HEV用FSPM双转子电机控制系统研究MATLAB仿真
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 永磁磁通切换双转子电机的简介 1
1.3 本课题任务 2
1.4 本章小结 2
2 永磁磁通切换双转子电机数学模型 2
2.1 磁通切换双转子电机基本结构 4
2.2 永磁磁通切换双转子电机外电机的数学模型 5
2.3 本章小结 8
3 永磁磁通切换双转子电机的MATLAB控制系统模型 8
3.1 电机控制策略 11
3.2 电机本体模型 12
3.3 转速PI调节模块 12
3.4 控制和驱动电路 13
3.5 功率变换器模块 14
3.6 本章总结 15
4 仿真结果分析 16
4.1 汽车外电机单独启动的工况 18
4.2 汽车内电机启动的模式 19
4.3 汽车的爬坡模式 20
结论 21
致谢 22
参考文献 23
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
自从19世纪末发明汽车以来，汽车带来了越来越多的环境问题以及能源问题。另外，随着全球汽车数量的不断增多，汽车尾气在大气污染重所占的比例也越来越高。环境是否清晰自然直接影响人们的日常生存质量，因此如何提升整车燃油利用率和抑制尾气排放已成为汽车发展所需要解决的两大挑战。
蓄电池是纯电动汽车能量来源的唯一途径，通过电机将电能转化为机械能驱动汽车行驶。此种类型汽车噪音小，不依靠汽油来提供能量驱动，无尾气污染，节能环保，但由于目前在储能装置上还 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
没有很大的突破，因此，纯电动汽车受到的续驶里程有限的制约，而且由于需要很长时间才能使蓄电池的能量恢复，纯电动汽车应用受到很大的制约[1]。
燃料电池汽车顾名思义是采用燃料电池作为整车能量的来源，采用电动机驱动汽车。鉴于燃料电池能量密度和汽油相差不大，因此燃料电池汽车的续驶里程与内燃机汽车相当。但是燃料汽车在生产的过程中需要较高的成本，从可持续发展的角度来说是不合理的。
混合动力汽车在行驶过程中，现任是不一样的道路条件和交通实际工作对应到运行的状态，如纯电动状态闲置的工作，单独的电动机来驱动车辆。正常行驶时内燃机为主要动力源，电机根据车辆行驶过程中的具体功率需求，配合内燃机共同驱动车辆运行，满足车辆正常工作时的动力需求，这样既提高了整车经济性，同时降低了废气的排放。HEV已成为新能源汽车的主要发展方向。
1.2 永磁磁通切换电机的简介
下图1-1中的电机即为1997年首次提出的永磁式永磁磁通切换电机的结构，即永磁磁通切换电机.该电机与电励磁式结构相比，最明显的不同体现在定子结构上.在资料中，使用廉价的铁氧体材料取代了电励磁绕组提供气隙磁场，并且采用了集中绕组.永磁体上端嵌在定子铁心里，与定子外的空气不直接接触，转子为凸极结构。通常该种电机的定转子齿数取得较大以提高电机转矩，在后文中将会介绍其独特的定转子齿极数匹配。
图1-1永磁磁通切换电机结构
1.3 本课题任务
本课题主要通过查阅资料，了解永磁磁通切换双转子基本工作原理，推导出它的数学模型，在MATLAB中建模，对HEV的几种工况进行仿真，并分析它的仿真结果。
1.4 本章小结
本章简介了课题背景以及它的发展趋势，简单的分析了永磁磁通切换电机以及把双转子电机与永磁磁通切换电机二者优点结合起来的永磁磁通切换双转子电机，最后简述了本课题的基本任务。
2 永磁磁通切换双转子电机数学模型
之所以称之为永磁磁通切换电机，就是因为该电机采用了永磁磁通切换原理[7]。磁通切换，是指在绕组中的磁通的大小和方向 (这里的正负极性定义为磁通进入电枢绕组极性为正，磁通穿出电枢绕组极性为负)随着电机转子位置的变化而作周期性的切换。
从下图2-1中可以看出，磁通的方向是根据转子的位置变换而变化的，单转子到达（a）图的位置的时候，根据磁阻最小原理可以判断出磁通的方向是在定子与转子之间形成，当转子继续顺时针旋转的时候，由于与其相邻的绕组的影响，磁通的大小会发生变化，当到达图（b）的位置的时候，由于永磁体的影响，定子与转子之间的磁通也形成了一个顺时针的回路，并沿箭头表示的方向形成闭合路径。 当转子位子发生变化时，穿出定子电枢绕组的永磁磁通数量必定会发生变化，因此定子绕组两端会感应出一定的反电动势，反电势的大小和方向和磁链变化率息息相关。 "磁通切换”就是上述的经过。虽然两个回路都是顺时针的，但是对于定子上的绕组来说，两个位置上的反电动势是相反的。这就是所谓的磁通切换原理。
a)磁通穿出绕组 b) 磁通穿入绕组
