Abstract ：

电气化轮轨式铁路具有能够“多拉快跑”、环境友好和带动铁路沿线基础设施升级等显著优点，目前已成为世界各国大力发展的交通运输方式。 本文首先完整地介绍了电气化铁路电气结构，并在此基础上，引出和总结了目前电气化铁路牵引供电系统中三个较为严重的电能质量问题：电力机车作为单相负荷与三相电源之间电气结构的差异，导致的牵引变压器两相侧有功不平衡进而三相侧的负序问题；交直型电力机车因使用晶闸管半控桥式整流器导致的功率因数较低，以及电力机车运行冲击性造成的无功以及谐波问题；交直交型电力机车的再生制动馈能无法妥善处理造成电力罚款以及能量浪费问题。 在分析了目前电气化铁路电能质量治理所使用的固定补偿、动态补偿以及静止同步补偿等设备原理后，借鉴原铁路静态功率调节器（RPC）中双PWM整流器背靠背连接的拓扑，本文提出了在直流母线上增加第三端口双向DC/DC变换器以及储能电池的新型铁路有源综合补偿装置拓扑。其中，两个单相PWM整流器分别与两侧供电臂牵引负荷并联，搭建了可供能量双向流动的通道，双向DC/DC变换器则采用交错并联的结构，与储能电池构成了能量管理系统。该系统不仅能够吸收负载再生制动回馈的能量，还可以提供电力机车牵引工况时的一部分能量，具有削峰填谷的功能。针对提出的三端口拓扑，本文设计了两套控制策略。 控制策略1中双向DC/DC变换器用以稳定直流母线电压， 和 作为逆变器，其交流侧电流受控。控制策略2中两单相PWM整流器共用电压外环，协同控制直流母线电压稳定，双向DC/DC变换器控制储能电池的充放电电流。通过功率流分析，证明了其能够兼容原RPC的控制方式。为抑制周期性扰动，本文设计了基于重复控制的双PWM整流器共电压外环控制器。实验表明，该控制器具有显著的谐波抑制效果。 对两套控制策略均分别完成了包含牵引变压器建模在内的模拟6种工况的两组仿真。在实验台的搭建过程中，完成了有源综合补偿装置的关键元器件选型及硬件设计，设计了IPM供电启停继电接口电路板。通过仿真及实验，解决了有源综合补偿装置接入供电臂的隔离问题，验证了设计的控制器及低通滤波器的有效性，证明了提出的新型有源综合补偿装置拓扑在两套控制策略下均能同时完成有功平衡、无功补偿和谐波抑制以及能量优化管理的预期目标。

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单相PWM整流器 电气化铁路 双向DC/DC变换器 有源综合补偿 重复控制

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摘 要 汽油车排放的有毒气体会影响公众健康，并且导致气候变化。但由于汽车在日常生活和交通中的重要性，世界上大多数城市都在使用化石燃料汽车。21世纪地球的石油资源将不足，电动汽车有望成为未来的交通工具。然而，随着其数量的增加，其大量接入将影响电网的安全稳定运行。因此，当前面临的挑战是如何开发一种不损害环境的新型电动汽车。 该挑战有待解决，因为未来它将影响电网的功率平衡，特别是在电力负荷达到峰值的炎热季节。目前的计划是在未来使用自充电电动汽车。虽然自充电电动汽车的概念很早就被提出来了，但利用双电池轮换工作的方式具有较好的潜力，本文将对此进行研究。本论文的主要目的是验证使用双电池轮换工作的方法设计自充电车辆的可能性。在本研究中，我们将通过动态模拟来评估影响自充电车辆充放电性能的一些重要因素，利用Simulink仿真模拟电池的充放电行为。动态模型用于评估车辆随时间变化的性能，并可进一步用于根据电机扭矩和车速评估电池充电状态等其他关键参数。 本研究分为两个阶段：一是采用基于数学方程的方法建立包括子部件在内的电动汽车模型结构，并用实际电动汽车进行验证；二是通过增加双电池轮换工作系统对模型进行修正，从而达到研究目的。通过仿真研究，我们得出结论：采用双电池轮换工作的方法，可以使两节电池的充放电时间相结合，以满足车辆负载的要求，从而实现电动汽车自充电的优化设计。对两个电池行为的分析表明，在电动汽车建模中应增加考虑车辆变化和刹车等因素的场景，以避免对放电和自充电过程的过度预测。 关 键 词：双电池轮换工作系统；纯电动汽车；再生制动；自充电；Simulink仿真 论文类型：应用研究

