hev用fspm双转子电机控制系统研究
本文针对目前混合动力合成系统用双转子电机存在的不足，通过分析研究定子永磁型磁通切换双转子(a Double Rotor Flux Switching Permanent-Magnet,简称DR-FSPM)电机的结构及其工作原理，提出将DR-FSPM运用于混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicles, 简称HEV)。在分析研究了各种工况和控制策略，然后以TI公司的DSP TMS320F28335为主控芯片，根据系统的控制方法和要求，完成了系统控制部分流程图的设计。介绍了DSP的各模块功能以及软件子程序的功用，最后经过软硬件的结合，保证了汽车在各种工况下都处于最佳燃油经济区，实现了节能减排的目的。
关键词 定子永磁型电机，TMS320F28335，双转子电机，混合动力系统，汽车工况
目 录
1 绪论 1
1.1 混合动力汽车 1
1.2 混合动力合成系统 3
1.3 双转子电机概述 5
1.4 双转子电机国内外研究现状与关键问题 6
1.5 本课题主要研究的内容 7
2 DR-FSPM的结构及工作原理 7
2.1 FSPM电机的基本结构及其工作原理 8
2.2 DR-FSPM电机结构与原理 10
3 HEV系统工况分析及其控制策略 12
3.1 基于DR-FSPM电机的混合动力系统的典型工况 12
3.2 基于DR-FSPM的混合动力系统的控制策略 14
4 DR-FSPM电机驱动控制系统 16
4.1 DR-FSPM电机控制器硬件设计 16
4.2 DR-FSPM电机控制器的软件设计 17
4.3 本章小结 22 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
r /> 总结 23
致 谢 24
参考文献 25
附录 部分功能程序 26
1 绪论
1.1 混合动力汽车
1.1.1 混合动力汽车概述
20世纪开始，汽车工业及其所形成的产业链不仅促进了经济的增长，还进一步提高了人们生活水平。但是由汽车引起的能源与环境恶化的问题日益严重。据统计，目前一般使用的燃油发动机汽车在据了道路80%以上，然而动力潜能只利用了40%左右，在市区下降到25%，利用效率非常低，并且废气的排放对环境也造成了很大的污染。根据联合国环境委员会调查表明，当前大气污染的40～60%都是由尾气排放造成的，对环境发展和人类健康有着严重的危害[1]。因此如何提高汽车燃油经济性和降低尾气污染已成为汽车发展所面临的两大挑战。以免汽车工业对能源环境造成压力,人们提出了节能环保型汽车，并且也成为了汽车发展的主要方向，所以将新能源运用到汽车中成为了现在首要的研究课题。
当前，主要的新能源汽车有3种分别是：纯电动的汽车、混合动力的汽车、燃料电池的汽车。
用蓄电池单独提供能量的汽车是纯电动汽车，电动机所需的电能由蓄电池供给，把电能变成机械能，然后是汽车运行。这种汽车的噪音很小，不使用燃油，没有排放，无污染，但是因为蓄电池本身缺陷所限，因此，这种汽车只能行驶有限的路程就需要充电，并且充电的周期很长，致使纯电动汽车应用受到限制。
把燃料电池当成能源转换装置的汽车称为燃料电池汽车，电动机为其提供动力。因为燃料电池能量的密度和燃油的密度相当，所以这种汽车行驶的路程和燃油汽车差不多，但因为燃料电池的功率密度相对较低，为了提高汽车的加速性能需要用电池进行辅助，并且燃料电池的造价很高，其一些性能还不够完善。如今，燃料电池汽车的研究还在起步阶段。
