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混合动力电动汽车永磁同步电机弱磁控制的研究

那日沙  
【摘要】:由于能源与环境问题带来的影响,传统汽车正在向“电动”转变,世界各国和各大汽车厂商无不投入巨资进行电动汽车的研究。作为电动汽车核心驱动部件的电机系统,是这一方向的研究热点。其中永磁同步电动机以其体积小、重量轻、效率高、功率密度大、调速范围宽、维护简单等优点,逐渐成为电动汽车电机驱动系统的主流。由于永磁同步电机转子使用永磁体,其激磁磁场不可调节,对其在有恒功率、宽调速范围运行要求的车载电机驱动应用上提出了挑战,引起了国内外学者的高度重视。因此,为了提高混合动力电动汽车高速运行时转矩输出的稳定性及响应转矩突变的动态响应特性,本文围绕永磁同步电机的弱磁控制系统展开深入的研究工作。 完善的弱磁控制系统包含内环电流追踪控制和外环电流指令调节控制两部分组成。永磁同步电机是多变量、非线性、强耦合的系统,对参数和干扰极为敏感,因此传统的线性控制方法无法准确描述内环电流追踪调节过程,难以保证电机在高转速运行范围内输出转矩的稳定性。针对这一问题,本文深入分析反馈线性化理论,研究通过对输出变量进行Lie微分运算,得到所需坐标变换及非线性系统状态反馈量,进而实现永磁同步电机的输入输出线性化控制的方法,设计出基于输入输出反馈线性化算法的内环电流调节控制器。该电流控制器具有动态响应速度快、稳态追踪误差小、实现简单等优点,然而这种控制方法的效果要受到电机参数的影响。为了提高其对电机参数变化的鲁棒性,本文分析比较了若干典型的电机参数在线、离线计算方法,提出了基于电机磁链信息的输入输出反馈线性化电流控制算法。该方法重新设定系统输入量信息、反馈变量信息及系统控制方程,选取电机磁链作为电流调节器的输入控制信息,通过电压、电流基波分量离线计算电机磁链参数,不但有效地降低了参数估算的复杂程度,而且充分考虑了永磁同步电机谐波分量对参数计算的影响。改进后的内环电流控制器的鲁棒性得到了明显的提升。 永磁同步电机外环电流指令调节控制方式多采用闭环反馈式调节或前馈开环式调节。传统的前馈开环式调节方法获取当前电机的转速、电压、转矩的实时信息,利用数学公式计算出dq轴电流的最佳期望值,该类算法的特点在于实时性好,系统动态响应性能较好,但由于采用开环控制,系统的抗扰动特性较差;传统的闭环调节方法将输出的控制指令电压幅值与逆变器设定的电压门限值作为PI调节器的输入,而PI调节器的输出作为d轴电流指令的补偿量对其进行修正,该类算法的特点是反馈调节环节不依赖于电机参数,系统的鲁棒性有所提高,但不足之处在于当电机高速运行时一旦转矩指令发生突变,单纯的PI调节难以保证系统的快速动态响应特性,严重时会影响到系统的稳定性。针对上述分析,本文提出一种含有电压指令补偿环节的混合式弱磁电流指令调节控制方法,该方法的前馈通道包含一个电机磁链与转矩/电流的二维表格,根据当前转矩和磁链信息快速查取dq轴电流期望值,保证了系统的实时性及动态特性要求;其反馈通道利用电压输出指令与电压指令补偿环节的偏差进行PI调节,得到当前电机的磁链信息,保证了系统的抗扰动特性以及高速弱磁运行时的稳定性要求。 本文针对永磁同步电机弱磁控制系统进行了仿真和实验研究。仿真和实验结果表明所设计的弱磁控制系统对负载扰动鲁棒性强,具有良好的稳态特性和动态跟踪性能。所设计方法及其控制器结构简单,工程实用性强,因而适用于混合动力电动汽车电机驱动系统。


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