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文档简介
辽宁科技大学本科生毕业设计(论文)辽宁科技大学本科生毕业设计(论文)第页1绪论1.1课题背景及选题意义电动汽车,如清洁能源,节能,低噪音和能源多样化,是公认的解决未来能源问题和环境问题的最有效的工具之一,在世界上,各国政府,企业和科研机构的所有国家的关注。中国电动汽车的技术水平与发达国家相差不大,而目前的格局是一种罕见的为中国汽车制造业的发展机会,并加强研究和开发,以生产出达到当代国际水平并具有自主知识产权的电动汽车,是国家的利益所在。电动汽车最明显的优势是快速准确的转矩控制,如果不能充分利用这点,电动汽车的性能难以在与其他新能源汽车的竞争中获得绝对优势(如在能源消耗方面,柴油混合动力汽车会更低)。通过实现和超越传统内燃机性能的智能控制的电动汽车电机驱动系统,不仅只是在简单的动力源替换,尤其是配备多个电机的电动车。由于其特殊的布置形式而在提高汽车操纵稳定性方面具有令人瞩目的潜力[1-2]。在本文中,采用双电机前轮的电机进行了研究。无刷双馈电机作为驱动电机,并分别对驱动系统结构及电机牵引、汽车操纵稳定性控制、差速控制策略问题进行深入的研究。本论文一方面研究电动汽车无刷双馈电机牵引控制问题,提出针对性地控制结构与控制策略,另一方面以提高操纵稳定性为目的,研究两个牵引电机的协同控制,研究成果既具有理论意义亦有工程应用的可能。1.2电动汽车的发展概况1.2.1国外发展现状从1970年起,发达国家已经在商业开发和应用电动汽车方面投入了巨资。到20世纪90年代,美洲和欧洲国家都相继制定并严格执行[3]关于汽车尾气排放标准。在美国大力发展纯电动汽车需要很长的时间,需要的投资也非常大。早在1991年,在美国创建了先进的电池联盟是由三大汽车公司共同签署了一项协议而成立的,这个联盟是共同合作和研发汽车电池去供应电动型汽车。在1990年初,为了发展ev-i型纯电动汽车美国通用汽车公司投资近10忆美元,这种汽车车大容使用铅酸电池和镍氢电池,具有137马力、3相交流感应电动机驱动,最大的时速可高达80km/h,一次性充电可行驶的里程为75~130km,完整的充电时间为5.5~6h。之后通用公司新建设了电动汽车生产线。2002年福特公司在市面上推出了全新的THINK都市车。这种汽车采用了前轮驱动,运用的是交流电的控制系统和单速齿轮减速传动装置,还有别的充电设备可以选择,在内的插入式充电器为标准配置分别为110V或220V,220V的充电设备可以在6~8h之内将电池充满[4-9]。在日本,电动汽车已受到各个领域的关注,日本在1997年后的一些制造商就开始销售第二代纯电动型汽车,这种汽车装配了镍氢和铿离子电池。在近20世纪末,日本的丰田公司研发出了装备RAV-4EV型纯电动轿车,这种汽车的动力装配是一台不用维修护理的功率为50kw的交流同步电动机,汽车的电力的支持是由88V镍氢电池供给的,充电的时间为5~6h,最高的速度是125km/h,通过一次性充电能行驶的距离215km。随后日产公司成功的研制出一款采用铿离子电池为主动力的LunnetEV五座纯电动轿车,一次性充电可行驶多达230km并且最高车速为120km/h。闪耀在第16届国际电动车展会上的新型电动车—“Prius”,它是由丰田公司研发的,至今在日本国内、美国、欧洲分别销量达3.5万辆、1万余辆、1万余辆。欧洲也投入力量大力发展电动汽车。法国在电池、电子控制和电机技术等电动汽车技术方面位于全球前列,法国的电动车产业最具优势,在整个的欧洲共有电动汽车的数量为12000辆,而单单法国所拥有的数量就占据了这个欧洲的63%。在1971年,德国成立了城市电动车交通公司(GES),1991年国家投入了300辆电动汽车进行运行。1.2.2国内发展现状我国正式对电动汽车的研制始于1981年,自从20世纪90年代以来,国家支持研发的关于电池技术和电动汽车的项目数量达十余项;机械部主办了关于电动型汽车的发展战略研究会;中美合作签署了电动汽车技术相关的战略协议;在中国的汕头、南澳岛开通了国家电动车专用实验区,并拥有世界各国多种先进的车型。