張學(xué)毅，谷聚輝，馬曉光

(湖南工業(yè)大學(xué)，株洲412000)

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的迅速發(fā)展，橫向磁場開關(guān)磁阻電動機(jī)(以下簡稱TFSRM)已成功應(yīng)用于電動汽車驅(qū)動等領(lǐng)域，作為純電動汽車關(guān)鍵部件——驅(qū)動電機(jī)及其控制系統(tǒng)，已成為相關(guān)企業(yè)研制的重點(diǎn)。TFSRM 及其調(diào)速控制裝置是一種典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，合理設(shè)計TFSRM 及其控制系統(tǒng)，可使整個TFSRM 驅(qū)動系統(tǒng)具有體積小和性價比高等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計了一種能應(yīng)用在輕型電動車上的TFSRM 控制系統(tǒng)，并對其進(jìn)行了系統(tǒng)仿真和樣機(jī)實驗。

1 TFSRM 控制系統(tǒng)基本組成

TFSRM 控制系統(tǒng)主要由TFSRM、位置檢測器、功率變換器、控制器等部分組成，如圖1 所示。

該系統(tǒng)由以下三個閉環(huán)組成:(1)電流閉環(huán):電流檢測器、PWM 調(diào)壓器、驅(qū)動電路、功率變換器;(2)位置閉環(huán):位置檢測器、邏輯控制器、驅(qū)動電路、功率變換器及TFSRM;(3)速度閉環(huán):除了由位置閉環(huán)組成外，還包括速度檢測器、控制器、PWM 調(diào)壓器。

圖1 TFSRM 控制系統(tǒng)框圖

三個閉環(huán)的作用分別是確保TFSRM 不失步運(yùn)行，確保TFSRM 系統(tǒng)優(yōu)良的調(diào)速性能和實現(xiàn)TFSRM 電流控制及過流保護(hù)。

2 TFSRM 控制系統(tǒng)設(shè)計

如果忽略TFSRM 定子線圈電感對TFSRM 輸出轉(zhuǎn)矩的影響，則TFSRM 輸出轉(zhuǎn)矩的大小與其定子線圈電流的大小成正比，只要合理確定TFSRM 定子線圈反電動勢的相位、幅值和線圈電流就可以控制TFSRM 的轉(zhuǎn)矩。應(yīng)用在輕型電動車上的TFSRM 控制系統(tǒng)采用電流和轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，其轉(zhuǎn)速外環(huán)由PID 調(diào)節(jié)器組成。

2.1 轉(zhuǎn)速控制及調(diào)壓調(diào)速電路的設(shè)計

設(shè)計一個PI 調(diào)節(jié)器，能使TFSRM 轉(zhuǎn)速n 與其所需求的轉(zhuǎn)速接近，本文采用如圖2 所示的電路來實現(xiàn)PWM 調(diào)壓調(diào)速及速度閉環(huán)控制。

圖2 調(diào)壓調(diào)速及速度閉環(huán)控制電路

2.2 TFSRM 樣機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制

圖3 相繞組導(dǎo)通規(guī)律

3 TFSRM 樣機(jī)控制系統(tǒng)實驗

3.1 實驗裝置

實驗裝置如圖4 所示，主要由TFSRM 樣機(jī)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速顯示儀表、位置檢測器、控制器、功率變換器、電源和負(fù)載－直流發(fā)電機(jī)組成，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量裝置、TFSRM 樣機(jī)和直流發(fā)電機(jī)同軸聯(lián)接。

圖4 TFSRM 樣機(jī)控制系統(tǒng)實驗裝置

其中，TFSRM 樣機(jī)額定電流、額定功率、額定轉(zhuǎn)速分別為10 A、200 W、400 r/min，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀額定轉(zhuǎn)矩為20 N·m，齒數(shù)120，精度0.1 級，轉(zhuǎn)速范圍為0 ～6 000 r/min。直流發(fā)電機(jī)額定功率為2 kW，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，勵磁電流為0.58 A，勵磁電壓為220 V。

