電動汽車用外轉子開關磁阻電機設計與控制系統仿真

韓 帥，王 艷，殷天明

(1.北京交通大學電氣工程學院，北京 100044;2.北京聯鑫動力科技有限公司，北京 100096)

0 引言

開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor，SRM)因為其結構簡單、成本低、較高的調速范圍、控制靈活且效率高等優點[1]，且有一定的再生制動能力，在電動汽車領域具有更廣闊的應用前景。外轉子開關磁阻電動輪系統作為輪轂電機系統的一種，可以直接驅動汽車的運行，省去齒輪箱、傳動軸等機械結構，提高了電動汽車的效率及可靠性。直接控制電機的運行狀況即可控制汽車的運行狀況，使得電動汽車的操縱簡單。

電動汽車用SRM要求有較小的轉矩脈動及一定的再生制動能力，以增加汽車的續航里程。電壓及電流斬波控制及角度控制[2]是SRM最常用的控制策略。本文采用有限元軟件Ansoft對30 kW的12/8極SRM進行了不同角度、不同電流下穩態磁場的仿真分析，得到的磁鏈、轉矩數據作為MATLAB仿真下的電機數據。其次利用MATLAB/Simulink建立SRM非線性控制模型，在電流斬波，電壓斬波及角度控制的基礎上，引入模糊電流補償控制器，對SRM電動狀態及再生制動狀態進行了仿真。

1 SRM非線性模型

1.1 SRM的數學模型表達式

式中:uk——第 k(k=1，2…p)相繞組電壓;

Rk——第k相繞組電阻;

ik——第k相繞組電流;

ψk——第k相繞組磁鏈;

重型血友病患者首次關節出血一般發生在2歲左右，關節出血的發生率隨著年齡增長而逐年提高。反復的關節出血易集中在1～2個關節，血友病常累及膝、踝、肘及腕關節，以膝關節最常見，約占49.3%，且關節出血多見于血友病A[11]。

Te——電磁轉矩;

J——轉動慣量;

F——阻尼系數;

TL——負載轉矩;

W'——繞組的磁共能[3]，

為了得到式(2)的磁鏈與式(5)的轉矩的數值關系，本文采用有限元軟件Ansoft對SRM進行二維穩態磁場分析，可以較為精確地得到磁鏈和轉矩隨角度和電流變化的數據。

1.2 Ansoft電機模型

本文采用的12/8極外轉子SRM，參數如表1所示。

表1 SRM參數

基于Ansoft建立的電機模型[4]如圖1所示。

圖1 Ansoft電機模型

1.3 Ansoft二維穩態磁場求解

在一個轉子位置角周期(0～45°)，電流變化為0，10，20…120 A下的磁鏈曲線圖和轉矩曲線圖[5]分別如圖 2、圖 3 所示。

圖2 0～120 A磁鏈角度曲線圖

圖3 0～120 A轉矩角度曲線圖

2 SRM系統仿真模型

2.1 單相SRM仿真模型

單相SRM仿真模型主要由電流斬波，功率變換，電流、轉矩查表，模糊電流補償控制器構成。

(1)電流，轉矩查表模塊。

利用前文30 kW SRM得到的穩態磁場數據，采用數值分析三次多項式插值法，利用MATLAB工具箱將圖2反演為i=f(ψ，θ)的數據，結果如圖4所示。采用MATLAB二維查表模塊。當輸入給定的磁鏈值和角度時，電流模塊利用二次插值的算法計算得到最接近的電流值，由得到的電流值與角度值輸入轉矩查表模塊，得到最接近的轉矩值。

圖4 電流反演圖

(2)電流斬波模塊。

在一個轉子周期內，當電流大于斬波上限值ih時，關斷開關管，當電流小于斬波下限值il時，開通開關管。管子導通時施加正的電源電壓，管子關斷時施加負的電源電壓，使電流迅速下降為零。

(3)功率變換模塊。

電動狀態下:當角速度0＜w＜100時，開通角度 θon=2.5°，關斷角度 θoff=17.5°，導通電壓為513 V。當 w≥100 時，θon=42°，θoff=16°。

制動狀態下:當角速度0＜w＜100時，開通角度 θon=22°，關斷角度 θoff=31°。w≥100 時，θon=18°，θoff=31°。當 θ＞ θoff時，繞組施加負的電壓513 V，使電流在下一周期開始前下降為零。

