步优化控制器仿真结果与平均转矩最优化控制器仿真结果的比较分析，证明本文提出的多指标同步优化策略能有效地提高电动车用开关磁阻电机的转矩整体动态性能。

1开关磁阻电机非线性动态建模

1.1开关磁阻电机非线性特性

根据电路基本定律，每一相的磁链可以通过相电压与绕组压降差值的积分进行计算

得到

pk(i,e)

(1)

式中：Wk为第k相磁链；uk为第k相绕组两端电压；Rk为相绕组电阻；ik为第k相支路电流；。为转子角度。

开关磁阻电机的电磁转矩可以通过磁链特性，利用测得相电流与转子位置角度求得

Te(i,0)(i,0)W(i,0)dio

(2)

式中：Te为电磁转矩；W(i,。)为磁共能。

根据力学原理，开关磁阻电机在电磁转矩和负载转矩共同作用下，转子的机械运动方程为

Te(i,0)w+TLo

⑶

式中：J为系统转动惯量；B为摩擦系数；3为转子角速度；TL为负载转矩。

平均输出转矩对电机动态特性具有十分重要的意义。对于四相绕组开关磁阻电机的平均输出转矩，利用周期内合成电磁转矩平均值来表示，将平均值以积分形式表示，其平均输出转矩为

(i,e)d0o

⑷

开关磁阻电机的转矩脉动将大大增大车辆系统的噪声，降低车辆系统的操纵稳定性与乘坐舒适性，所以抑制开关磁阻电机的转矩脉动对提高车辆总体性能具有重要意义。利用合成电磁转矩周期内的均方根来定义转矩脉动系数TR,表示成积分形式为

TR=(i,0)d0)1/2o

⑸

在用数学模型定义了转矩脉动系数的基础上，引入开关磁阻电机转矩平顺度系数的概念，其定义为对转矩脉动进行倒数运算。因此，转矩平顺度系数为

(6)

在电动汽车驱动系统中，电机驱动输出动力特性需要满足电动汽车加速、最高车速和爬坡等动力性能指标，同时需要提高输出效率，增大电动汽车续驶里程。这些指标与电机的工作特性密切相关。等效功率系数能很好地反映电机的实时功率输出特性，描述电机驱动系统的综合性能［16］，等效功率系数定义如下