目前,我国已自主开发出多种型号的电动汽车,中国首辆电动轿车于2001年6月也在湖北东风汽车公司问世。近600辆由我国自主研发的新能源汽车在北京2008年奥运会时得到了成功使用。2010年的上海世博会,各场馆使用了大量的电动车。国家高技术研究发展计划关于电动汽车重大专项燃料电池轿车项目分别由我国北京理工大学、清华大学、同济大学三所大学承建。我国西安交通大学在电动车关键的技术领域研发了有多达15项国家发明专利,且正式授权的有5项。1.3多电机驱动电动汽车控制技术目前,许多电动汽车发展还处于传统的燃油汽车动力改造阶段,其结构是借用汽车的传动体系,采用一个动力电动机,由减速器和差速器驱动两个(或四个)驱动轮。明显的,这样的结构只是改变了传统汽车的动力源,只有电动机的转矩特性较发动机有一定的改善,但是并没有根本充分发挥电动驱动系统和改变车辆的运动性能所带来的技术进步的优势。多电机驱动系统直接面向电动汽车的理想的结构形式,给电动车带来了许多不同于传统燃油汽车的新问题和新特性,基于本课题的研究成果,使得电动车技术全面超越燃油汽车成为可能。1.4主要研究工作本文以无刷双馈电机牵引的双轮驱动电动汽车为研究对象,将对驱动系统及整车操纵稳定性的控制策略进行了理论分析、系统仿真和实验验证。主要工作可分解为以下部分:(1)电动汽车用无刷双馈电机直接转矩控制牵引控制策略的研究在研究无刷双馈电机工作机理的基础上,对电机直接转矩控制系统的能流和控制方案,进行了深入的分析和仿真研究,立足于电动汽车的驱动要求,根据无刷双馈电机在能量分配、运行方式及动态控制性能上的优势,首次提出以无刷双馈电机作为双轮驱动电动汽车的牵引动力,同时采用针对性控制策略满足车辆牵引要求,打破了传统无刷双馈电机的应用限制。针对无刷双馈电机低速运行时控制绕组无谓回馈能量,造成功率及控制绕组电流过大,增加逆变器容量的问题,提出通过控制绕组电流最小化控制方案,优化系统的控制策略,切实减小逆变器功率,降低系统成本。采用无刷双馈电机转子速数学模型,对电机的牵引控制策略进行了全面的仿真研究,仿真结果表明:无刷双馈驱动具有电机容量小、动态响应快、起动、制动、加速、减速各工况下能量分配灵活、高速运行能力强的优点,当逆变器不可使用时,电机可当做感应电机。对于在野外工作的汽车来讲,驱动设备相当于一个“冗余”系统。实验研究结果进一步揭示了电动汽车无刷双馈电机牵引控制的运行机理,有效验证了本文提出的牵引系统的可行性。(2)双轮驱动电动汽车的差速研究根据无刷双馈电机在结构、控制及能量传递方面的特殊性,提出双轮驱动电动汽车无刷双馈电机级联差速控制结构,该结构充分发挥了电机双馈输入的优势,简单经济,在车辆转向时能量利用率高;论文还研究了双轮无刷双馈电机独立差速驱动结构,仿真结果表明:级联和独立驱动两种差速结构均可有效实现差速控制,级联差速成本低,转向时两电机分别在亚同步区和超同步区工作,能量自动在两电机间合理分配;独立驱动动态性能好、调速范围宽、能量可控性强,更利于在高速电动汽车上使用。2无刷双馈电机运行的基本原理本文提出采用两台无刷双馈电机分别驱动电动汽车的左右前轮,充分发挥无刷双馈电机电磁功率传递灵活和节能的优势。无刷双馈电机定子上有两套绕组,均可从电源接收或向电源回馈能量,用两个小功率双馈电机可取代传统汽车的发动机、离合器、变速箱及笨重而庞大的机械差速机构。对于电动汽车的转向控制来说,电机是实现牵引的执行机构,能否控制车辆准确执行司机指令,平稳行驶,一方面取决于双轮电机控制指令的优化,另一方面则取决于电机的牵引控制系统能否准确地跟踪指令,本章首先研究的即是单电机的牵引控制策略。双轮驱动电动汽车转向时,如果不加以控制,则将产生内外车轮的转速过快或过慢问题,从而导致汽车转向困难,车轮与地面的相对滑动,加快了轮胎的磨损率。为保证在汽车转向时,所有车轮均绕转向中心作纯滚动,外轮车速应大于内转车速,即需要对左右两牵引电机进行差速控制。双馈电机的双绕组结构为差速控制带来很多优势,采用何种差速控制结构和控制方案也是本章要讨论的问题。