图2-1 永磁磁通切换原理
本小节以12/10电机为例，对永磁磁通双转子电机进行分析。上图1-1就是这种电机的结构图。
可以根据资料得出一个结论，永磁磁通切换电机可以看成是一种双凸极电机的，定子和转子均是凸级的结构。永磁磁通切换电机的12个凸极对应12个绕组线圈，每四个线圈串联起来构成电机的绕组的一相。例如，A1-A4定子电枢绕组线圈以串联的形式连接起来构成定子电枢绕组的A相。
2.1 磁通切换双转子电机基本结构
下图2-2中，就是双转子永磁磁通切换电机的简单的结构图，在图中可以看出，整个电机可以分成三个部分：定子，中间转子以及内转子。其中，内转子和定子的结构比较相似，它们都是由12个单元组成，每个单元由三个部分组成：绕组，铁芯，永磁体。每个铁芯中嵌入一个永磁体，上面有绕组。这种结构构造比较简单，而且方便散热，这也是这种电机的优点之一。而且这12个单元每四个单元中的绕组按照特定的顺序分成一相。中间转子设计的很简单，如下图2-3所示，在中间转子上面没有绕组和永磁体，使得机器在制造的过程中工艺流程比较简单，在机器的使用中，中间转子具有较好的机械强度，也方便电机散热。最后，可以从图2-2中可以看出电机中的三个部分都是凸极结构，这种结构的电机有双凸极结构电机的特点，并且其具有的凸极效应为以后无传感器及无速度控制提供了先天性的优势。并且永磁电机的功率密度也比较大。
图2-2永磁磁通切换双转子电机
2.2 永磁磁通切换双转子电机外电机的数学模型
建立一个精确的电机本体模型对于整个仿真来说是至关重要的。在建立模型时，要对电机的工作原理有一个比较清晰的了解。永磁磁通切换双转子电机可以看作是由两台永磁磁通切换电机集成而来。可以已单个永磁磁通切换外电机为例在三相静止坐标系下来推导。在公式推导时，以外电机为例，公式下标后缀为‘o’,代表外电机，同理‘i’代表内电机。
2.2.1 电压方程
当电机的运行状态是电动机是，由基尔霍夫电压定律可以推出电机本体模型中的电压方程。永磁磁通切换双转子电机外电机的电压平衡方程如下[15-17]：
(2-19)
其中，Tein、TICE分别表示内燃机的输出转矩和内电机的电磁转矩； Jin为中间转子及其所连接的设备的转动惯量之和(包括内燃机的转动惯量)； 表示中间转子的转速；Bi为内转子阻尼摩擦系数。
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 永磁磁通切换双转子电机的简介 1
1.3 本课题任务 2
1.4 本章小结 2
2 永磁磁通切换双转子电机数学模型 2
2.1 磁通切换双转子电机基本结构 4
2.2 永磁磁通切换双转子电机外电机的数学模型 5
2.3 本章小结 8
3 永磁磁通切换双转子电机的MATLAB控制系统模型 8
3.1 电机控制策略 11
3.2 电机本体模型 12
3.3 转速PI调节模块 12
3.4 控制和驱动电路 13
3.5 功率变换器模块 14
3.6 本章总结 15
4 仿真结果分析 16
4.1 汽车外电机单独启动的工况 18
4.2 汽车内电机启动的模式 19
4.3 汽车的爬坡模式 20
结论 21
致谢 22
参考文献 23
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
自从19世纪末发明汽车以来，汽车带来了越来越多的环境问题以及能源问题。另外，随着全球汽车数量的不断增多，汽车尾气在大气污染重所占的比例也越来越高。环境是否清晰自然直接影响人们的日常生存质量，因此如何提升整车燃油利用率和抑制尾气排放已成为汽车发展所需要解决的两大挑战。
蓄电池是纯电动汽车能量来源的唯一途径，通过电机将电能转化为机械能驱动汽车行驶。此种类型汽车噪音小，不依靠汽油来提供能量驱动，无尾气污染，节能环保，但由于目前在储能装置上还 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
没有很大的突破，因此，纯电动汽车受到的续驶里程有限的制约，而且由于需要很长时间才能使蓄电池的能量恢复，纯电动汽车应用受到很大的制约[1]。
燃料电池汽车顾名思义是采用燃料电池作为整车能量的来源，采用电动机驱动汽车。鉴于燃料电池能量密度和汽油相差不大，因此燃料电池汽车的续驶里程与内燃机汽车相当。但是燃料汽车在生产的过程中需要较高的成本，从可持续发展的角度来说是不合理的。
混合动力汽车在行驶过程中，现任是不一样的道路条件和交通实际工作对应到运行的状态，如纯电动状态闲置的工作，单独的电动机来驱动车辆。正常行驶时内燃机为主要动力源，电机根据车辆行驶过程中的具体功率需求，配合内燃机共同驱动车辆运行，满足车辆正常工作时的动力需求，这样既提高了整车经济性，同时降低了废气的排放。HEV已成为新能源汽车的主要发展方向。