燃油和蓄电池为混合动力汽车提供动力，电动机与发动机可以单独工作，也可以同时工作来驱动传动装置，使汽车行驶。这种汽车在行驶中，会依据各种路况工作于各种行驶模式，例如在低速行驶时由电机单独工作驱动，中、高速时由发动机工作驱动，电机依据要求进行辅助驱动，从而达到汽车的动力要求，燃油经济性不仅得到了提高，尾气的排放也降低了很多。这种汽车融合了纯电动汽车与燃油汽车的长处，不仅拥有持续的续航能力，也优化了汽车的各种工况运行方式、提高了燃油经济性，达到了节能减排的目的，目前已成为新能源汽车市场的主流。
1.1.2 混合动力汽车的分类
依据不同特性对混合动力汽车进行分类，分类的方式有两种：依据运行特点以及功率水准与能量传递特征进行分类。
按照HEV驱动系统电功率流两种能量的传送方向与机械功率流特点，这种汽车分成四种：串联式、并联式、混联式、综合式[2]。
将内燃机的机械能变成发电机的电能源然后再和电池组的电能以电能方式叠加在一起，这种叫做串联式结构，传递给电机使汽车运行来达到汽车的能源要求。这种结构简单，适合汽车频繁起动的场合，但驱动装置太多，能量传递损耗较大，因此效率较低。
并联式主要特征是将两种机械能量流：内燃机机械功率流和经蓄电池电能转化的电动机的机械能量流一起叠加共同驱动汽车，以满足汽车的动力需求。其主要特点是发动机与电动机拥有两种单独的驱动系统，其工作状态有3种：第一种是发动机独立驱动，第二种是电动机独立驱动，最后一种是发动机与电动机联合驱动。和串联式进行比较的话，同种性能的情况之下，并联式的电动机与发动机尺寸比较小。但由于两种能量流以机械形式叠加，需要较多机械传动装置，所以其复杂性高且受空间要求限制。
混联式融合了上面两类结构形式的特征，发动机的机械能不仅可以直接驱动传动装置，也能经过发动机转化为电能再和蓄电池的电能叠加在一起，传递给电动机，以用来驱动传动装置。这种结构的驱动方法很多，控制灵敏，能满足很多工况运行状态，但是它的结构比较复杂，成本花费比较昂贵。
综合式及混联式在构造上很相似，但是它跟混联式差别是它结构能使能量进行双向传递，相反混联式只是单向传递。虽然这种结构能满足多样的工作模式，但是它的结构更为的复杂。
按照HEV的功率水准以及运行特点，这种汽车能分成3类：轻度混合型，中度混合型以及重度混合型[3]。
传统发电机被起动发电机机代替，用输送带来驱动起动发电机，不直接驱动车轮，它的功率范围通常为为3-5kw，这是轻度混合动力汽车主要特点。它拥有两个关键的混合特性：一种是当HEV怠速时，关闭发动机以实现节能的目的；另一种是当HEV刹车时，它会利用再生电能给电池组充电。虽然轻度混合动力汽车节能的效果很小，所以其成本也增加的很少。
中度混合动力汽车的起动发动机功率为7-12kw，一般置于发动机与变速器之间。这类型混合动力汽车虽然不能单独的使用电能起动汽车，但是依然拥有再生制动与怠速停机的特点，同时还降低了发动机额定功率需求。中度混合动力汽车的节能范围一般在20% -30%左右，但同时它的成本也增长了20%-30%左右。
图1.2运用双转子电机的电磁式混合动力系统
1.3 双转子电机概述
一般电机都是由定子和转子构成的，并且只有电气一个机械输出轴与端口。从传统的直流电机到鼠笼式电机，然后再到永磁式电机，电机都只是有一个机械端口。双转子混合动力系统中的动力耦合执行机构是由双机械端口的电机担当的，它有两个动力输出轴，可以满足两转子之间能量独自输出的要求。双转子电机能较大程度上减小装备的重量与占用空间，能很好的满足调节速度和节约能源的要求。现在各种双机械端口电机被研究出来，尽管都是双机械端口电机，但是结构和工作原理都不相同，性能也不同，具有很大的差异[5]。