无刷双馈电机在定子侧具有控制绕组和功率绕组,按照转子结构的不同,又可分为笼型以及磁阻转子两类,本文选用笼型无刷双馈电机。无刷双馈电机的控制绕组,其作用相当于转子,它的功率绕组的作用就等同于一般的绕线式双馈电动机的定子,而取消了绕线电机的电刷,将定子控制绕组和功率绕组都接至逆变电源上,通过调节功率、控制两绕组的逆变器频率实现调速,如图2.1所示。图2.1无刷双馈电机调速系统示意图无刷双馈电机定子上两套绕组的磁场没有直接耦合关系,通过调制机理,以特殊结构的转子为中介实现两种不同极对数、不同转速的磁场耦合并完成能量的传递。定子两套绕组产生极对数分别为和的基波磁场,通过气隙使转子绕组产生感应电流,这时转子绕组也分别感生了极对数为和的磁场,功率绕组对极基波磁场在转子内感应出对极磁场与控制绕组对极基波磁场相互作用,控制绕组对极基波磁场在转子内感应出对极磁场与功率绕组对极基波磁场相互作用,从而实现了机电能量的传递。a)反向序b)同向序图2.2BDFM内部磁场相互作用关系改变控制绕组或功率绕组逆变器的输出频率,可实现无刷双馈电机的调速,双馈运行时,控制绕组和功率绕组同时接通三相交流电源,得到定子磁路中同时存在着2个旋转磁场。当逆变器分别为控制绕组和功率绕组输入相反的相序电压时,它们所产生的旋转磁场方向相异,同步转速、分别为:(2.1)(2.2)设转子的旋转速度是nr,则两个定子磁场在转子中frp、frc分别为:(2.3)(2.4)当频率为frp的电流,流过转子导体时,产生的旋转磁场相对于转子的转速为:(2.5)当频率为frc的电流,流过转子导体时,产生的旋转磁场相对于转子的转速为:(2.6)想要得到恒定的电磁转矩,这两个磁场必须进行同步旋转,由式(2.5)和式(2.6)可知,转子电流频率必然相同,即:(2.7)同理,频率为frp和frc的电流也会流过转子导体,必须在满足式(2.7)的条件时,控制绕组电流建立的磁场与它们产生旋转磁场才会同步,它们之间的相互作用产生了恒定的电磁转矩,维持了电机的稳定运行。综上所述,由式(2.1)~式(2.4)和式(2.7),得到,稳态运行时电机转速的关系式:(2.8)以上各式中:fp、fc分别为功率绕组、控制绕组电源频率;pp、pc分别为功率绕组、控制绕组极对数。需要注意的是当nr=np时,BDFM处于临界状态,转子中不产生感应电动势也无电流,不能产生电磁转矩。根据式(2.1)、式(2.2)和式(2.8)可以得出临界状态下控制绕组频率fc-L为(2.9)3无刷双馈电机牵引控制策略电动汽车牵引电机控制系统是个典型的随动系统,对每个电机高性能的牵引控制,是保证车辆运行性能的前提。3.1无刷双馈电机直接转矩控制(1)功率绕组与控制绕组磁链、转矩控制原理无刷双馈电机运行时相当于一台2()极普通感应电机,定子控制绕组和定子功率绕组等同于普通感应电机的转子绕组和定子绕组。用控制绕组和功率绕组磁链表示的电磁转矩表达式,即:(3.1)式中:和分别为控制绕组功率绕组磁链矢量的模;为控制绕组功率绕组磁链矢量之间的夹角。功率绕组、控制绕组磁链分别为:(3.2)分别调节功率绕组、控制绕组输入电压矢量即可调节磁链。当通过功率绕组和控制功率绕组磁链来控制转矩时,欲加大转矩使转速升高时,控制功率绕组磁链顺电机转速方向旋转,控制绕组则逆转速方向旋转,以增大控制绕组和功率绕组磁链间的夹角;减小转矩时,则相反,通过控制减小控制绕组和功率绕组磁链间的夹角,直接选择合适的外加电压向量改变和的旋转速度,进而改变来控制转矩。功率、控制绕组均由六个开关元件组成的电压型逆变器供电,逆变器可能的开关状态有种,其中2种状态输出零电压,六种非零电压,分别为-。(2)磁链和转矩的调节在直接转矩控制中采用bang-bang控制直接调节转矩和磁链,为降低开关频率,转矩和磁链调节器通过滞环实现,其结构如图3.1所示。通过判断磁链、转矩的状态和磁链所在的空间区域后就可以选择合适的电压空间矢量,得到直接转矩控制的逆变器开关表。a)磁链调节器b)转矩调节器图3.1直接转矩控制滞环结构图3.2基于控制绕组电流最小化直接转矩控制策略无刷双馈电机亚同步运行时,双馈运行能量有双向的流通路径,有一部分能量没有做功而从控制绕组侧流回了电池,使功率、控制两绕组电流及输入功率增大,这会加大对逆变器容量的要求。