Keyword ：

Simulink仿真 纯电动汽车 双电池轮换工作系统 再生制动 自充电

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电动汽车是实现汽车产业转型和交通能源转型的重要途径，而续航里程短是当前制约电动汽车发展和深度产业化的重要瓶颈，改善车辆经济性是当前汽车厂商和科研机构的研究重点。分布式驱动电动汽车由于各个车轮转矩独立可控，在四轮动力输出配置、操控性能方面具有极大的应用潜力，可以集成实现多种能耗优化控制系统，具有更大的能耗优化探索空间。本文以分布式驱动电动汽车为研究对象，提出了一种能耗优化控制方案，并进行了实验验证。 建立分布式驱动电动汽车整车模型并分析车辆能耗。在MATLAB/Simulink中建立轮毂电机驱动模型和驾驶员模型，并使用商用软件Carsim搭建整车其他子系统模型；联合Simulink和Carsim建立分布式驱动电动汽车整车模型，提供能耗优化控制策略的研究对象。分析车辆运行能耗，发现基于电机效率特性，优化转矩分配方法是提高电机工作效率、降低车辆运行能耗的有效方式，因此，确定以电机综合驱动效率最高为驱动控制系统优化目标。 进行车辆状态估计和工况辨识。基于无迹卡尔曼滤波原理（UKF），建立车辆纵侧向速度和质心侧偏角状态观测器，解决现实工况下分布式驱动电动汽车无从动轮参考的速度估计问题，同时进行工况辨识，为分布式驱动电动汽车的能耗优化控制提供状态参数并明确适用工况。 研究能耗优化控制策略。针对驱动和制动两种工况，研究驱动节能控制和再生制动能量回馈控制的效果，提出能耗优化控制策略。驱动节能以电机综合效率最高为优化目标，以路面附着能力和电机输出限制为约束，通过序列二次规划求解最优的转矩分配方法。再生制动以“稳定性优先”原则分配前后轴制动力，以最大能量回馈分配机械、电机制动比重，输出各轮转矩。 搭建实验平台并进行循环工况控制策略验证。搭建分布式驱动电动汽车实验平台，编写硬件在环实验平台的通信协议，基于自动代码生成技术RTW和AD5435仿真机，联合上位机CANoe&MATLAB@interface的Carsim整车模型搭建硬件在环实验平台。NEDC城市循环工况运行结果表明，能耗优化控制策略降低车辆驱动能耗4.52%，提升制动能量回收率4.41%，综合运行效率提升4.67%。

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分布式驱动电动汽车 工况辨识 能耗优化控制策略 驱动节能控制 再生制动节能控制

