具有高转矩密度宽速范围恒功率性能的电动汽车用无稀土开关磁阻电机及其功率系统优化驱动研究

Electric vehicle is one of important ways to relieve energy crisis and reduce pollution. Its compact space requires that driving motor must have functions of high torque density, high efficiency and extended-speed constant-power range. Permanent magnet motor consumes rare-earth magnet so that its price is high and supply is limited. Thus, it is necessary to conduct research on rare-earth-free or rare-earth-less high-performance motor. Switched reluctance motor (SRM) is rare-earth-free low-cost motor but lacks sufficient torque density. In order to improve its performance, this research breaks conventional control and design idea to adopt high-speed continuous current mode (CCM), together with high-voltage magnetization and demagnetization ability that a new multi-level power converter proposed conjunctively has to study its control principle and strategy for realizing operating with high torque density and extended-speed constant-power range. From this, it brings improvement and optimization on motor design. This issue takes comprehensive design on power converter, motor and controller. Aiming at EV’s different driving demand in each torque-speed working area, this project adopts various optimal targets to study its control strategy and optimal control principle to develop research on optimizing drive with multiple targets including high torque density, high efficiency, extended-speed constant-power range and torque ripple reduction in low speed. This research could contribute to improve SRM’s driving performance, utilize power efficiently and save rare-earth resource.

电动汽车是缓解能源危机、减少污染的重要途径之一，其紧凑的空间，要求驱动电机具有高转矩密度、高效率和宽速范围恒功率性能。永磁电机消耗稀土类磁铁，价格高且资源有限，研究无稀土或少稀土高性能电机十分必要。开关磁阻电机是无稀土低成本电机，但转矩密度不高，为提高其性能，课题打破传统的控制和设计思路，采用高速连续电流模式，并结合提出的新型多电平功率变换器所具有的高压励磁和高压退磁能力，研究其控制规律和策略，以实现电机高转矩密度和宽速范围恒功率运行，由此，也带来电机设计上的改进优化。课题从整体驱动系统角度对功率变换器、电机和控制器进行设计，针对电动汽车各矩速工作区域的不同驱动要求，采用不同的优化目标，研究其控制策略和优化控制规律，开展具有高转矩密度、高效率、宽速范围恒功率以及低速减小转矩脉动的多目标优化驱动研究。该研究有助于提高开关磁阻电机的驱动性能，有利于电能的高效利用和节约地球稀土资源。

为提高开关磁阻电机（SRM）的输出性能，项目打破传统的控制和设计思路，将电流连续模式和新型功率变换器相结合，开展电机控制与多电平功率变换器（MLC）协调优化驱动的控制策略研究。.为解决SRM高速运行时，由于电机的反电动势大且每周期换相时间短，常压励磁和常压退磁难以满足相电流快速建立和下降要求而影响电机输出性能的问题，提出了具有高压励磁和高压退磁，且各相可完全独立控制的新型MLC拓扑结构，并对升压电容、功率开关器件等进行了参数匹配设计。为保障功率变换器可靠运行，进行了功率器件的故障诊断研究。.开展基于新型MLC的SRM优化控制研究，以转矩安培比最大化（MTPA）作为优化目标，设计了基于MLC的具有控制参数自动调节的SRM闭环控制系统，分别对中高速时SRM单脉冲控制和超高速时电流连续模式进行优化控制策略和优化控制规律研究。通过升压电容电压的闭环控制，达成升压电容的充放电平衡，实现了母线电压的稳定。为避免电流连续模式出现不稳定运行，设计了导通角的闭环控制。为了获得准确的转矩反馈，进行了建模和互感研究。为了避免出现电流连续与不连续两种状态之间的切换而导致系统运行的不稳定，提出一种主动零压续流的控制策略，不仅能使系统稳定运行在电流连续阶段，而且提升了电机的输出性能。.为了提升电机运行效率，通过优化控制，利用快速励磁，延缓了开通角的前移，减小了电感下降区产生的负转矩；利用快速退磁，适当延后关断角，提升了电感上升区的正转矩。使励磁区间更多的移向正转矩产生区域。无论是中高速单脉冲控制，还是超高速的电流连续控制，所提方案比传统控制在转矩密度和调速范围性能上都得到了很大提高。.为减小SRM转矩脉动，低速时采用由转矩输出能力较大的电机相的内滞环来调节转矩偏差的新型DITC控制策略。高速时，设计的基于新型MLC的SRM直接瞬时转矩控制系统，采用高压励磁和高压退磁，通过优化控制提升了瞬时输出转矩跟随参考转矩的能力，可有效减小高速时的转矩脉动。