要想成功的将无刷双馈电机应用在电动汽车上,必须对无刷双馈电机的能流加以合理的优化控制。本文提出基于控制绕组电流最小化的直接转矩控制,一方面降低铜耗,另一方面缩减对无刷双馈电机双绕组逆变装置的容量要求,降低驱动成本。控制绕组磁链与电流夹角的确定当控制绕组磁链与控制绕组电流成90°时,控制绕组电流中无功分量为零,控制绕组的全电流即为额定的有功电流,控制绕组电流的有功分量可以达到额定电流,大于电机控制绕组额定电流的有功分量,因而电动机的输出转矩可以大于额定转矩。同时功率绕组电流小于其额定值,功率因数、效率亦有提高。在复平面中两个矢量α、β的点乘积公式为:(3.3)式中:,为矢量α、β的模;为两个矢量之间的夹角。设,则有:(3.4)(3.5)将式(3.4)代入式(3.5)得(3.6)由式(3.6)可得(3.7)判断控制绕组磁链和控制绕组电流夹角的大小情况,可通过判断这两个矢量夹角的余弦值是否大于来实现,当余弦值大于时,夹角小于,余弦值小于时,夹角大于90°。(2)亚同步运行时控制绕组开关电压矢量的选择欲保持控制绕组电流与磁链始终呈90°,必须根据控制绕组磁链的旋转方向来选择适合的开关电压矢量,保证控制绕组电流与磁链相互垂直。在亚同步运行状态,假设当前控制绕组电流矢量与控制绕组磁链矢量ψc呈垂直状态,当施加一个与控制绕组磁链矢量ψc夹角小于90°的控制绕组电压矢量uc时,将使控制绕组电流矢量ic与控制绕组磁链矢量ψc的夹角变小。相反,当施加一个与控制绕组磁链矢量ψc夹角大于90°的控制绕组电压矢量uc时,将使控制绕组电流矢量ic与控制绕组磁链矢量ψc的夹角变大。按逆时针方向对控制绕组电压空间矢量作用范围进行了划分,分为六个区段(),在每个区段可以选用两个控制绕组电压空间矢量使控制绕组电流空间矢量ic与控制绕组磁链空间矢量ψc保持垂直状态。将控制绕组磁链矢量向,,三轴做投影,来确定控制绕组磁链所在的区间,一旦磁链所在的区间被确定,就能够选择合适的电压矢量。如图3.2所示。图中,代表使控制绕组电流与控制绕组磁链夹角大于90°的控制绕组电压空间矢量,代表使控制绕组电流与控制绕组磁链夹角小于90°的控制绕组电压空间矢量。,,分别代表控制绕组磁链ψc在,,三个轴上的投影,,,分别代表磁链的开关状态,当对应的投影值大于零时为1,当对应的投影值小于零时为0,,,分别代表逆变器的功率开关器件的开关状态。图3.2控制绕组控制开关选择图中,代表使控制绕组电流与控制绕组磁链夹角大于90°的控制绕组电压空间矢量,代表使控制绕组电流与控制绕组磁链夹角小于90°的控制绕组电压空间矢量。,,分别代表控制绕组磁链ψc在,,三个轴上的投影,,,分别代表磁链的开关状态,当对应的投影值大于零时为1,当对应的投影值小于零时为0,,,分别代表逆变器的功率开关器件的开关状态。与磁链开关状态的逻辑关系:(3.8)与磁链开关状态的逻辑关系:(3.9)对应的开关电压选择表,如表3.1所示。表3.1亚同步工况下控制绕组磁链与控制绕组电压矢量控制绕组S磁链区段S1S2S3S4S5S6u3(100)u4(110)u5(010)u6(011)u1(001)u2(101)u2(101)u3(100)u4(110)u5(010)u6(011)u1(010)(3)超同步运行时控制绕组开关电压矢量的选择在超同步状态时,功率绕组磁链的旋转方向不变,而控制绕组磁链则按顺时针方向旋转,所施加的电压空问矢量应按顺时针施加。超同步状态时,对功率器件的开关状态与控制绕组磁链矢量ψc的开关状态其分析方法,可按照亚同步时的分析方法得到,逆变器磁链开关状态与功率开关器件的开关状态的关系:与磁链开关状态的逻辑关系:(3.10)与磁链开关状态的逻辑关系:(3.11)由以上分析可得出,无刷双馈电机控制绕组电流的最小优化控制方法的开关状态选择表,如表3.2所示。