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混合动力车用永磁同步电机控制参数估计与控制策略研究

黄文卿  
【摘要】:新能源汽车是当前汽车技术的发展方向,混合动力汽车是新能源汽车的一种重要形式,内置式永磁同步电机(IPMSM)因具有效率高、功率密度大、恒功率范围宽等优势而成为混合动力汽车的首选电机。优异的驱动电机特性是实现混合动力汽车整车性能匹配优化的重要保证,混合动力汽车对电机驱动特性提出了准确、高效、快速和高可靠性的控制要求。由于车用电机工作环境恶劣,负载突变大,且内置式永磁同步电机的参数易受温度、磁饱和等因素的影响,使得驱动电机的控制参数变化大且规律复杂,给准确高效的控制带来一定困难。本文针对混合动力汽车的驱动电机控制需求,对内置式永磁同步电机驱动系统的参数估计、弱磁控制、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)保护和开路故障诊断进行了研究。 首先,建立了IPMSM和电机损耗的数学模型,对电机控制器电流信号的采集电路进行了建模分析,并依据电流采集的相移规律提出了结合反电势比较和基于电流采集相移特性的零转矩判定旋变零位置标定策略。为了提高电流的响应速度和抑制电流调节器的积分饱和效应,设计了前馈解耦和去饱和电流调节器。采用基于模糊逻辑的电流PI调节器自校正控制实现了在不同工况下电流调节器的参数自适应调节。 其次,针对电机的精确高效控制,本文提出了采用离线测量值和在线参数估计相结合的变参数最大转矩比电流(MTPA)控制策略。其中,电机的损耗参数采用稳态离线测量值、d轴电感采用实验数据曲线拟合的方式作为已知参数,在线参数估计算法分别为基于电流调节积分环节的磁链估计算法和基于功率闭环的L(d-q轴电感差值)估计算法。基于电流调节器积分环节的磁链估计算法能够很好地跟随工况变化,而基于功率闭环的L估计算法在实现参数估计的同时还实现了电机的精确控制。基于离线已知参数和在线估计参数,采用变参数MTPA算法实现了电机的高效控制。在MATLAB/SIMULINK中建立内置式永磁同步电机的控制模型,并对提出的策略进行了仿真分析,通过仿真和实验验证了算法的有效性。 再次,针对电机的快速响应控制,本文提出了基于过调制电流补偿的快速响应弱磁控制策略。将传统外电压环弱磁控制与过调制算法有机结合,使得电机在弱磁稳态工况不采用过调制,而是运行于最大线性调制,在减少过调制所带来的电流和转矩谐波的同时,提高了系统的运行效率;在瞬态工况下,基于q轴电压饱和效应的过调制弱磁电流的引入,满足了瞬态工况下响应速度快的需求。对控制策略进行了仿真和实验验证,证明了在弱磁工况下,控制策略的输出电压能够基本维持在最大线性调制区域,在提高系统运行效率的同时,达到了弱磁区域15ms的最大转矩响应速度。 最后,针对IGBT的保护和故障问题,提出了基于三相电流偏差和变参数移动平均法的控制器开路故障诊断算法。算法采用实际三相电流值与参考三相电流值差值在一周期内的平均值作为诊断变量,采用归一化方法(归一化参考值为d-q轴电流幅值的平均值)和变参数移动平均法实现了在不同转速下的周期平均问题,对算法的响应速度和负载突变等工况进行了仿真分析和实验验证,证明了所提出算法响应速度小于半个电周期的诊断效果。 设计了电机控制系统的软硬件系统和基础调试平台,并搭建了电机测试和混合动力测试实验台架。在此基础上,对电机的转矩控制精度和驱动系统的总体效率进行了测量,测试了电机弱磁工况下混合动力系统换档调速过程,证明了本文所提算法的有效性。


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