轻量型纯电动汽车用开关磁阻电机驱动系统研究

【摘要】：能源紧缺和环境污染是新世纪人类面临的重要问题,也是目前人们关注的焦点,因此节能、环保的新能源汽车在此背景下应运而生。纯电动汽车以其在使用过程中实现了零排放、无污染、高效化等独特的优势而迅速崛起。开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,简称SRM)具有结构简单、可靠性高、调速范围宽、起动扭矩大等众多优势,发展迅速,在航空航天、纺织机械、石油开采、电动汽车等领域均有应用。本文以一台三相4kW-SRM为研究对象,在深入分析电机工作原理的基础之上,开发与研制了一套具有一定实用性的纯电动汽车用低压开关磁阻电机驱动系统。论文主要研究内容包括以下几个方面：(1)阐述开关磁阻电机的工作原理和控制方式,分析了电机分别作电动运行与制动发电运行时电路中电流回路与电机内部磁场的形成。(2)分析SRM结构特点和数学模型,并给出实验样机的设计参数与实测静态特性。基于Ansoft/Simplorer软件,搭建开关磁阻电机的磁场一电路耦合仿真模型,把磁场有限元计算与复杂的控制模型相结合,根据实际运行状态,应用不同的控制策略对电机本体输出特性进行了仿真分析。(3)设计并制作SRM控制器的硬件电路。对多种电路拓扑结构进行分析,最终确定合适的方案,根据控制电路需求,设计电路参数并制作电路板。焊接、调试硬件电路,最后装箱实现电机驱动系统控制器的模块化。(4)设计编写SRM控制器的软件程序。控制器的处理器采用ST公司的芯片STM32F103RB,该处理器以ARM Cortex-M3为核心,在RVMDK的环境下编写C语言程序,配合相应的硬件电路完成信号采集与转换、数据计算,运用相应的控制算法实现开关磁阻电机的电动运行。(5)基于驱动系统控制器的软硬件设计,搭建实验平台,完成SRM驱动系统实验验证。分析了SRM在不同控制方式下的特性,并分别测量电机、控制器以及系统效率的分布特性、电机的机械特性等,全面分析评估系统性能,为SRM驱动系统在纯电动汽车中的工程实用化提供理论与实验基础。 【关键词】：纯电动汽车 开关磁阻电机 有限元 STM32F103RB
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM352;U469.72
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 第1章 绪论12-16
• §1.1 研究背景与意义12
• §1.2 纯电动汽车用驱动系统研究现状12-14
• §1.3 开关磁阻电机驱动系统的研究现状14
• §1.4 论文主要研究内容和结构14-16
• §1.4.1 论文主要研究内容15
• §1.4.2 论文结构15-16
• 第2章 SRM工作原理与控制方式16-24
• §2.1 引言16
• §2.2 SRM本体结构16-17
• §2.3 SRM工作原理17-20
• §2.3.1 电动运行原理17-19
• §2.3.2 发电运行原理19-20
• §2.4 开关磁阻电机控制方式20-22
• §2.4.1 电流斩波控制20
• §2.4.2 角度位置控制20-21
• §2.4.3 脉宽调制控制21-22
• §2.5 本章小结22-24
• 第3章 SRM数学模型与仿真24-38
• §3.1 引言24
• §3.2 SRM数学模型24-30
• §3.2.1 开关磁阻电机基本方程式24-26
• §3.2.1.1. 磁链方程24
• §3.2.1.2. 电压方程24-25
• §3.2.1.3. 机械运动方程25-26
• §3.2.2 开关磁阻电机的线性模型26-30
• §3.2.2.1. 绕组电感模型26-28
• §3.2.2.2. 绕组磁链模型28-29
• §3.2.2.3. 绕组电流模型29-30
• §3.3 三相12/8极SRM本体参数30-32
• §3.4 磁场-电路联合耦合仿真32-37
• §3.4.1 场路耦合仿真模型32-33
• §3.4.2 给定转速源下电机相电流波形仿真33-35
• §3.4.3 给定负载转矩的比较35-37
• §3.5 本章小结37-38
• 第4章 SRM驱动系统硬件设计38-62
• §4.1 引言38-39
• §4.2 SRM驱动系统硬件设计39-61
• §4.2.1 功率变换器主电路39-40
• §4.2.2 功率开关器件选择40-41
• §4.2.3 处理器的选择41-43
• §4.2.4 开关电源设计43-50
• §4.2.4.1. 控制器对电源的需求43-44
• §4.2.4.2. 电源芯片的选取44-45
• §4.2.4.3. 变压器的设计45-46
• §4.2.4.4. 其他器件的选取46-48
• §4.2.4.5. 开关电源性能测试48-50
• §4.2.5 驱动电路设计50-52
• §4.2.6 采样电路设计52-58
• §4.2.6.1. 电压采样52-55
• §4.2.6.2. 电流采样55-58
• §4.2.7 转子位置检测电路设计58-59
• §4.2.8 显示、输入电路设计59-61
• §4.2.8.1. 数码管、按键电路60
• §4.2.8.2. 转速给定电路60-61
• §4.3 本章小结61-62
• 第5章 SRM驱动系统软件设计62-68
• §5.1 引言62-67
• §5.1.1 软件系统的框架62-63
• §5.1.2 位置信号的捕获63-64
• §5.1.3 角度细分64-65
• §5.1.4 PID控制器设计65-67
• §5.2 本章小结67-68
• 第6章 SRM驱动系统实验验证68-90
• §6.1 引言68
• §6.2 SRM驱动系统平台搭建68-73
• §6.2.1 驱动系统结构68
• §6.2.2 系统硬件平台68-73
• §6.2.3 系统软件平台73
• §6.2.4 测试仪器73
• §6.3 课题设计控制器实验验证73-82
• §6.3.1 电机转子位置校对74-75
• §6.3.2 启动过程测试75
• §6.3.3 角度位置控制(APC)测试75-78
• §6.3.4 机械特性测试78-81
• §6.3.5 转矩与转速最大输出能力测试81-82
• §6.4 市场销售控制器实验82-84
• §6.4.1 绕组电流波形检测82-83
• §6.4.2 机械特性测试83-84
• §6.5 控制器性能对比分析84-88
• §6.5.1 电流波形对比84-85
• §6.5.2 系统性能对比85-88
• §6.6 本章小结88-90
• 第7章 总结与展望90-92
• §7.1 全文总结90
• §7.2 课题展望90-92
• 参考文献92-94
• 致谢94-95
• 硕士期间的学术成果95

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