表3.2超同步工况下控制绕组磁链与控制绕组电压矢量控制绕组磁链区段S1S2S3S4S5S6u5(010)u6(011)u1(001)u2(101)u3(100)u4(110)u6(011)u1(001)u2(101)u3(100)u4(110)u5(010)控制绕组电流最小优化控制策略能够通过控制控制绕组电流、控制绕组的无功电流来降低功率,减小损耗,提高能量利用率,同时还能够降低对功率、控制绕组双侧逆变装置的电流要求,优化逆变器容量,节省成本。3.3牵引系统仿真(1)系统仿真本文采用无刷双馈电机转子速数学模型,利用两套逆变装置,分别接到无刷双馈电机的功率绕组和控制绕组上,功率绕组逆变器采用传统的直接转矩控制方案,控制绕组逆变器采用基于控制绕组电流最小化的直接转矩控制策略,进行了牵引控制系统的仿真研究。系统原理框图如图3.3所示。利用Matlab语言的M-File编写仿真程序,仿真电机参数为Pp=3,Pc=l,rp=0.435Ω,Lsp=0.07138H,Mpr=0.06931H,rc=o.435Ω,Lsc=0.06533H,Mcr=0.06021H,rr=1.63Ω,Lr=0.1428H,J=0.03kg.m2,Kd=0。仿真条件是:电机的同步转速为750r/min,转速给定值360r/min,负载为10N.m,并在t=0.25s时给定转速增为1100r/min,系统仿真总时间为0.5s,仿真结果如图3.4所示。系统在额定负载下运行,由图3.4e-g可见,系统可从亚同步运行进入超同步运行,高速帯载能力强,因此汽车可放宽对变速箱等机械传动装置的要求;机械特性在高、低均保持同样硬度,抗扰能力强。图3.4b、3.4c、3.4e可见,系统启动、升速、制动时的动态响应很快,说明系统动态跟踪能力强,汽车驱动电机控制是随动系统,要求电机迅速跟踪指令,以保证安全,因此这一性能对高速行驶的汽车来说至关重要。由图3.4a、3.4d可见,系统功率、控制两绕组的磁链幅值均可稳定控制在给定值上,这一性能可为系统通过磁链优化改善能流分配带来方便。图3.3控制绕组电流最小化直接转矩控制系统结构图a)功率绕组磁链b)功率绕组d轴电流c)控制绕组d轴电流d)控制绕组磁链e)转矩f)转速g)机械特性图3.4控制绕组电流最小优化控制方法仿真结果仿真结果表明:采用基于控制绕组电流最小化的无刷双馈电机直接转矩控制系统高速带载能力强,调速范围宽,系统动态响应快、机械特性硬,系统的跟踪及抗扰动能力很强。(2)传统DTC与控制绕组电流最小化DTC性能对比为了分析控制绕组电流最小化对系统输入电流的抑制能力,对传统直接转矩控制(DTC)和控制绕组电流最小化直接转矩控制进行了对比仿真,仿真中为了对比方便,采用了电流d、q轴合成矢量的幅值:。a)控制绕组电流矢量幅值(电流最小化)b)控制绕组电流矢量幅值(DTC)cc)控制绕组功率曲线(电流最小化)d)控制绕组功率(DTC)e)功率绕组功率曲线(电流最小化)g)功率绕组功率曲线(DTC)图3.5DTC与控制绕组电流最小化DTC对比仿真对比图3.5a、c、e、g和图3.5b、d、f、h的仿真可见,采用控制绕组电流最小化策略,可使控制绕组的电流和输入功率大幅减小,进而亦使功率绕组的电流和功率下降。结果表明:采用控制绕组电流最小化控制方案,控制无刷双馈电机的无功功率,最小化控制绕组与电源间的无功功率传递,从而使控制绕组电流最小,进而降低功率绕组电流。仿真结果证明:该控制方案能够降低电机两绕组的电流,减小铜耗和逆变器容量。(3)系统能流分析由图3.5e和图3.5g可见,电机从亚同步切换到超同步状态时,双馈电机的控制绕组功率由负变正,说明超同步时能量从功率、控制两绕组一起流入驱动电机,而异步电机能量只能从定子来。在高速相同负载条件下,双馈电机用两个小容量逆变器,而异步电机用一个大容量逆变器,由于逆变装置的价格与容量不成比例,两个容量较小的逆变装置要可能比一个大容量的逆变装置便宜。另外,双馈电机在超同步时可以从定、转子双侧输入能量,超同步运行能力使系统调速范围增宽。而异步电机没有超同步运行能力,只能弱磁降载运行。若想达到与双馈电机相同的驱动效果,需要更换功率更大的电机。4无刷双馈电机双轮差速控制原理与结构采用两个相同的无刷双馈电机分别驱动电动汽车的左右轮,构成无刷双馈电机差速系统,系统结构见图4.1。