二、预期目标 以发动机为应用背景，通过对图2所示系统结构的仿真模型的建立，主要从理论上来研究智能化有源飞轮的控制方法，预期主要达到以下目标： （1） 提出发动机曲轴转速波动的实时观测方法； （2） 提出对发动机曲轴转速波动平滑的有效控制方案； （3） 在实验室现有的条件下，对以上方法进行实验验证； （4） 预计在国内外重要学术期刊上发表1～2篇学术论文。 三、国内外研究现状 经过认真查阅文献资料，有关有源飞轮方面的资料较少，类似的文献资料较多，但国内还没有见到有关这方面的文献资料和报道。比较类似的研究是在内燃机混合动力汽车方面，如图3所示，将原来发动机曲轴输出端的飞轮用盘式电机来替换，盘式电机装置包括电机及其驱动器两部分，如图4所示。 图3 替换飞轮的盘式电机装置 图4 盘式电机及其驱动器 这方面的研究主要集中在盘式电机对发动机启动性能和发动机正常工作状态下的发电性能的研究[1]～[6]，例如如何增加电机的启动转矩，如何增加电机恒功率运行的转速范围，如何提高电机的发电效率等等，而且在这方面已经取得了显著的成就，电机的瞬时启动转矩可以很大，电机恒功率运行的速比可以达到6，电机的发电效率大于80％。 用盘式电机替换原来的飞轮后，盘式电机也应该具有传统飞轮平滑曲轴转速波动的功能，而且这种功能是可以通过对电机的实时控制来完成的。目前有关这方面的文 7
献资料较少，研究的人也不多，这方面的研究主要是通过安装在发动机曲轴输出端的电机对发动机实施主动控制减振参考文献： [1] Cheng Tsung Liu, T.-S. Chiang, J.F.Diaz Zamora, S.-C. Lin. Field Oriented control evaluations of a single sided permanent magnet axial flux motor for an electric vehicle. IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS. 2003,39(5):3280～3282 [2] P.R.Upadhyay, K.R.Rajagopal, B.P.Singh. Computer aided design of an axial field permanent magnet brushless dc motor for an electric vehicle. Journal of Applied Physics. 2003,93(10):8689～8691 [3] Ronghai Qu, Thomas A. Lipo. Dual rotor, radial flux, toroidally wound, permanent magnet machines. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS. 2003,39(6):1665～1673 [4] F.Caricchi, F.Crescimbini, F.Giulii Capponi, L.Solero. Permanent-magnet, direct-drive, starter/alternator machine with weakened flux linkage for constant-power operation over extremely wide speed range. Conference Record - IAS Annual Meeting (IEEE Industry Applications Society)，2001(3)：1626～1633 [5] J.S.Lawler, J.M.Bailey, J.W.McKeever, Joao Pinto. Limitations of the conventional phase advanced method for constant power operation of the brushless DC Motor. Proceedings IEEE SoutheastCon 2002: 174～180 [6] J.S. Lawler, J.M.Bailey, John W. McKeever. Theoretical verification of the brushless DC motor driven by dual mode inverter control. Power Electronics in Transportation, 2002: 75～82 [7] A.T.Zaremba, R.I.Davis. Control design for active engine damping using a starter alternator. Proceeding of the American Control Conference. 2000: 2043～2047 [8] Roy I. Davis, Robert D. Lorenz. Engine torque ripple cancellation with an integrated starter alternator in a hybrid electric vehicle: implementation and control., IEEE Transactions on Industry Applications.2003, 39(6):1765～1774 [7][8],研究的重点和难点主要集中在两个方面，即对发动机曲轴转速波动的实时观测和控制，目前在这方面还没有十分有效的方法。 8
项目的科学意义、学术价值、应用前景、解决什么前人尚未解决的问题并务必说明本人的创新之处及主要特色： 一、科学意义、学术价值 飞轮这一常用而且古老的装置，一直以来在许多机器中扮演着不可取代的角色，但随着科学技术的发展，尤其是在电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，它将被功能更加全面，性能更加优良的有源飞轮所取代，以克服其笨重、功能单一的缺点，因此在产品的升级换代中具有重要的作用。 在有源飞轮的结构中，当然要采用许多先进的技术，尤其是现代电力电子主回路技术、高性能的数字控制技术和效率高、功率密度大的电机。而有源飞轮的惯性阻尼效果完全靠对电机的控制来实现，从理论上来讲，它不同于传统飞轮的一阶惯性特性，完全可以实现对传动系统特定频率段的阻尼效果，如低通、带通、高通阻尼器的实现等。 如何实现对传动系统中各种转速波动的实时观测，在控制理论方面具有重要的科学意义和学术价值。对被控量实时观测方法的研究，历来都是控制理论中重要的研究内容之一，而传动系统中的各种振动信号，其隐蔽性更大，实现实时观测的难度很大。在实现振动信号实时观测的基础上，如何采取有效的控制策略，来消除振动，也具有一定的难度，因为这些被控量的频率有可能较高，不可能采用简单的PI控制来实现，在研究有源飞轮的频率响应特性的普遍设计理论方面，具有较高的科学意义和学术价值。 二、应用前景 有源飞轮是采用现代控制理论与技术对传统的飞轮装置进行彻底的改造，其不但具有传统飞轮的特性，而且和传统飞轮相比，其功能更全面，性能更优越，尤其在车辆的环保与节能方面，具有广阔的应用前景，在汽车发动机曲轴的输出端采用有源飞轮替换传统的飞轮，可以将原来的起动机、发电机和飞轮三个部件一体化，使其结构紧凑，而且还可以实现车辆的混合动力驱动、制动能量回馈等功能，提高车辆的节能和环保性能。 三、创新及主要特色 本项目的创新和主要特色为通过对盘式电机的控制来实现对传动系统振动的阻尼效果，具体有以下三点： 1． 提出传动系统振动的实时观测方法； 2． 研究提出有源飞轮频率响应特性的普遍设计方法； 3． 研究有源飞轮在发动机主动控制减振方面的应用。 9 拟采用的研究方法、实验方案、技术路线： 首先采用Matlab/Simulink仿真软件建立发动机、有源飞轮的数学模型，通过仿真计算研究以下内容： （1） 发动机曲轴转速波动的实时观测方法； （2） 有源飞轮频率响应特性的设计方法； （3） 研究其在发动机主动控制减振方面的应用。 在实验室现有条件的基础上，自行设计和加工1kW的有源飞轮盘式电机及其驱动器，并采用DSP数字控制实现有源飞轮的控制算法，在实验室现有的发动机试验台架上验证有源飞轮对发动机主动控制减振的有效性。 最后对以上的控制方法、仿真和实验数据进行总结，并进行理论和实验分析，完成论文1～2篇。 研究工作的总体计划及目前进展情况： 2004年10月—2004年11月： 采用Matlab/Simulink建立发动机和有源飞轮的数学模型 2004年11月—2004年12月：发动机曲轴转速波动的实时观测方法和有源飞轮控制方法的仿真研究 2004年12月—2005年1月： 有源飞轮盘式电机及其驱动器的加工 2005年1月—2005年2月：控制程序的调试和发动机台架实验 2005年2月—2005年3月：试验结果的整理，预计完成1～2篇学术论文投寄给重要学术期刊 目前对国内外研究现状的调研、分析和研究方案等工作已基本完成。 10
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