混合动力电动汽车用永磁同步电动机驱动系统的研究

【摘要】： 本文围绕混合动力电动汽车用永磁同步电动机驱动系统的开发展开工作,开发出了额定转矩291.5N·m、额定功率55kW、峰值功率90 kW的车用永磁同步电动机驱动系统。在逆变器容量一定的前提下,从提高系统效率、降低电流畸变率、扩大弱磁扩速范围、加快动态响应速度以及增强系统鲁棒性的角度,对所采用的矢量控制策略进行了改进。建立的驱动系统无论在恒转矩区,还是在恒功率区运行均达到了预期的性能指标。 在分析永磁同步电动机的恒转矩运行时电流控制策略及弱磁控制策略的基础上,提出了一种基于零电压矢量作用时间T_0的弱磁方法,即通过输入为零电压矢量作用时间T_0与某一定值T_0~*差值的PI控制器得到直轴电流分量i_d。与普通弱磁方法相比,该方法有效地避免了电机参数变化对控制精度的影响,在加快动态响应速度的同时,降低定子电流的幅值。因此,在逆变器容量一定的情况下,可达到拓宽扩速范围的目的。 由于功率管的开关时滞及为防止同一桥臂两只功率管直通而设置的死区时间,会使逆变器的实际输出电压产生非线性畸变,进而产生电流波形畸变和转矩波动等。本文在对死区效应产生的误差电压矢量进行详细理论分析的基础上,推导出该误差电压矢量的具体表达式并对其进行动态补偿;在此基础上,对由于电机运行状态及参数变化引起的补偿电压误差进行了二次补偿。这样既可以有效解决现有假设误差电压矢量为定值补偿效果不佳的问题,又能避免运行状态及参数变化对补偿精度的影响。 对永磁同步电动机损耗模型进行了深入分析,根据损耗模型求出电机在不同转速和转矩时使电机效率最大的定子电流直轴分量i_d的近似最优值;以该值为初始值,通过梯度算法和黄金分割相结合的方法进行寻优。与目前永磁同步电动机常采用混合寻优中所采用的智能算法相比,本文所提出的效率混合优化算法简单且利于工程实施,寻优速度快,符合电动汽车驱动系统效率优化快速性的要求。与此同时,利用交轴电流i_q的前馈补偿来减小转矩波动。另外,在电机进入动态过程时,采用基于动态快速响应的定子电流分配方法,以缩短动态响应的时间。 建立了基于模糊神经网络的速度控制器。利用扰动电压观测器的输出,通过模糊控制器得到对神经网络权值和阈值进行在线调整的误差量,从而避免了其它文献给出的同类速度控制器为得到该误差量而陷入的繁琐计算。相对于定参数的PI控制器,该方法有效地提高了系统的动态响应性能及鲁棒性。 与控制策略相结合,深入分析了交、直轴电感及永磁磁链等参数对电机性能,尤其是对弱磁扩速特性的影响。并结合混合动力电动汽车用永磁牵引电机的运行特点和性能要求,给出了它们的设计原则。 最后,对所提出的控制策略作了仿真验证,并在样机上进行了相关的实验,实验结果基本满足要求。 【关键词】：混合动力电动汽车 永磁同步电动机 弱磁控制 死区效应 神经网络
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TM341
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-24
• 1.1 课题背景及选题意义13-14
• 1.2 电动汽车国内外研究现状14-16
• 1.2.1 国外电动汽车研究现状14
• 1.2.2 国内电动汽车研究现状14-16
• 1.3 车用永磁同步电动机的国内外研究现状16-18
• 1.3.1 国外电动汽车牵引电机的现状和水平16
• 1.3.2 国内电动汽车牵引电机的现状和水平16-18
• 1.4 车用电机驱动系统控制策略研究现状18-22
• 1.4.1 弱磁扩速的研究现状18-19
• 1.4.2 死区效应补偿的研究现状19-20
• 1.4.3 效率优化的研究现状20
• 1.4.4 控制器的研究现状20-22
• 1.5 课题研究的目的22
• 1.6 课题的主要研究内容22-24
• 第二章 永磁同步电动机恒转矩电流控制策略及弱磁扩速的研究24-41
• 2.1 永磁同步电动机恒转矩运行时的电流控制策略24-29
• 2.1.1 电流极限圆和电压极限圆24-26
• 2.1.2 基速和转折速度26
• 2.1.3 i_d=0控制26-27
• 2.1.4 最大转矩/电流控制27-28