图4.1电动汽车双轮驱动系统4.1双轮驱动电动汽车的转向模型当车辆直线行驶时,假设电机直接相连车轮,电机转子旋转的角速度就是车轮的角速度,由于假设了各个车轮的滚动r相同,则有下式成立:(4.1)式中,分别为左、右驱动车轮的旋转角速度。图4.2为汽车转向的几何关系示意图。设右转向时方向盘转角为负,左转向时方向盘转角为正,在车辆低速转向行驶时,电子差速器可依据Ackermann转角关系进行设计[10]。图4.2汽车转向几何关系示意图由图4.2,根据其几何关系,得:(4.2)式中,、分别为内外前轮转向半径;、分别为外内后轮转向半径,lf为质心至前轴的距离,lr为质心至后轴的距离,Tf为前轮轮距,为内轮转角,为外轮转角,一般可近似认为。前轴内外车轮转向角可表示为:(4.3)式中,为方向盘转角,为地面到两主销中心延长线交点之间的距离,e为主销到车轮中心的距离。由内外车轮转向角可计算出内外车轮轮速,根据Ackermann转角关系计算法:(4.4)式中:v为给定车速,。然而(4.5)所以(4.6)因此,汽车转向时,以整车质心速度为参考,计算每个车轮绕转向中心的线速度,进而得出每个车轮需要的电机转速,通过向电机控制器发出电压指令实现电机转速调节,而调整车轮转速,合理的分配每个电机的输出转矩,实现车轮的纯滚动转向行驶。4.2双馈级联差速结构双馈差速系统有两个驱动车轮的双馈电机组成,两电机的功率绕组电压由逆变器提供,两控制绕组相连。通过改变电机1和电机2的功率绕组电压频率,可以控制车轮的旋转速度和方向,通过改变控制绕组电压可以控制带负载能力,剩余的功率用于提供给另外一个电机。双馈差速驱动系统模型,如图4.3所示,包括:(1)两台相同的无刷双馈电机,M1和M2;(2)两台能够变频且能为两个无刷双馈电机功率绕组提供任意极性有功功率和无功功率的逆变器;(3)两台双向DC-DC转换器,能够为逆变器提供DC直流电压,直流电流能根据操作情况的要求流向任一方向;(4)电池。图4.3无刷双馈级联差速控制结构图双馈差速驱动系统能提供正向和反向的动力,两部电机像发动机一样运转,如一部电机在正向亚同步范围内运行而另一部电机在相反的超同步范围内运行,系统中来自一个电机的回收能量会提供给另一个电机,两个双馈电机可实现理想的差速操作。4.3双馈独立驱动差速结构双馈差速独立驱动系统模型,如图4.4所示,包括:(1)两台相同的无刷双馈电机,M1和M2;(2)四台能够变频且能为两个无刷双馈电机功率绕组和控制绕组提供任意极性有功功率和无功功率的逆变器;(3)四台双向DC-DC转换器,能够为逆变器提供DC直流电压,直流电流能根据操作情况的要求流向任一方向;(4)电池。图4.4无刷双馈独立驱动差速控制结构图5双轮驱动无刷双馈差速系统仿真分析双轮驱动电动汽车的电机控制的性能当车辆转向行驶时,为了防止不稳定的驱动,内轮和外轮应具有不同的速度。传统的内燃机车辆通过一个带减速装置的机械差速器来实现这一功能,双轮驱动的电动汽车两个前轮都能通过各自的双馈电机独立提供驱动力,通过差速控制,按运行工况需求独立分配转矩与功率,实现稳定运行。5.1双轮驱动双馈级联差速系统仿真采用Ackermann转向模型提供左右轮驱动电机的速度给定,两个无刷双馈电机性能完全相同,电机参数为:Pp=3,rr=1.63Ω,Pc=l,rp=0.435Ω,Mpr=0.06931H,Mcr=0.06021H,rc=o.435Ω,Lsc=0.06533H,Lsp=0.07138H,Lr=0.1428H,J=0.03kg.m2,车体参数为:=1.6m,=1.7m,=1.5m,=1.6m,=0.32m。采用MATLAB的M-file对无刷双馈电机直接转矩控制双轮级联差速系统进行仿真,电机控制仍采用直接转矩控制算法。(1)汽车直行时级联差速驱动系统仿真仿真条件:直行时汽车起动给定速度为40km/h,0.25s时增加到160km/h,0.4s时减小到40km/h,负载为10N.m,汽车直行时运行时仿真曲线见图5.1。