1.3.1 双转子同—异步电机
两台一般的电机可以组成双转子同—异步电机，它们分别为外电机与内电机，内外电机分别处于同步运行与异步运行工作模式。它是由励磁转子、定子以及杯形外转子构成。外转子的内外两侧都有绕组，而且是以相反的相序连接在一起的，靠近励磁转子的绕组称为转子侧绕组；定子侧绕组是靠近定子侧的绕组。
1 绪论 1
1.1 混合动力汽车 1
1.2 混合动力合成系统 3
1.3 双转子电机概述 5
1.4 双转子电机国内外研究现状与关键问题 6
1.5 本课题主要研究的内容 7
2 DR-FSPM的结构及工作原理 7
2.1 FSPM电机的基本结构及其工作原理 8
2.2 DR-FSPM电机结构与原理 10
3 HEV系统工况分析及其控制策略 12
3.1 基于DR-FSPM电机的混合动力系统的典型工况 12
3.2 基于DR-FSPM的混合动力系统的控制策略 14
4 DR-FSPM电机驱动控制系统 16
4.1 DR-FSPM电机控制器硬件设计 16
4.2 DR-FSPM电机控制器的软件设计 17
4.3 本章小结 22
r /> 总结 23
致 谢 24
参考文献 25
附录 部分功能程序 26
1 绪论
1.1 混合动力汽车
1.1.1 混合动力汽车概述
20世纪开始，汽车工业及其所形成的产业链不仅促进了经济的增长，还进一步提高了人们生活水平。但是由汽车引起的能源与环境恶化的问题日益严重。据统计，目前一般使用的燃油发动机汽车在据了道路80%以上，然而动力潜能只利用了40%左右，在市区下降到25%，利用效率非常低，并且废气的排放对环境也造成了很大的污染。根据联合国环境委员会调查表明，当前大气污染的40～60%都是由尾气排放造成的，对环境发展和人类健康有着严重的危害[1]。因此如何提高汽车燃油经济性和降低尾气污染已成为汽车发展所面临的两大挑战。以免汽车工业对能源环境造成压力,人们提出了节能环保型汽车，并且也成为了汽车发展的主要方向，所以将新能源运用到汽车中成为了现在首要的研究课题。
当前，主要的新能源汽车有3种分别是：纯电动的汽车、混合动力的汽车、燃料电池的汽车。
用蓄电池单独提供能量的汽车是纯电动汽车，电动机所需的电能由蓄电池供给，把电能变成机械能，然后是汽车运行。这种汽车的噪音很小，不使用燃油，没有排放，无污染，但是因为蓄电池本身缺陷所限，因此，这种汽车只能行驶有限的路程就需要充电，并且充电的周期很长，致使纯电动汽车应用受到限制。
把燃料电池当成能源转换装置的汽车称为燃料电池汽车，电动机为其提供动力。因为燃料电池能量的密度和燃油的密度相当，所以这种汽车行驶的路程和燃油汽车差不多，但因为燃料电池的功率密度相对较低，为了提高汽车的加速性能需要用电池进行辅助，并且燃料电池的造价很高，其一些性能还不够完善。如今，燃料电池汽车的研究还在起步阶段。
燃油和蓄电池为混合动力汽车提供动力，电动机与发动机可以单独工作，也可以同时工作来驱动传动装置，使汽车行驶。这种汽车在行驶中，会依据各种路况工作于各种行驶模式，例如在低速行驶时由电机单独工作驱动，中、高速时由发动机工作驱动，电机依据要求进行辅助驱动，从而达到汽车的动力要求，燃油经济性不仅得到了提高，尾气的排放也降低了很多。这种汽车融合了纯电动汽车与燃油汽车的长处，不仅拥有持续的续航能力，也优化了汽车的各种工况运行方式、提高了燃油经济性，达到了节能减排的目的，目前已成为新能源汽车市场的主流。
1.1.2 混合动力汽车的分类
