应用于两轮电动车辆的永磁无刷直流电机的研究

【摘要】：为解决城市交通带来的污染，大力发展和推广电动车辆以逐步取代传统的内燃机车已成为发展现代城市交通的共识，其广阔前景为电机工业带来了新的应用增长点。这一类系统中运动控制的研究目前在国内外正处于逐步深入的过程。电动车辆对驱动系统的运行效率、转矩输出能力以及转速运行范围等方面均有着很高要求。永磁无刷直流电动机由于高效、高功率密度及良好的转矩控制特性，在电动车辆驱动应用中具有独特的优势。因而结合电动车辆的特性进一步研究永磁无刷直流电机及其控制系统，提高其运行性能，具有很大的实际应用价值。 对驱动性能要求的提高以及控制方法的不断进步促使电机设计及其控制日益紧密地结合起来。永磁无刷直流电机机电一体化的特点更要求从系统的角度将电机本体设计和驱动控制方法综合考虑。因此，本文结合永磁无刷直流电机在电动自行车、电力助动车以及电动摩托车等小型电动车辆中的应用，着重进行了电机的设计模型和驱动控制两方面的研究。 从设计的角度出发，本文研究了永磁无刷直流电机场路耦合的时步法有限元模型。这一模型将电机电磁场的有限元计算方法从传统的静态场和正弦稳态场扩展到了非正弦的时域。静态场和正弦稳态场模型需要以电流作为已知量，而场路耦合的时步法有限元模型则以电压作为输入量，转子可以转动，与火多数电机的实际运行状态更加吻合，为电机的动态运行性能的 2000年上海大学博士学位论文 计算分析提供了有力工具。逆变器供电状态下，绕组为星形无 中点联接的永磁无刷直流电机常常给场路祸合模型的求解带来 极大的困难。本文对此提出了良好的解决方法，使得适用于绕 组为星形有中点联接的计算方法可以很方便地扩展应用于星形 无中点联接的情况。 对永磁无刷直流电机控制特性的研究分为电动运行和制动 运行两个部分进行。在电动运行方面，首先从转矩控制的角度 出发，对永磁无刷直流电机电磁转矩波动抑制方法进行了研 究，首次指出了永磁无刷直流电机转矩波动的可抑制范围。然 后结合电动车辆应用的特点，研究了功率逆变部分的拓扑结 构，提出了滤波电容与逆变器祸合和解祸的概念，并以此为基 础，给出了采用单个电流传感器实现转矩闭环控制的方法。其 次，根据对电动摩托车和电动自行车的动力特性分析的结果， 研究并实现了永磁无刷直流电机的恒功率运行控制方法，指出 了分析恒功率运行状态时采用系统仿真分析的重要意义。在制 动控制方法的研究中，分析了电动车辆制动控制的特点，并提 出可以实现低速运行状态下能量反馈制动的独特的控制方法。 基于以上的研究基础，本文最终研制并实现了智能型电力 助动自行车系统。这一助动车辆的特点是可以自动跟踪人力驱 动力矩并自动实现实时助力。在这一系统中，本文的独特贡献 在于采用电涡流感应原理研制了人力力矩传感器，解决了本系 统实现智能化助动的关键问题。