摘要：针对目前电动汽车所使用的有刷直流电机控制存在系统复杂、稳定性差的问题，设计了一种开关磁阻电机调速控制系统，通过与有刷直流电机调速系统对比，开关磁阻电机调速控制系统的性能较好，且启动电流明显小于有刷直流电机的启动电流，使电动汽车的电池使用寿命增加，且使用开关磁阻电机比有刷直流电机的电动汽车可以多行驶12km，节能效果较好，约节能11%。
关键词：电动汽车；开关磁阻电机；调速；控制策略
0引言
电动汽车的整个控制系统由多部分构成，其中电机调速占据重要地位，开关磁阻电机调速控制系统存在系统稳定性好、可靠性高的优点，且结构简单，成本较低，能很好地解决有刷直流电机的缺陷[1]。但电机的转矩脉动太大，会影响电机及电动汽车的传动装置，因此要设法降低开关磁阻电机的转矩脉动，确保电机保持较高的输出效率，满足电动汽车的要求。
1开关磁阻电机调速系统总体设计
开关磁阻电机调速控制系统的结构框图如图1所示，其中，功率变换器做为重要组成部分，主要用于完成系统对电机的控制以及能量传送。该系统采用不对称的半桥型功率电路，每相中有2个IGBT开关、2个续流二极管，当断开开关元件时，电路中的绕组电流经过续流二极管把绕组磁储存的能量返回给电源，在续流的过程中，绕组在反向电压的作用下电流减小至零。开关磁阻电机选择三相6/4极结构，通过改变相电流的大小来改变电机转矩，从而改变电机的转速。系统采用霍尔电流传感器对电路中的电流进行检测，采用光电编码器对转子位置进行检测，DSP控制器根据检测器反馈的信号对电机的运行状态进行控制[2]。当控制电路收到启动信号后，内置程序首先会对开关磁阻调试控制系统进行检测，在系统检测一切正常的情况下，光电编码器检测出转子位置信号并在控制器中输出对应的信号，当操作命令发生变化时，适当调整控制电路的运行方式，如果在运行的过程中出现过载或转子不转等故障时，要立即停车并采取相应地保护措施，解除电路报警。图1开关磁阻调试控制系统框图
2开关磁阻电机调速系统控制策略
传统的线性控制器参数是固定不变的，在整个调速范围内，系统不能满足最优的动静态性能要求，而开关磁阻电机调速控制系统是一个非线性系统，具有多输入、多输出、强耦合的特性，为了优化电动车的控制系统，本文将采用可以改变控制参数的智能控制方法[3]，获得更高效的调速策略。
2.1开关角。在开通角和关断角之间给电机绕组施加正向的电压，维持绕组内的电流，在关断角关闭一段时间后给绕组施加反向电压，绕组内的电流会产生续流并迅速下降至零，不同的电流波形所产生的绕组铜损耗和电机效率不同，一般电机出力越大，其脉动转矩越小，对于m相的电机，其通电相数Ps可以由计算电流占空比求得，即：通过公式可知，t变化时Ps也发生变化，因此通过对开关角的优化控制能够得到使电机出力相同但效率最高的一组参数。
2.2双闭环控制。由于开关磁阻电机在低速运行时响应速度慢，转矩脉动大，电动汽车启动时会产生较大的振动和噪声，为降低振动和噪音，提高响应速度以及提升系统的抗外界干扰能力，可以采用优化的双闭环控制系统。双闭环控制系统将电流环作为内环，转速环作为外环，而且采用双闭环控制系统，响应速度快，系统的动静态性能好，同时系统控制器采用PI控制器，改善系统的静态误差，系统中PI算法的表达式为：其中，P(t)是控制器的转矩输出，e(t)是偏差信号，Kp是控制器的比例系数，T1是积分时间常数。对上式进行离散化后得
3开关磁阻电机调速系统性能分析
对所设计的双闭环开关磁阻电机调速控制系统在不同转速、不同负载条件下的控制性能进行分析，结果如图3所示，在转速为500r/min时，对系统施加50Nm、100Nm、200Nm的负载转矩，转速的变化在2r/min以内，且在很短的时间内即可恢复，在转速为1500r/min时，对系统施加20Nm、120Nm、200Nm的负载转矩，转速的变化在1r/min以内，且转速基本稳定，在转速为-2800r/min时，对系统施加-60Nm、-160Nm、-20Nm的负载转矩，转速的变化在2r/min左右，在转速为3500r/min时，对系统施加100Nm、10Nm、55Nm的负载转矩，刚开始时施加较大的负载转矩，转速的变化较大，但较短的时间内即可达到稳定。可以看出，电机在正转与反转时都有一定的带载能力，给电机施加一定的负载转矩后，系统可以快速进行调整并使电机转速保持稳定无静差，当负载转矩的变化较大时，电机转速的变化仍然较小，在稳态时的转速变化在2r/min以内。
4开关磁阻电机调速系统应用效果
为验证控制系统在电动汽车上应用的可行性，将电机的额定功率设定为5KW，蓄电池的额定电压为60V，最高转速为3000r/min，选择相同的车型、相同的蓄电池、以及相同功率的电机，在平均速度为45km/h下进行试验，将设计的开关磁阻电机调速控制系统与同等功率的有刷直流电机调速系统进行对比，结果如表1所示。表1开关磁阻电机与直刷直流电机对比从表1的数据可以看出开关磁阻电机调速控制系统的启动电流只有90A，而有刷直流电机调速系统的启动电流为150A，由于蓄电池满电运行里程与启动电流的大小有直接关系，可见在相同状态下开关磁阻电机调速控制系统能提高电池的使用时间，按充电一次电动汽车所行驶的里程数来比较，采用开关磁阻电机比有刷直流电机多行驶12km，约节约11%能源，由此可以推论电动汽车采用开关磁阻电机调速控制系统的节能效果较好[4]。
5结论
为了解决有刷直流电机的控制系统复杂，系统稳定性差的问题，本文提出一种开关磁阻电机调速控制系统，通过对控制系统的总体设计，得出结论：开关磁阻电机调速控制系统的启动电流明显小于有刷直流电机的启动电流，延长了电动汽车的电池使用时长，相同状态下比使用有刷直流电机的电动汽车多行驶约12km，大约节能11%，表现出较好的节能效果。
参考文献
[1]宋林.电动起汽车开关磁阻电机调速控制方法研究与实现[D].电子科技大学,2013.
[2]段宗哲.基于开关磁阻电机的电动汽车驱动系统研究[D].大连理工大学,2014.
[3]朱曰莹，赵桂范.电动汽车用开关磁阻电机驱动系统设计及优化[J].电工技术学报，2014,29(11):88-98.
[4]韩建定,张东升.开关磁阻电机调速控制器优化研究[J].微电机,2016,49(11):51-61.
作者:耿春杰 李昕涛 单位:太原科技大学