• 2.1.5 两种恒转矩电流控制策略的比较28-29
• 2.2 永磁同步电动机的弱磁控制29-33
• 2.2.1 永磁同步电动机弱磁扩速难的原因29
• 2.2.2 普通弱磁控制29-30
• 2.2.3 最大输出功率弱磁控制30-31
• 2.2.4 电动机参数及负载大小与i_d的关系31-33
• 2.3 基于零电压空间矢量作用时间的弱磁扩速方法33-36
• 2.3.1 零电压矢量作用时间33-34
• 2.3.2 定子电流控制算法的实现34-36
• 2.4 仿真和实验结果36-39
• 2.4.1 仿真结果36-37
• 2.4.2 实验结果37-39
• 2.5 本章小结39-41
• 第三章 混合动力电动汽车用永磁同步电动机控制系统的死区效应动态补偿41-54
• 3.1 死区效应动态补偿方案41-48
• 3.1.1 死区效应所引起的误差电压41-45
• 3.1.2 死区效应动态补偿算法45-48
• 3.2 谐波抑制48-49
• 3.3 仿真和实验结果49-53
• 3.3.1 仿真结果49-50
• 3.3.2 实验结果50-53
• 3.4 本章小结53-54
• 第四章 混合动力电动汽车用永磁同步电动机控制系统的效率优化54-65
• 4.1 基于梯度算法和黄金分割相结合的效率优化方法54-59
• 4.1.1 初始值的确定54-57
• 4.1.2 基于梯度算法和黄金分割方法的效率优化57-58
• 4.1.3 交轴电流分量的前馈补偿58-59
• 4.2 基于电流动态分配的快速响应控制59-60
• 4.3 仿真和实验结果60-64
• 4.3.1 仿真结果60-62
• 4.3.2 实验结果62-64
• 4.4 本章小结64-65
• 第五章 基于模糊神经网络速度控制器的永磁同步电动机控制系统65-75
• 5.1 基于模糊神经网络速度控制器的设计65-72
• 5.1.1 永磁同步电动机矢量控制的数学描述65-66
• 5.1.2 模糊神经网络的结构66-68
• 5.1.3 扰动电压的观测68-70
• 5.1.4 模糊控制器的结构70-71
• 5.1.5 权值和阈值的在线调整71-72
• 5.2 仿真结果72-74
• 5.3 本章小结74-75
• 第六章 电机参数对永磁同步电动机运行性能的影响及样机设计75-93
• 6.1 电机参数对电机运行性能的影响75-82
• 6.1.1 电机参数对转折转速的影响75-78
• 6.1.2 电机参数对输出转矩的影响78-80
• 6.1.3 永磁牵引电机参数对最高转速的影响80-82
• 6.1.4 其他因素对电机弱磁扩速能力的影响82
• 6.2 样机设计82-89
• 6.2.1 转子结构的选择82-83
• 6.2.2 极数和槽数的选择83-84
• 6.2.3 永磁体磁化方向长度的确定84-85
• 6.2.4 空载漏磁因数的求取85-86
• 6.2.5 转子结构的选优86-89
• 6.2.6 齿槽转矩的抑制89
• 6.3 样机及实验89-92
• 6.3.1 样机所用材料的选取90-91
• 6.3.2 样机性能实验91-92
• 6.4 本章小结92-93
• 第七章 混合动力电动汽车用永磁同步电动机驱动系统的实现93-109
• 7.1 硬件结构93
• 7.2 软件设计93-97
• 7.2.1 初始化子程序95
• 7.2.2 中断服务子程序95-96
• 7.2.3 软件参数定标96-97
• 7.3 速度和电流的检测及其变换97-102
• 7.3.1 位置传感器的选择97-98
• 7.3.2 电机初始定位98-99
• 7.3.3 电机转速、位置检测及数据定标99-100
• 7.3.4 电流检测及数据定标100
• 7.3.5 电流PI控制器100-102
• 7.4 SVPWM算法研究与实现102-107
• 7.5 本章小结107-109
• 第八章 结论109-110
• 参考文献110-115
• 在学研究成果115-116
• 致谢116

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