1、設計和優化開關磁阻電動機扭矩控制器驅動的電動汽車的仿真摘要這篇文章展示了一個關于開關磁阻電動機驅動的優化控制器應用于電動汽車和混合動力電動車的研究，描述了通過模擬仿真所提出的優化方法。在優化過程中，提出和應用了8/6開關磁阻電動機驅動所取得的仿真結果。通過模擬仿真，評估和驗證了優化控制器的性能。1. 介紹在不久的將來，對于汽車應用我們將不得不用電動機來取代傳統的內燃機。這一點不僅對限制燃氣釋放至關重要，同時也與稀缺的化石資源有關聯。隨著電動汽車和混合動力電動車的發展，這個過渡將由中間相來完成，現在應用于電動汽車和混合動力電動汽車的電動機是永磁同步電機。目前,電動機系列中的開關磁阻電動機極大地引

2、發了對電動汽車的推進，電動汽車及混合動力電動汽車設計者發現了許多開關磁阻電動機益于應用的特點，尤其表現在堅固結構和容錯操作方面。然而，開關磁阻電動機在開發轉矩波動的相關問題時存在很大的缺點。為了使開關磁阻電動機驅動牽引獲得良好的驅動性能，高性能的控制器需要在一個廣速范圍內減小轉矩波動并增大平均轉矩。這篇文章展示了一個關于開關磁阻電動機驅動的優化控制器用于電動汽車和混合動力電動汽車的應用。首先通過對開關磁阻電動機基礎特征的研究展示了推動系統所需要的特點，為了指明最優化方向，對影響驅動性能的主要方面進行了測試，特別是在機器結構和設計、轉換器的配置和控制方案等方面。本次優化研究選擇了包含電動機和轉換

3、器配置的獨特開關磁阻電動機驅動非線性模型驅動程序，用于按照平均轉矩和轉矩波動的接通、斷開角度和轉子轉速的函數來預測性能。仿真結果以多維表格的形式描述了控制器的性能。疊加生成的表為優化超速范圍內的轉矩性能提供了一個常規選擇工具，對優化控制器被評估的性能和仿真結果進行展示和討論。2. 8/6開關磁阻電動機驅動的描述在研究了開關磁阻電動機產品設計間的區別及考慮開關磁阻電動機所提供的極性轉換器的配置后，我們選擇了8/6開關磁阻電動機，一種因其幾何結構和非對稱轉換器而產生更少轉矩波動的電動機。其結構及聯合的轉換器見圖1。 圖1.圖2. 圖3一個非常有吸引力的替代方法是使用總電流控制變頻器的直流轉換器自動

4、調節機器的總電流。顯然，這一配置在轉換時使用了更少的電能，并且能在很大程度上減少轉矩波動。該開關磁阻電動機驅動配置仿真采用開關磁阻電動機線型模型并且取得了令人鼓舞的結果。然而，對于一個真實的開關磁阻電動機，電動機的電流階段必須單獨控制。在其開始與結束的重疊階段，必須允許生成光滑的扭矩。這就是我們選擇如圖1.b所示轉換器的原因。因為電流在電動機階段可以獨立控制各階段之間的交互影響，同時也能減少總體轉矩波動。這個轉換器也允許活躍能源回收返還通信能源電池，這一能源恢復方法對于期望將消耗最小化以擴大驅動范圍的汽車應用至關重要。在能量回路圖中L1、L2、L3、L4自感線，描述了開關磁阻電動機的四個階段曲

5、線。在電動機階段使用獨立滯變控制器，半導體轉換器可以控制個別電流。單向轉動二極管口允許能源恢復。這個轉換器允許能源恢復和總體電動機轉扭圖形的優化。圖2描述了預想的電流控制8/6開關磁阻電動機驅動的控制圖。轉子軸的位置編碼器提供了轉換器的同步驅動信號所需的位置信號，一個反饋信號處理器是用于生產速度信號和轉矩控制器安裝啟用所需的轉矩反饋信號Te。力矩電機開發階段是根據測量相流和電動機磁化特性曲線的轉子位置所估計的1:是磁共能圖4. 為了提高執行速度，復雜函數預先計算和存儲在一個查找表中。從接通和斷開的角度來看，轉換器也可以作為優化過程的控制輸入。3. 開關磁阻電動機驅動的建模和仿真3.1 開關磁阻