(4)模糊電流補償模塊。

為減小轉矩脈動，引入模糊電流補償模塊[7]。根據圖3轉矩特性曲線，在角度偏小和偏大區域，轉矩的回落幅度最大，在此區域補償較大的電流，以減小轉矩的回落。在其他區域補償較小的電流或者不進行補償。

模糊控制以電流值和角度值作為輸入，補償電流為輸出[8]。電流值和角度值各分為七個語言值。分別為 NB、NM、NS、Z、PS、PM 和 PB。其補償電流隸屬函數如圖5所示，電流補償的模糊規則表見圖6。

圖5 補償電流隸屬函數

圖6 模糊規則表

2.2 三相SRM仿真模型

采用的三相雙閉環控制系統仿真模型，其三相模型各差15°。每相模型中，采用 MATLAB Function函數將采集到的電機位置信號(經角速度積分得到)轉化為0～45°的角度值。轉速環采用 PID 控制器，ki=10，kp=20，kd=0.05，電流環采用PI調節器，kp=15，ki=5。

當電機起動時，為限制起動電流，采用帶模糊電流補償的電流斬波控制，電流斬波值設置為50 A。當角速度w≥50 rad/s時，采用雙閉環控制，外環速度環的輸出作為內環電流環的給定，電流環的輸出值送入PWM模塊，與參考波形(三角波)相比較，輸出占空比可調節的PWM波。

當電機制動時，首先將外環速度給定變為負值，同理，速度反饋經反相器也變為負值，這是因為制動狀態下，導通角度變化，電機輸出轉矩為負值，為了保證閉環系統為負反饋，作此改變。倘若未改變給定與反饋方向，系統將工作在正反饋狀態下。

制動狀態下，當 w≥50 rad/s時，采用 PWM控制，當w＜50 rad/s時，采用電流斬波的雙閉環控制。此時速度環的輸出經PID調節作為電流斬波的給定值。

2.3 仿真結果

仿真結果如圖7～圖12所示。電動狀態下速度給定值設定為w=200 rad/s，制動狀態下速度給定值設定為w=60 rad/s。

由圖7可知，電機可運行在電動狀態下和再生制動狀態下。由圖11和圖12相比較可知，傳統控制策略下的轉矩最小值為50 N·m，帶模糊補償控制的轉矩最小值為80 N·m，其在一定程度上抑制了轉矩脈動。

圖7 轉速波形

圖8 斬波狀態下電流波形

圖9 三相電流波形

圖10 三相轉矩波形

圖11 傳統控制下起動轉矩

圖12 帶模糊電流補償下的起動轉矩

3 結語

本文針對30 kW電動汽車用外轉子SRM，采用有限元分析進行了電機本體設計，較為精確地獲得了SRM的靜態特性。利用MATLAB/Simulink對SRM進行了系統建模和調速仿真。電動汽車用SRM要求具有較小的轉矩脈動和再生制動能力。仿真結果表明本文所建立的模型和控制策略實現了再生制動的要求，且有較小的轉矩脈動。結果表明SRM控制系統可以很好地應用于電動汽車領域。

[1]王宏華.開關磁阻電機調速系統控制技術[M].北京:機械工業出版社，1995.

[2]吳建華.開關磁阻電機設計與應用[M].北京:機械工業出版社，2000.

[3]吳紅星.開關磁阻電機系統理論與控制技術[M].北京:中國電力出版社，2010.

[4]閆大偉.外轉子開關磁阻電動機的設計及其有限元分析[D].廣州:華南理工大學，2004.

[5]湯蘊璆，梁艷萍.電機電磁場的分析與計算[M].北京:機械工業出版社，2010.

[6]黃寶磊，商高高，童成前.SRM應用于混合動力汽車再生制動系統的可行性分析[J].機械設計與制造，2012，1(1):46-48.

[7]SOARES F，COSTA P J.Simulation of switched reluctance motor based on MATLAB/simulink environment[J].Aerospace and Electronic Systems，2001，37(3):989-1009.

[8]HUSAIN，EHSANIM.Torque ripple in minimization in switched reluctance motor drives by PWM current control[J].IEEE Transactions on Power Electronics，1996，11(1):83-88.