由仿真曲线可见,双馈级联直行时,低速跟踪能力很好,而高速跟踪不上,原因在于双馈级联后,直行时控制绕组电压相同,电流为零,此时两双馈电机相当于异步电机,没有超同步能力。由仿真曲线可见,双馈级联直行时,低速跟踪能力很好,而高速跟踪不上,原因在于双馈级联后,直行时控制绕组电压相同,电流为零,此时两双馈电机相当于异步电机,没有超同步能力。从功率曲线0-0.25s的情况可见,起动、升速及低于同步速750rpm运行时,功率绕组输入的能量一部分由控制绕组回流到电源,其余的能量用于驱动;从功率曲线0.25-0.3s的情况可见,电机从低于同步速750rpm运行到超过同步速,同时电机升速,低于同步速时的能流与0.25s以前相同,只不过由于升速有所增加,高于同步速后,由于控制绕组短接,相当于异步运行,控制绕组功率为零。从功率曲线0.4-0.425s的情况可见,电机从高速急降,控制绕组回馈能量。a)左轮功率绕组功率曲线b)左轮控制绕组功率曲线c)右轮功率绕组功率曲线d)右轮控制绕组功率曲线e)双轮转速曲线图5.1汽车直行时系统运行曲线(2)汽车转向时驱动系统仿真仿真条件:起动时汽车给定速度为40km/h,转向角为0°,0.25s时加转向角到65°,0.4s时恢复转向角到0°。仿真曲线如图5.2所示。a)左轮功率绕组功率曲线b)左轮控制绕组功率曲线c)右轮功率绕组功率曲线d)右轮控制绕组功率曲线e)双轮转速曲线图5.2双轮差速驱动转向时电机运行曲线从汽车左转向运行仿真曲线可见:汽车左转向时,左轮电机转速低于右轮,系统控制左电机运行于亚同步状态,右电机运行于超同步状态,左电机控制绕组能流为负,处于回馈状态,右电机能流处于输入状态,说明能量从左电机传送到右电机,实现差速运行。差速级联仿真结果证明,差速级联在车辆转向时,利用无刷双馈电机超同步与亚同步运行时控制绕组能流方向不同的特点,实现差速控制。这种方案可用两个功率较小的电机实现双轮驱动。差速级联的缺点是直行时高速能力弱,这将给汽车的机械传动机构带来负担,因此本章考虑了另一种差速控制方案-双电机独立驱动。5.2双轮无刷双馈电机独立驱动差速系统仿真双轮独立驱动时,左、右两电机的功率及控制绕组由逆变器供电,两电机之间能量无流动。两个无刷双馈电机参数同前,两轮电机均有功率绕组及控制绕组两个逆变器供电。(1)汽车直行时独立驱动系统仿真仿真条件:驾驶转向角°,汽车起动给定速度为20km/h,0.3s时给定速度提高到110km/h,左、右轮电机运行仿真曲线如图5.3所示。a)左右轮电机控制绕组功率曲线b)左右轮功率绕组功率曲线c)左右轮电机转矩曲线d)左右轮电机转速曲线图5.3双轮独立驱动控制高速直行电机性能曲线从图5.2和图5.3的仿真结果可见:与级联差速相比,双轮独立驱动动态响应速度快,原因在于升降速时,双绕组同时进行能量调控,缩短了过渡过程;系统可在不降负载的条件下从20km/h的低速上升到高速110km/h,调速范围宽,高速直行时,左右轮电机均工作在超同步状态,四个绕组同时为汽车馈能。由仿真曲线可以看出,亚同步状态下,双馈电机的控制绕组功率为负,说明有功率回馈电网。控制绕组功率的一部分是滑差功率,在异步电机中是被消耗掉的,而在双馈电机中则被回馈给了电源。控制绕组功率的另一部分是由于双馈电机的双向能量流通路径,使能量没有做功而从控制绕组侧直接流向了电池,如不限制这部分能量,将会给逆变器容量选择带来负担。电机从亚同步切换到超同步状态时,双馈电机的控制绕组功率由负变正,说明超同步时能量从功率、控制两绕组一起流入驱动电机。(2)汽车转向时独立驱动系统仿真仿真条件:驾驶转向角°,汽车起动给定速度为20km/h,0.3s时给定速度提高到70km/h,°,左、右轮电机运行仿真曲线如图5.4所示:a)右轮电机功率绕组功率曲线b)右轮电机控制绕组功率曲线c)左轮功率绕组功率曲线d)左轮控制绕组功率曲线e)右轮电机转速曲线f)左轮电机转速曲线图5.4双轮独立驱动转向控制电机性能曲线双轮独立驱动转向仿真结果表明:所提出的电动汽车无刷双馈电机电机的差速驱动系统模型可以模拟汽车的行驶情况,转向运行时两驱动电机存在速度差,进而实现对电动汽车操纵性的控制。