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目前，电动汽车作为终端零排放汽车日益受到关注，永磁同步电机具有功率密度高、运行平稳、噪声低等特点，广泛应用于电动汽车驱动系统中。提高永磁同步电机驱动系统的扩速能力，充分利用制动回收能量，能大大提高电动汽车性能。本文通过在恒转矩区域采用最大转矩电流比控制、恒功率区域采用超前角弱磁控制等策略，提高永磁同步电机的性能与扩速能力；采取控制交轴电流的策略来控制制动力与回馈能量的大小，再生回馈使得电动汽车的续航能力得到提高。 本文在推导永磁同步电机数学模型基础上，分析了恒转矩区域常用控制策略，从功率因数、电磁转矩等方面确定了各控制策略的适用范围；采用无扇区空间矢量脉宽调制算法替换了传统调制方法，大大简化了程序运算量；在确定弱磁约束条件并细分了运行区域的情况下，详细分析了超前角弱磁算法与单电流调节器弱磁算法；阐述了制动过程的升压原理和主要阶段，采用交轴电流的控制策略对制动过程进行高效控制。 在Matlab/Simulink下的仿真结果表明，无扇区调制算法在大幅度精简了模型结构的情况下实现了相同调制效果；采用超前角弱磁算法模型结构较为简单且各运行区域过渡平滑，控制效果良好；单电流调节器弱磁算法虽无需考虑弱磁下交、直轴电流的耦合但控制的稳定性方面有较大不足；考虑蓄电池特性的永磁同步电机制动过程与理论分析基本一致，交轴电流控制策略简单高效，附加的电压闭环在转速较低时能一定程度上防止母线电压过高。 本文设计了以TMS320F28069为控制核心的实验平台，编写了无扇区调制算法、矢量控制算法以及弱磁算法的相关程序；以表贴式永磁同步电机为控制对象，进行了电机在空载和带载情况下的转速阶跃响应实验，据此调整控制程序参数；进行了超前角弱磁控制算法下的扩速实验以及交轴电流控制策略下的制动过程实验。实验结果表明，超前角弱磁控制策略与交轴电流控制策略具有良好的控制性能。

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电动汽车 弱磁控制策略 无扇区调制 永磁同步电机 再生制动

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摘 要 电力机车是电力系统中的主要谐波源之一,我国现有电气化铁路线路上运行的既有以SS4型为代表的交－直型常规电力机车,又有CRH2为代表的交－直－交型新型动车组,本文选取典型的SS4型和CRH2型电力机车来分别研究采用不同传动方式的电力机车注入到牵引网的谐波特性。 SS4型电力机车采用25kV单相工频交流电压供电,经全波整流后驱动直流牵引电机,根据整流电路的工作原理构建它的数学模型可以从理论上定性分析其网侧谐波的特点。利用Matlab/Simulink仿真软件搭建SS4型电力机车牵引整流器的仿真模型,可以对网侧的特征谐波进行定量的分析,从而得出该型机车注入牵引网的谐波特性结论。 CRH2型电力机车牵引变流器采用交－直－交变频调速器来驱动三相交流异步电机,根据谐波理论,CRH2型电力机车的网侧谐波主要由车载四象限PWM整流器的控制和调制方式所决定,由于车载整流器采用电压电流双闭环控制策略和反向载波层叠调制策略,因此可以从理论上分析它的网侧电流谐波的分布特征。依据CRH2电力机车的牵引整流电路构建其数学模型,利用Matlab/Simulink仿真软件搭建CRH2牵引整流器的仿真模型,考虑到新型动车组在牵引工况和再生制动工况将会呈现不同的谐波特点,分别建立动车组在牵引工况和再生制动工况时网侧电流谐波分析的仿真模型。 为了更加准确的模拟机车的运行实际,论文还搭建了车载三电平逆变器的仿真模型,将整流器模型和逆变器模型连接得到了CRH2变频调速系统变流器的仿真模型。在机车整体的牵引变流器仿真模型的基础上，分析了机车运行在不同的工况、功率、速度时的网侧电流谐波特点。通过两组仿真实验的对比最终得出了机车运行在不同工况、不同的转速和功率时列车注入到牵引网的电流谐波特点和规律。