6、電動機驅動建模 開關磁阻電動機驅動的模型對于扭矩性能的優化研究是必要的，圖3顯示了一個模型圖表，對上文所描述的由電流控制的8/6開關磁阻電動機驅動模型進行了展示。為了提供逼真的特質，在充分考慮電機的磁化特性后，采用非線性模型對開關磁阻電動機進行描述。如果開關磁阻電動機的結構和大小是已知的，那么開關磁阻電動機的磁化可以通過測量或有限元分析獲得。在本文中，我們選擇了7.5千瓦的8/6開關磁阻電動機，其特點在參考文獻10中進行了強調和研究。圖3顯示了8/6開關磁阻電動機的詳細仿真軟件模型，電機建模部分的電壓方程和機械部件的運動方程。轉換器所提供的電壓應用于機器的四個階段，每個階段的磁鏈計算公式是對整

7、合相電壓和的差進行積分：圖5表1.每分鐘轉速1300，電流為30安時，轉矩波動率所對應的接通與斷開角度轉子位置和磁鏈作為輸入，查找表產生相應的電流。通過電流和轉子的位置，每個階段開發的轉矩可以使用一下關系計算：圖6磁共能的計算公式：為了加快模擬，轉矩特性預先計算存儲在查找表中（該表計算在開關磁阻電動機模型中）。圖4顯示了在開關磁阻電動機模型中使用的兩個查找表。四個階段所產生的轉矩通過求和得到轉子軸上的總轉矩，電機和負載機械動力是由運動方程所控制：J是總慣性，B是總摩擦系數，TL是負載轉矩。表2最優的接通和斷開角度所對應的速度和電流3.2. 開關磁阻電動機驅動仿真仿真的目的是切換角（接通和斷開的

8、角度）在各自范圍內變化時，獲得8/6開關磁阻電動機在操作電流和速度范圍的轉矩特性。仿真策略如下，首先，通過使用一個非常大的慣性負載為電動機轉速施加一個恒定值，并且電流是由滯后電流調節器施加。然后，根據每一個指定范圍的射擊角度的組合，一步步計算出平均轉矩和均方根轉矩。報告結果是一個數據存儲矩陣。這個矩陣將被用來產生一個顯示角度組合軌跡的多維圖表，根據產生的轉矩波動，這些角度組合的平均轉矩是最佳的。開關磁阻電動機模擬的速度范圍0-40000rpm,步幅為200rpm。根據7.5千瓦的8/6開關磁阻電動機的特性，其額定電流是30安，所以當步幅是5安時，電流將在0到50安的范圍內變化。通過短暫的研究，

9、我們所確定的接通角和斷開角的主要范圍各自是18-32度,40-60度。同樣，發射角的影響減小到了低于700rpm，所以沒有必要在速度低時非常準確。顯然，為了節省時間，很有必要將這些模擬自動化。每個速度和電流組合的結果給出了三個矩陣：與平均轉矩相對的轉換角度，與均方根相對的轉換角度，與轉矩波動系數相對的轉換角度。表1顯示了轉矩波動系數所對應的轉換角度是1300rpm,30安。如果將他們像圖5（描述了平均轉矩和1300rpm,30安的轉矩波動曲線）那樣畫出三維圖，結果將更加富有表達力。在這些圖表中，機器的變化趨勢很容易確定。另外，為了找到最好的轉換角度，可以在（，）平面內畫出轉矩波動系數曲線，如圖

