轻型电动车上一种TFSRM 控制系统的设计

张学毅，谷聚辉，马晓光

(湖南工业大学，株洲412000)

0 引 言

随着电力电子技术和控制技术的迅速发展，横向磁场开关磁阻电动机(以下简称TFSRM)已成功应用于电动汽车驱动等领域，作为纯电动汽车关键部件——驱动电机及其控制系统，已成为相关企业研制的重点。TFSRM 及其调速控制装置是一种典型的机电一体化系统，合理设计TFSRM 及其控制系统，可使整个TFSRM 驱动系统具有体积小和性价比高等优点。本文设计了一种能应用在轻型电动车上的TFSRM 控制系统，并对其进行了系统仿真和样机实验。

1 TFSRM 控制系统基本组成

TFSRM 控制系统主要由TFSRM、位置检测器、功率变换器、控制器等部分组成，如图1 所示。

该系统由以下三个闭环组成:(1)电流闭环:电流检测器、PWM 调压器、驱动电路、功率变换器;(2)位置闭环:位置检测器、逻辑控制器、驱动电路、功率变换器及TFSRM;(3)速度闭环:除了由位置闭环组成外，还包括速度检测器、控制器、PWM 调压器。

图1 TFSRM 控制系统框图

三个闭环的作用分别是确保TFSRM 不失步运行，确保TFSRM 系统优良的调速性能和实现TFSRM 电流控制及过流保护。

2 TFSRM 控制系统设计

如果忽略TFSRM 定子线圈电感对TFSRM 输出转矩的影响，则TFSRM 输出转矩的大小与其定子线圈电流的大小成正比，只要合理确定TFSRM 定子线圈反电动势的相位、幅值和线圈电流就可以控制TFSRM 的转矩。应用在轻型电动车上的TFSRM 控制系统采用电流和转速双闭环控制，其转速外环由PID 调节器组成。

2.1 转速控制及调压调速电路的设计

设计一个PI 调节器，能使TFSRM 转速n 与其所需求的转速接近，本文采用如图2 所示的电路来实现PWM 调压调速及速度闭环控制。

图2 调压调速及速度闭环控制电路

2.2 TFSRM 样机正、反转控制

图3 相绕组导通规律

3 TFSRM 样机控制系统实验

3.1 实验装置

实验装置如图4 所示，主要由TFSRM 样机、转矩转速传感器、转矩转速显示仪表、位置检测器、控制器、功率变换器、电源和负载－直流发电机组成，转矩转速测量装置、TFSRM 样机和直流发电机同轴联接。

图4 TFSRM 样机控制系统实验装置

其中，TFSRM 样机额定电流、额定功率、额定转速分别为10 A、200 W、400 r/min，转矩转速仪额定转矩为20 N·m，齿数120，精度0.1 级，转速范围为0 ～6 000 r/min。直流发电机额定功率为2 kW，额定转速3 000 r/min，励磁电流为0.58 A，励磁电压为220 V。

3.2 TFSRM 样机控制系统仿真

基于MATLAB/Simulink 建立TFSRM 及其控制系统模型，分别对有永磁屏蔽的TFSRM 样机与无永磁屏蔽的TFSRM 样机进行仿真分析，得到转矩仿真波形如图5(a)和图5(b)所示。

图5 TFSRM 样机转矩波形

由图5(a)可以看出，当TFSRM 绕组电流为10 A 时，有永磁屏蔽的TFSRM平均输出转矩约为12N·m，由仿真可知:具有永磁屏蔽的TFSRM 样机要比无永磁屏蔽的TFSRM 样机的输出转矩提高约50%，在本设计中，电机采用有永磁屏蔽的TFSRM。

4 TFSRM 样机控制系统机械特性

图6 有永磁屏蔽的TFSRM 结构

表1 为当电流分别为8 A、10 A 时无永磁屏蔽和有永磁屏蔽TFSRM 样机机械特性实验结果，图7为两台样机的机械特性曲线。

表1 TFSRM 样机机械特性实验数据

图7 TFSRM 样机机械特性曲线

从实验结果可以看出，有永磁屏蔽的TFSRM 样机串励特性更明显，在同样条件下，输出转矩更高，机械特性更好。

5 结 语

在理论分析的基础上，对一种能应用在轻型电动车上的TFSRM 控制系统进行了设计。基于MATLAB/Simulink 建立了电动车TFSRM 驱动系统的仿真模型并进行了仿真和样机实验，得出电动汽车TFSRM 特性数据和曲线，结果表明:具有永磁屏蔽的TFSRM 能大幅度提高电机转矩。对转速控制及电机的正、反转控制电路进行了设计。利用这些结果还可以对TFSRM 结构设计优化、控制策略选择以及转矩脉动和噪声抑制进行深入研究。本文在获得上述结论的同时，仍然存在不足，若要获得更平滑的输出转矩，还需要对轻型电动车上TFSRM 及其控制系统做进一步研究与完善。

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