1.2 永磁磁通切换电机的简介
下图1-1中的电机即为1997年首次提出的永磁式永磁磁通切换电机的结构，即永磁磁通切换电机.该电机与电励磁式结构相比，最明显的不同体现在定子结构上.在资料中，使用廉价的铁氧体材料取代了电励磁绕组提供气隙磁场，并且采用了集中绕组.永磁体上端嵌在定子铁心里，与定子外的空气不直接接触，转子为凸极结构。通常该种电机的定转子齿数取得较大以提高电机转矩，在后文中将会介绍其独特的定转子齿极数匹配。
图1-1永磁磁通切换电机结构
1.3 本课题任务
本课题主要通过查阅资料，了解永磁磁通切换双转子基本工作原理，推导出它的数学模型，在MATLAB中建模，对HEV的几种工况进行仿真，并分析它的仿真结果。
1.4 本章小结
本章简介了课题背景以及它的发展趋势，简单的分析了永磁磁通切换电机以及把双转子电机与永磁磁通切换电机二者优点结合起来的永磁磁通切换双转子电机，最后简述了本课题的基本任务。
2 永磁磁通切换双转子电机数学模型
之所以称之为永磁磁通切换电机，就是因为该电机采用了永磁磁通切换原理[7]。磁通切换，是指在绕组中的磁通的大小和方向 (这里的正负极性定义为磁通进入电枢绕组极性为正，磁通穿出电枢绕组极性为负)随着电机转子位置的变化而作周期性的切换。
从下图2-1中可以看出，磁通的方向是根据转子的位置变换而变化的，单转子到达（a）图的位置的时候，根据磁阻最小原理可以判断出磁通的方向是在定子与转子之间形成，当转子继续顺时针旋转的时候，由于与其相邻的绕组的影响，磁通的大小会发生变化，当到达图（b）的位置的时候，由于永磁体的影响，定子与转子之间的磁通也形成了一个顺时针的回路，并沿箭头表示的方向形成闭合路径。 当转子位子发生变化时，穿出定子电枢绕组的永磁磁通数量必定会发生变化，因此定子绕组两端会感应出一定的反电动势，反电势的大小和方向和磁链变化率息息相关。 "磁通切换”就是上述的经过。虽然两个回路都是顺时针的，但是对于定子上的绕组来说，两个位置上的反电动势是相反的。这就是所谓的磁通切换原理。
a)磁通穿出绕组 b) 磁通穿入绕组
图2-1 永磁磁通切换原理
本小节以12/10电机为例，对永磁磁通双转子电机进行分析。上图1-1就是这种电机的结构图。
可以根据资料得出一个结论，永磁磁通切换电机可以看成是一种双凸极电机的，定子和转子均是凸级的结构。永磁磁通切换电机的12个凸极对应12个绕组线圈，每四个线圈串联起来构成电机的绕组的一相。例如，A1-A4定子电枢绕组线圈以串联的形式连接起来构成定子电枢绕组的A相。
2.1 磁通切换双转子电机基本结构
下图2-2中，就是双转子永磁磁通切换电机的简单的结构图，在图中可以看出，整个电机可以分成三个部分：定子，中间转子以及内转子。其中，内转子和定子的结构比较相似，它们都是由12个单元组成，每个单元由三个部分组成：绕组，铁芯，永磁体。每个铁芯中嵌入一个永磁体，上面有绕组。这种结构构造比较简单，而且方便散热，这也是这种电机的优点之一。而且这12个单元每四个单元中的绕组按照特定的顺序分成一相。中间转子设计的很简单，如下图2-3所示，在中间转子上面没有绕组和永磁体，使得机器在制造的过程中工艺流程比较简单，在机器的使用中，中间转子具有较好的机械强度，也方便电机散热。最后，可以从图2-2中可以看出电机中的三个部分都是凸极结构，这种结构的电机有双凸极结构电机的特点，并且其具有的凸极效应为以后无传感器及无速度控制提供了先天性的优势。并且永磁电机的功率密度也比较大。
图2-2永磁磁通切换双转子电机
2.2 永磁磁通切换双转子电机外电机的数学模型
建立一个精确的电机本体模型对于整个仿真来说是至关重要的。在建立模型时，要对电机的工作原理有一个比较清晰的了解。永磁磁通切换双转子电机可以看作是由两台永磁磁通切换电机集成而来。可以已单个永磁磁通切换外电机为例在三相静止坐标系下来推导。在公式推导时，以外电机为例，公式下标后缀为‘o’,代表外电机，同理‘i’代表内电机。
2.2.1 电压方程
当电机的运行状态是电动机是，由基尔霍夫电压定律可以推出电机本体模型中的电压方程。永磁磁通切换双转子电机外电机的电压平衡方程如下[15-17]：
(2-19)
其中，Tein、TICE分别表示内燃机的输出转矩和内电机的电磁转矩； Jin为中间转子及其所连接的设备的转动惯量之和(包括内燃机的转动惯量)； 表示中间转子的转速；Bi为内转子阻尼摩擦系数。
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