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混合动力汽车感应电机转矩控制系统研究

刘艳  
【摘要】: 混合动力汽车是混合使用内燃机和电动机两套系统驱动的汽车,具有减少废气排放、降低油耗等优点,是未来汽车工业发展的新方向。电机驱动系统是混合动力汽车中的主要部件,快速、准确的电磁转矩控制在混合动力汽车驱动中起着至关重要的作用,因此对车用电机转矩控制系统进行研究具有重要的理论意义和实际意义。 电机转矩控制精度依赖于位置、电流及电压传感器精度,一旦这些传感器出现故障,轻者造成车辆性能永久下降,重者引发严重安全事故;在实际应用中,控制系统传感器出现故障频率最高,因此对传感器故障状态下的车用电机转矩控制研究具有同样重要的意义。由于感应电动机具有高效、高可靠性、免维护及低成本等特性,因而在混合动力汽车中应用最为广泛。本文以混合动力汽车中的感应电机驱动系统为研究对象,对车用电机复杂时变工况及传感器故障状态下的转矩控制问题进行了系统的理论分析和仿真实验研究,主要工作归纳如下: 1、针对电动汽车运行状态复杂多变、车用感应电机运行中参数变化较大较频繁、车用电机参数时变性突出、现有感应电机模型误差较大的问题,本文提出了利用电机暂态运行数据离线辨识电机在各种工况下相应参数值、用“相关分析法”确定电机参数与运行条件之间函数匹配关系、建立能同时反映电机多个参数实时变化特性的车用感应电机时变数学模型的新方法,并通过与实验结果对比,验证了所建电机模型的有效性,为车用电机转矩控制器的设计奠定了基础。 2、针对传统磁场定向控制技术对电机参数变化敏感和被调参数较多的缺点,基于转子磁场定向(FOC)技术提出了一种新型鲁棒性PI控制器,用对同步角频率(ω_e)的PI控制代替传统的定子电流q轴分量(i_(qs))的PI控制,不仅减少了需要调整的调节器参数数量,而且能更好地对转子磁链(λ_r)的幅值和相位进行实时跟踪控制,对模型的不确定性具有良好的抑制作用,保证了电机转矩控制的跟踪精度。为了节能和提高汽车的续驶里程,在对电机转矩实施高精度、高可靠性和高鲁棒性控制的同时,如何使电机效率最大化是车用电机控制领域的热点研究问题之一,本文以电机功率损耗最小为目标,优化了转子参考磁链,有效降低了电机运行中的能量损耗。以磁链控制作内环,转矩控制作外环,提出了车用电机转矩控制系统及效率优化控制的新方案,以典型的混合动力汽车行驶过程为仿真示例,验证了所提出的转矩控制策略的有效性。 3、针对许多无速度传感器控制算法对电机参数变化鲁棒性差的问题,本文基于滑模变结构控制技术,设计了自适应转速——磁链观测器,这样不仅改善了观测器的鲁棒性,而且可实现对转速和磁链的同时观测,减少了观测器的数量,保证了中、高速时观测器的精度;针对电机在转速低、定子频率低时无速度传感器控制算法存在的估计精度低、收敛速度慢的问题,本文设计了新的定子频率观测器,并在低速时用它取代转速——磁链滑模观测器,以便改善电机驱动系统低速运行性能。仿真结果表明,所设计的转速——磁链滑模观测器和定子频率观测器保证了无速度传感器电机驱动系统能够在较宽转速变化范围内具有良好的转矩控制性能。 4、为了提高相电流传感器故障时电机驱动系统的转矩控制能力,本文在对三相电压源型PWM逆变器中的直流电流、开关状态及交流相电流之间关系分析的基础上,提出了基于一个直流电流传感器和开关状态信息进行逆变器相电流重构的新策略;在数字电流滞环控制基础上,设计了开关状态发生器;为消除测量噪声和开关控制对重构电流的影响,本文还设计了一个IIR数字滤波器,以改善重构电流质量;所提出的相电流重构方法不受电机模型参数及负载变化影响,可推广到所有三相平衡电流交流电机驱动系统中,通过仿真实验,验证了新方法的有效性。 5、针对混合动力汽车感应电机驱动系统传感器的不同故障情况,提出了各种故障状态下的相应最优控制策略;在电机转矩控制系统中,充分利用无故障传感器信息,设计了主动容错控制器,使得在多数传感器故障状态下仍能对电机实施矢量控制,最大限度地维持了驱动系统的转矩控制性能;为解决转矩控制策略切换中电机转矩的平滑切换问题,本文还设计了平滑切换模糊控制器,对切换过程中的定子电压偏差进行补偿。仿真实验表明,在传感器发生故障时,所设计的转矩控制系统仍能有效地保证车辆的行驶性能。


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