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谐波特性

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由于传统的燃料发动机汽车带来了太多的环境、能源和气候等问题，全世界各国全球上各大汽车公司就把目光投向了电动汽车。电机控制器是电动汽车的核心部件，由于技术的发展使得异步电动机的控制也得到了更好的改进，并在的电动汽车上得到了很好的应用。异步电动机具有效率高、结构简单、价格低、免维护、寿命长和能有效地实现再生制动等优点。而电动汽车运行工况复杂，对续驶里程、加速时间、车速等都有一定要求，传统的异步电机控制策略已不能满足要求。针对这个问题，本文在设计了异步电机矢量控制系统的基础上对软硬件进行了优化。本文主要研究内容包括： 首先，分析各矢量控制方法的优缺点，确定基于间接转子磁场定向的矢量控制方法，并采用空间矢量脉宽调制方法（SVPWM）。 其次，基于电动汽车用异步电机矢量控制系统，对传统的弱磁策略进行了深入的分析。为了拓宽在标准矢量控制下电动汽车用异步电机驱动系统的调速范围和在弱磁区的输出转矩能力，通过对比采用了基于电压轨迹的弱磁控制技术。 最后，根据控制系统所要实现的功能选择合适的主控芯片及相关元器件，完成主控制板和IGBT驱动板的硬件电路设计。主控芯片选用浮点DSP控制器芯片TMS320F28335，其丰富的接口功能简化了外围电路的设计难度，具有较高的测量精度，同时降低了系统的开发成本；IGBT驱动芯片采用光耦ACPL-32JT，简化了多通道IGBT驱动电路板设计，减少了硬件系统整体占用空间并极小化IGBT通道间的电磁干扰。 针对上述优化，首先通过Matlab/Simulink软件仿真验证了上述方法的可行性，然后在实验室搭建异步电机测试台架，对实验用电动汽车改装，软件编写与硬件设计，台架上的实验测试验证了以上方法的正确性。

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电动汽车 矢量控制 异步电机

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电动汽车因绿色环保、能源利用率高和电能为可再生能源等优点成为汽车产业发展的方向。驱动控制系统是电动汽车的核心，要求具有调速范围宽、输出扭矩大、可靠性高等性能特点。本文以电动汽车用感应电机矢量控制系统为基础，从参数辨识、弱磁调速控制、再生制动能量回馈和系统网络通信四个方面对驱动控制系统进行优化，并分析了系统可靠度，最后进行了实验研究。 　　　研究分析了感应电机矢量控制理论，设计了适用于电动汽车的感应电机驱动控制策略，并在MATLAB/SIMULINK上搭建了基于转子磁场定向的感应电机矢量控制系统仿真模型，系统响应快速，性能稳定，适合用于电动汽车。 　　　研究优化了感应电机参数辨识算法，提高了转子电阻和转子时间常数的辨识精度，增强了转子磁场定向的精确性。研究优化了弱磁调速控制策略，提出了最大转矩电流比弱磁控制算法，增加了电机的调速范围，高速时仍能最大限度输出扭矩。 　　　研究优化了再生制动控制策略，提出回馈能量可控型再生制动控制算法，能够根据路面附着系数和期望制动强度合理分配制动力，最后在ADVISOR环境下进行仿真研究，该策略可以满足车辆稳定制动的要求，且可以回馈更多的能量。分析了CAN通信技术规范，并设计了控制系统的CAN通信协议。 　　　分析研究了可靠性基本理论和驱动控制系统薄弱环节的故障失效模式，建立了系统可靠性模型，采用应力分析法和元件计数法对本系统的可靠性进行分析，系统持续工作时的可靠度能够满足电动汽车的要求 　　　设计了72V-7.5KW三相感应电机驱动控制系统硬件结构和软件控制程序，并进行了实验研究，对优化前后的电机性能曲线进行分析对比。优化后的控制系统磁场定向更精确、调速范围更宽、输出扭矩更大、制动性能更好、系统更稳定，且可以实现能量回馈。