10、6所示。在這個圖中，轉矩波動系數最低軌跡很容易識別。4. 開關磁阻電動機轉矩的優化性能對于開關磁阻電動機驅動，平均轉矩和轉矩波動受接通和斷開的角度及電機階段的電流波形所影響，這些特性作為電機轉速的函數而變化。對于汽車驅動應用程序，在一個廣泛的速度范圍內，獲得更高的轉矩/電流比率及更低的轉矩波動是可取的。在本文中，我們提出了一個多維的方法來優化開關磁阻電動機的轉矩性能。開關磁阻電動機驅動的非線性仿真軟件模型用于依據接通和斷開角度及轉子速度來預測轉矩性能（平均轉矩和轉矩波動）。轉矩控制回路可用于提供在轉向電機階段所需的電流波形從而將轉矩波動減至最小。仿真所獲得的結果編譯在幾個表示控制器性能的多維表

11、中：（a）平均轉矩作為接通、斷開角度和速度的函數，（b）轉矩波動作為接通、斷開角度和速度的函數，圖7圖8疊加所有生成的表給出了一般選擇的工具，在速度和電流范圍內對轉矩性能優化。優化的參數可以在真正的實現轉矩控制器的查找表中使用。在分析模擬的結果后，現在可以確定一個矩陣，通過如表2所示的驅動操作條件其內容更好的擬合了接通和斷開角度。圖9因為最重要的開關角的值是介于700至1700rpm之間的，所以表的范圍是有限的。低于700rpm時，角度不改變；超過1700rpm時，角慢慢減小，角保持不變。有趣的是突出這樣一個事實：對于任何速度和條件，其最優的斷開角保持在50度左右。另一方面，最佳接通角隨速度的

12、增大而減小。這種行為是可預測的，因為預測相應的相繞組中通過的電流是必要的。最優轉換角機器對應的電機轉速的變化如圖7所示。5.應用程序實例轉矩優化開關磁阻電動機驅動在本節中，使用優化控制器的一個應用實例來說明其作用。測試設置用來評估開關磁阻電動機驅動的轉矩性能如圖8所示。這里，使用相同的開關磁阻電動機驅動的仿真軟件模型做了一些調整。為了調整開關角，最優的接通和斷開角度在兩個查找表中應用。為了能夠在固定和變化的角度間進行選擇，對交換機進行了安置。這樣我們可以在保持相同的驅動模型時對我們的結果進行比較。使用轉矩和轉子位置特征，如圖9所示，為了獲得一個好的高頻矩可以任意確定適當的固定開關角，如圖10所

13、示。圖10圖11接通角是固定在32.5度，斷開角是固定在52.5度。根據這些數值我們可以在寬度范圍內成完成對固定角的仿真，通過可供參考的仿真結果，進行比較，可以更好地突出我們方法的改進之處。通過在模型上加30安的額定電流及固定的轉換角度開始測試，我們記錄到該系統可以控制當前高達每分鐘1000轉的轉速及所產生的平均60nm的轉矩。在1000rpm，驅動失去當前控制，平均轉矩下降到7Nm,機器達到速度的最大值1800rpm。通過應用相同的初始條件，使用最優的接通和斷開的查找表角度，開關磁阻電動機的性能明顯改善。當前可以控制整個仿真速度范圍，因此，產生的平均轉矩很高。此外，當超過每分鐘4000轉的速度時，開關磁阻電動機可以產生比17Nm更高的平均轉矩。（圖10 b）對這兩個驅動進行一個簡單的比較，我們將控制速度并測量平均轉矩，轉矩波動和轉矩波動系數比率。轉矩性能控制方案的比較圖，如圖11。與我們方案中生成的變化的轉換角相比，恒定的轉矩延長可兩倍。可變角驅動所產生的平均轉矩遠高于固定角驅動。低速時轉矩波動在較小程度上有改善，中速時改變明顯。在高速時，在兩個轉矩波動系數曲線之間有一個顯著的影響。6.總結一個優化開關磁阻電動機的轉矩性能的仿真方法已經被提出并應用到了8/6開關磁阻電動機驅動。實驗表明，從使用仿真的非線性開關磁阻電動機模型所建立的