依据不同特性对混合动力汽车进行分类，分类的方式有两种：依据运行特点以及功率水准与能量传递特征进行分类。
按照HEV驱动系统电功率流两种能量的传送方向与机械功率流特点，这种汽车分成四种：串联式、并联式、混联式、综合式[2]。
将内燃机的机械能变成发电机的电能源然后再和电池组的电能以电能方式叠加在一起，这种叫做串联式结构，传递给电机使汽车运行来达到汽车的能源要求。这种结构简单，适合汽车频繁起动的场合，但驱动装置太多，能量传递损耗较大，因此效率较低。
并联式主要特征是将两种机械能量流：内燃机机械功率流和经蓄电池电能转化的电动机的机械能量流一起叠加共同驱动汽车，以满足汽车的动力需求。其主要特点是发动机与电动机拥有两种单独的驱动系统，其工作状态有3种：第一种是发动机独立驱动，第二种是电动机独立驱动，最后一种是发动机与电动机联合驱动。和串联式进行比较的话，同种性能的情况之下，并联式的电动机与发动机尺寸比较小。但由于两种能量流以机械形式叠加，需要较多机械传动装置，所以其复杂性高且受空间要求限制。
混联式融合了上面两类结构形式的特征，发动机的机械能不仅可以直接驱动传动装置，也能经过发动机转化为电能再和蓄电池的电能叠加在一起，传递给电动机，以用来驱动传动装置。这种结构的驱动方法很多，控制灵敏，能满足很多工况运行状态，但是它的结构比较复杂，成本花费比较昂贵。
综合式及混联式在构造上很相似，但是它跟混联式差别是它结构能使能量进行双向传递，相反混联式只是单向传递。虽然这种结构能满足多样的工作模式，但是它的结构更为的复杂。
按照HEV的功率水准以及运行特点，这种汽车能分成3类：轻度混合型，中度混合型以及重度混合型[3]。
传统发电机被起动发电机机代替，用输送带来驱动起动发电机，不直接驱动车轮，它的功率范围通常为为3-5kw，这是轻度混合动力汽车主要特点。它拥有两个关键的混合特性：一种是当HEV怠速时，关闭发动机以实现节能的目的；另一种是当HEV刹车时，它会利用再生电能给电池组充电。虽然轻度混合动力汽车节能的效果很小，所以其成本也增加的很少。
中度混合动力汽车的起动发动机功率为7-12kw，一般置于发动机与变速器之间。这类型混合动力汽车虽然不能单独的使用电能起动汽车，但是依然拥有再生制动与怠速停机的特点，同时还降低了发动机额定功率需求。中度混合动力汽车的节能范围一般在20% -30%左右，但同时它的成本也增长了20%-30%左右。
图1.2运用双转子电机的电磁式混合动力系统
1.3 双转子电机概述
一般电机都是由定子和转子构成的，并且只有电气一个机械输出轴与端口。从传统的直流电机到鼠笼式电机，然后再到永磁式电机，电机都只是有一个机械端口。双转子混合动力系统中的动力耦合执行机构是由双机械端口的电机担当的，它有两个动力输出轴，可以满足两转子之间能量独自输出的要求。双转子电机能较大程度上减小装备的重量与占用空间，能很好的满足调节速度和节约能源的要求。现在各种双机械端口电机被研究出来，尽管都是双机械端口电机，但是结构和工作原理都不相同，性能也不同，具有很大的差异[5]。
1.3.1 双转子同—异步电机
两台一般的电机可以组成双转子同—异步电机，它们分别为外电机与内电机，内外电机分别处于同步运行与异步运行工作模式。它是由励磁转子、定子以及杯形外转子构成。外转子的内外两侧都有绕组，而且是以相反的相序连接在一起的，靠近励磁转子的绕组称为转子侧绕组；定子侧绕组是靠近定子侧的绕组。
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