3.2 TFSRM 樣機(jī)控制系統(tǒng)仿真

基于MATLAB/Simulink 建立TFSRM 及其控制系統(tǒng)模型，分別對有永磁屏蔽的TFSRM 樣機(jī)與無永磁屏蔽的TFSRM 樣機(jī)進(jìn)行仿真分析，得到轉(zhuǎn)矩仿真波形如圖5(a)和圖5(b)所示。

圖5 TFSRM 樣機(jī)轉(zhuǎn)矩波形

由圖5(a)可以看出，當(dāng)TFSRM 繞組電流為10 A 時，有永磁屏蔽的TFSRM平均輸出轉(zhuǎn)矩約為12N·m，由仿真可知:具有永磁屏蔽的TFSRM 樣機(jī)要比無永磁屏蔽的TFSRM 樣機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩提高約50%，在本設(shè)計中，電機(jī)采用有永磁屏蔽的TFSRM。

4 TFSRM 樣機(jī)控制系統(tǒng)機(jī)械特性

圖6 有永磁屏蔽的TFSRM 結(jié)構(gòu)

表1 為當(dāng)電流分別為8 A、10 A 時無永磁屏蔽和有永磁屏蔽TFSRM 樣機(jī)機(jī)械特性實驗結(jié)果，圖7為兩臺樣機(jī)的機(jī)械特性曲線。

表1 TFSRM 樣機(jī)機(jī)械特性實驗數(shù)據(jù)

圖7 TFSRM 樣機(jī)機(jī)械特性曲線

從實驗結(jié)果可以看出，有永磁屏蔽的TFSRM 樣機(jī)串勵特性更明顯，在同樣條件下，輸出轉(zhuǎn)矩更高，機(jī)械特性更好。

5 結(jié) 語

在理論分析的基礎(chǔ)上，對一種能應(yīng)用在輕型電動車上的TFSRM 控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。基于MATLAB/Simulink 建立了電動車TFSRM 驅(qū)動系統(tǒng)的仿真模型并進(jìn)行了仿真和樣機(jī)實驗，得出電動汽車TFSRM 特性數(shù)據(jù)和曲線，結(jié)果表明:具有永磁屏蔽的TFSRM 能大幅度提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩。對轉(zhuǎn)速控制及電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制電路進(jìn)行了設(shè)計。利用這些結(jié)果還可以對TFSRM 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、控制策略選擇以及轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲抑制進(jìn)行深入研究。本文在獲得上述結(jié)論的同時，仍然存在不足，若要獲得更平滑的輸出轉(zhuǎn)矩，還需要對輕型電動車上TFSRM 及其控制系統(tǒng)做進(jìn)一步研究與完善。

［1］ CHANG J，KANG D，LEE J，et al. Development of transverse flux liner motor with permanent－magnet excitation for direct drive applications［J］. IEEE Transactions on Magnetics，2005，41(5):1936－1939.

［2］ 詹瓊?cè)A. 開關(guān)磁阻電動機(jī)［M］. 武漢:華中理工大學(xué)出版社，1992.

［3］ 王杰，張舟云，貢俊.純電驅(qū)動電動汽車用動力傳動系統(tǒng)方案對比分析［J］.微特電機(jī)，2012，40(10):52－54.

［4］ 賈好來.SRM 調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)的研究熱點(diǎn)［J］.電工技術(shù)，2010，(4):37－42.

［5］ 趙宇，柴建云.橫向磁場永磁電機(jī)性能研究［J］. 電機(jī)與控制應(yīng)用，2006，33(7):9－13.

［6］ 李倬，葛寶明. 一種改進(jìn)的無軸承開關(guān)磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型［J］.電機(jī)與控制學(xué)報，2009，(6):850－856.

［7］ 王勉華.四相開關(guān)磁阻電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法研究［J］. 電氣傳動，2011，(4):8－11.

［8］ 張學(xué)毅，馬曉光，朱永祥.影響橫向磁場開關(guān)磁阻電機(jī)性能的主要因素研究［J］.微特電機(jī)，2012，40(9):1－3.

［9］ 馬曉光，瞿遂春.橫向磁場開關(guān)磁阻電機(jī)的研究［D］. 湖南:湖南工業(yè)大學(xué)碩士論文，2010.