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四轮驱动电动汽车永磁同步轮毂电机驱动系统转矩控制研究

李洋  
【摘要】:面对汽车发展需求和能源环境问题的矛盾,为了促进汽车工业的可持续发展,节能、无污染的纯电动汽车成为了一个有效途径。相比于其他形式的电动汽车,四轮驱动电动汽车由于其具有结构紧凑性、更高的驱动系统效率和更强的动力学可控性等优点,是近年来国内外的研究热点,同样是未来车辆技术的重点研究方向。永磁同步轮毂电机驱动系统作为四轮轮毂驱动电动汽车唯一的动力源,对整个电动汽车的动力性、经济性以及安全性都有重要影响。因此,研究永磁同步轮毂电机转矩控制及驱动系统的转矩分配具有重要的理论和现实意义。本文以永磁同步电机参数辨识为基础,以四轮驱动电动汽车对轮毂电机转矩的性能需求为目标,研究永磁同步轮毂电机的快速准确转矩控制;同时以建立的电机系统损耗模型为基础,以提高驱动系统效率为目标,分析了单电机系统的最优制动转矩,并研究了驱动系统效率最优的轴间转矩分配方法。本文的主要研究内容如下:(1)永磁同步电机参数的离线辨识在永磁同步轮毂电机的转矩控制中,需要利用电机参数建立准确的转矩模型,实现电机转矩的准确控制,而离线参数辨识是获取电机参数的有效手段之一。在辨识过程中首先建立考虑铁耗因素的永磁同步电机等效模型,通过电机的典型试验(堵转和空载)和一些特殊方法(电压积分法、RLC桥测量法),得到了准确的永磁体磁链幅值、铁耗等效电阻、以及精度相对较低的交直轴等效电感和定子等效电阻。为了提高参数辨识精度,提出了基于遗传算法的电机参数离线优化辨识方法,为减小逆变器供电条件下死区延时对辨识结果的影响,进行了基于逆变器等效参数特性分析的死区延时补偿,并在Matlab中完成了电机参数的离线优化辨识。最后在转子磁场定向坐标下完成验证试验,结果表明:利用离线辨识结果建立的电机模型,能准确的反映永磁同步电机在各工况下的电流响应和转矩响应,辨识结果能够用于后续电机的转矩控制算法和驱动电机系统损耗建模中。(2)永磁同步轮毂电机转矩控制算法研究首先分析了四轮驱动电动汽车对永磁同步轮毂电机转矩性能的需求,主要包括车辆动力性、制动性能和横摆力矩控制对轮毂电机转矩响应时间的需求。分析车辆横摆力矩控制系统对响应时间的需求时,建立了横摆力矩控制系统的传递函数,通过频域分析法计算了对响应时间的需求指标,并通过仿真验证了所提响应时间指标的正确性。以得到的轮毂电机转矩响应性能需求为设计目标,进行永磁同步轮毂电机的转矩控制研究:针对转矩控制的准确性需求,提出了考虑铁耗因素的转矩模型,并结合永磁体磁链幅值的在线辨识提高了电机转矩控制的准确性;针对转矩控制的响应时间需求,分析了对电机电流响应的性能指标,在常规PI控制算法下通过对PI参数的整定提高了电流响应速度,满足了对响应时间的基本性能指标,同时提出了基于前馈+PI反馈的电流控制算法,结合电机在线参数辨识实现了电流的自适应前馈控制,满足了对响应时间的理想性能指标。(3)轮毂电机系统损耗建模与最优制动转矩分析以单个轮毂电机为研究对象,在考虑铁耗因素的永磁同步电机模型基础上,建立了轮毂电机的损耗模型和逆变器损耗模型,并在不同工况下对损耗模型进行了试验验证。根据电机损耗模型的参数敏感性分析,提出了利用电机参数在线辨识结果计算电机损耗的方法,以提高系统损耗模型在电机参数变化时的准确性。最后基于建立的电机系统损耗模型,分析了永磁同步轮毂电机在一定转速下的最优制动转矩,结合最优制动转矩的参数敏感性分析,提出利用电机参数在线辨识算法,提高了最优制动转矩在电机参数变化时的适应性。(4)驱动系统效率最优的轴间转矩分配方法研究以整个四轮驱动系统为研究对象,首先研究了当前后轴电机参数相同时的轴间转矩分配问题,提出通过驱动系统损耗极值点和单电机系统损耗函数凹凸性对最优转矩分配进行分析,得出结论:当单电机损耗模型对电机转矩满足凹函数特性时,在无横摆力矩控制的直线工况和常规转向工况下,前后轴转矩平均分配可以实现驱动系统效率的最优;其次,分析了当前后轴电机参数不同时的轴间转矩分配问题,提出通过电机系统参数计算最优转矩分配系数的方法,并对0di?控制下的永磁同步轮毂电机驱动系统进行了理论分析与仿真验证;再次,针对无法获取准确电机参数时的驱动系统最优转矩分配问题,提出基于系统效率MAP图的转矩分配优化算法,分析了传统的基于效率MAP图进行转矩优化所存在的问题,并利用电机空载损耗对优化目标函数进行改进,通过仿真对比验证了改进后的转矩优化算法的正确性。最后,通过实车和台架试验对驱动系统效率最优的轴间转矩分配算法进行了验证。


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