本文分两个层次研究驱动电机的控制问题,其一是无刷双馈电机的牵引控制;其二是双轮驱动两电机的差速控制结构。首先对电机在汽车起动、制动、高速、低速等各种行驶工况下的能流进行了分析,从能量控制的角度研究无刷双馈控制系统作为电动汽车驱动装置的优势及存在的问题,为逆变器容量优化铜耗,提出基于控制绕组电流最小化的直接转矩控制策略,并进行了仿真研究,得出如下结论:(1)采用无刷双馈电机作为电动汽车的驱动电机,电机容量小,因为无刷双馈电机在高速时可以双侧输入能量,而异步电机若想达到同等高速,需要更换功率更大的电机。(2)低速运行时,无刷双馈电机能够将绝大部分的转差功率回馈电源,应用于电动汽车能够提高能量的利用率,提高续航里程。高速运行时,无刷双馈电机双绕组各自的功率较单绕组异步电机的定子功率小,由于逆变装置的价格相对于容量非线性增加,因此逆变器成本降低。(3)无刷双馈电机直接转矩控制系统动态响应快,证明牵引系统可以很好的保证汽车的快速操控能力;机械特性硬,证明系统的抗扰动能力强;调速范围宽,高速带载能力很强,因此汽车可放宽对变速箱等机械传动装置的要求;(4)采用控制绕组电流最小化控制方案,控制无刷双馈电机的无功功率,从而使控制绕组电流最小,仿真结果证明:该控制方案能够降低电机功率、控制两绕组的电流,减小铜耗和逆变器容量。(5)无刷双馈电机定子上有两套绕组和两套小容量逆变装置,逆变装置是易损部件,当某一逆变器出现故障时,电机可从双馈运行转为异步运行,一方面可防止故障造成的安全事故,另一方面对于野外行驶的汽车来说相当于存在一个冗余的牵引电机。其次研究了无刷双馈电机双轮驱动系统的差速控制结构,通过对两种差速结构的仿真分析,得出如下结论:(1)级联差速结构的优势在于逆变器的使用数量与异步电机相同,转向时两电机会分别工作在亚同步与超同步状态,能量通过控制绕组从高速电机传向低速电机,可实现用小容量的双馈电机完成高速、大角度转向差速控制。(2)双电机独立驱动结构比级联差速结构多用两套逆变器,但起、制动的动态响应更快,转矩脉动降低;直行时左右电机均可超同步运行,提高了车辆的高速行驶能力。结论电动汽车是汽车工业的未来,多电机驱动电动汽车充分发挥电机突出的易控性和快速的转矩响应,无疑将是电动汽车不仅在能源上、而且在性能上全面超越传统汽车的最值关注研究方向。该文是以无刷双馈电机牵引的双轮驱动电动汽车为研究对象,对双轮无刷双馈电机牵引控制进行了较为透彻的研究和分析。该论文主要研究的方向如下:通过研究取得主要创新性结论如下:(1)提出采用无刷双馈电机作为双轮驱动牵引电机。牵引电机是电动汽车的核心部件,本文根据电动汽车的驱动要求和无刷双馈电机的特点,提出采用无刷双馈电机作为双轮驱动电动汽车的动力,并针对电机复杂的机理,研究可行的控制结构与控制策略。仿真与实验结果表明:双馈驱动系统能量调控灵活、动态响应快、调速范围宽、牵引电机容量小、能量回馈率高,当一套逆变器发生严重故障的情况下,电机仍可作为普通的感应电机使用,所以电机的无刷结构提高了双馈驱动系统的可靠性。(2)提出一种简单的无刷双馈级联差速控制结构在深入分析无刷双馈电机和双轮驱动电动汽车差速控制原理的基础上,有别于传统的双轮独立差速驱动,提出一种充分发挥无刷双馈电机双绕组输入特点的无刷双馈级联差速控制结构。该结构恰到好处地利用了无刷双馈电机双绕组同时可进行能量调控的特点,结构新颖简单,逆变器的使用数量与异步电机相同,转向时能量在两轮高、低速电机间流动,无需外输能量即可实现差速控制,用小容量的双馈电机完成高速、大角度转向差速控制。目前国内外研发的电动汽车大多还仅限于能源的更替,即将电机取代传统汽车的发动机。事实上,从运行性能来说,电机更适合电动汽车的行驶要求,真正从电驱动出发,采用多电机驱动,汽车的结构与性能将会有革命性的飞跃。多电机驱动电动汽车是集汽车、自动控制、电力电子等多学科于一身的交叉研究领域,有广阔的研究空间。为了本文的研究工作的完整性和接续性,下一步需要解决如下问题:(1)进一步深入研究抑制
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