Keyword ：

CAN 参数辨识 电动汽车 可靠性 弱磁调速 再生制动

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随着汽车、航空航天、电子等行业的迅速发展，传统的机械压力机已经不能满足新工艺的使用需求，而且当今全球能源短缺严重，能源节约型压力机会更加符合社会发展的主题。本文在对新型肘杆式开式压力机设计的基础上，提出了新型的压力机节能传动系统方案。 根据金属材料的成形机理，选择了肘杆式工作机构，基于封闭矢量法建立该工作机构的数学模型，并使用Matlab软件对其进行结构参数的优化设计，又对优化后的结构完成了运动学及动力学的理论分析及运动特性仿真分析；对工作机构的曲轴进行静力学及模态有限元分析。 本文设计的压力机采用了电机通过行星减速部件驱动曲轴的传动方式。驱动侧由开关磁通永磁同步电机通过行星轮系与曲轴相连，其结构特点在于太阳轮与电机转子同轴，轴的一端支撑在电机外壳上，另一端支撑在曲轴内孔中；制动侧由交流永磁同步电机通过行星轮系与曲轴相连。以行星轮系齿轮模数、齿数及齿轮宽度为变量，并以体积最小为目标，使用Matlab软件对行星减速部件进行结构优化。使用ANSYS Workbench对齿轮进行静力学有限元分析。 基于ProE软件对机身进行三维实体建模，并通过ANSYS Workbench对机身进行静力学及模态有限元分析，对获得的有限元结果进行分析，并根据分析结果优化机身结构。 对比分析不同类型电机的工作性能及适用范围，鉴于开关磁通永磁同步电机良好的工作性能，本文将其确定为压力机的主驱动电机，经计算得到电机结构的主要尺寸参数，并使用Ansoft软件对电机进行电磁场仿真分析及优化，最终确定了电机的结构并建立其三维模型。 提出通过交流永磁同步电机发电的方式替代传统的机械式制动器进行制动，并选择回馈型的再生制动方式将动能转化而来的电能存储于压力机的电容器组中，在压力机工作时该电机亦向曲轴提供能量和运动；通过对制动力矩进行计算，获得电机的功率，并选择相对合适的交流永磁同步电机。

Keyword ：

机械压力机运动学动力学开关磁通永磁同步电机节能

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异步电机由于性能优良，已广泛应用在电动汽车驱动系统。驱动系统是电动汽车的核心，其控制性能直接决定电动汽车的各项性能指标。电动汽车运行工况复杂，对续驶里程、加速时间、最高车速等都有一定要求，传统的异步电机控制策略已不能满足要求。针对这个问题，本文在设计了异步电机矢量控制系统的基础上，从弱磁、再生制动、效率和过载四个方面对其进行了优化。本文主要研究内容包括：1．通过分析各矢量控制方法的优缺点，确定了基于间接转子磁场定向的矢量控制方法，并采用空间矢量脉宽调制方法（SVPWM）。在MATLAB/Simulink环境下，建立了三闭环异步电机矢量控制仿真模型。2．从四个方面对电动汽车用异步电机矢量控制系统进行了优化：（1）对传统的弱磁策略进行了深入的理论分析，考虑到电池电压在大范围内变化，提出了一种基于电压闭环的改进弱磁方法；（2）深入分析了异步电机再生制动的机理，考虑到电池充电电流不宜过大，采用一种通过控制转矩电流来控制回馈母线电流的再生制动控制策略，使回馈母线电流不超过极限值；（3）通过分析电动汽车不同运行工况下的电机转矩要求，采用一种基于电机转速的过载控制策略；（4）考虑到在市内电动汽车低速低转矩运行，采用了MTPA的电流控制策略。3．搭建异步电机测试台架，参与实验用电动汽车改装，并进行控制板的硬件电路设计、软件设计与调试。4．在电机测试台架和改装电动汽车上进行实验，通过与传统控制策略和某公司产品进行对比，实验证明，本文提出的系统优化方法改善了电机弱磁性能，提高了电机效率，提高了汽车的加速性能、爬坡能力和续驶里程。

Keyword ：

电动汽车异步电机矢量控制系统优化

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针对TI公司生产的TMS320LF2407型DSP,应用脉宽调制PWM控制技术,设计了电动汽车再生制动模糊PI控制器.首先对电动汽车控制系统主电路进行了设计,并以TMS320LF2407A型DSP为核心,进行了DSP的外围电路和功率管驱动电路设计,在硬件电路的基础上,进行DSP内部的软件编程,使各模块的功能得以实现,完成从信号采集到向功率器件输出PWM信号的全部任务.最后,在设计的再生制动控制器上进行了模糊PI算法控制效果检测,结果表明模糊PI控制在抗干扰能力方面优于PI控制,证明了所设计控制器的正确性和合理性.由于软硬件采片了模块化设计,通用性好、灵活性强,可作为开发平台,应用于多种电机控制器的研制.

Keyword ：

DSP控制器 电动汽车 模糊PI控制 再生制动

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