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开绕组永磁同步牵引电机双边逆变器驱动控制系统研究

宁宇  
【摘要】:永磁同步电机具有高效率、高密度、体积小、重量轻等优点,在电动汽车中得到了广泛应用。但传统的DC/DC升压变换器加二电平高频PWM逆变器供电永磁同步电机驱动系统不仅存在开关频率高,系统效率低,电磁噪声严重等不足,而且深度弱磁时还存在系统不稳定和去磁风险。不仅导致电驱动性能下降以至完全失去驱动能力,而且也难以适应多能源管理。高功率密度高效轻量化永磁电机集成驱动系统仍是“十三五”电动汽车电驱动系统亟待解决的关键技术之一。正是在此背景下,本文结合科技部“十二五”863电动汽车关键技术与系统集成重大项目课题-车用高性价比永磁驱动电机及其控制系统规模产业化技术攻关(2011AA11A236)和科技部863电动汽车重大专项,电机系统关键共性技术与评价体系研究(863-2011AA11A238),从电力电子技术着手,针对永磁同步电机宽调速控制问题进行了深入研究。本文在综述永磁同步电机宽调速电驱动系统研究现状的基础上,针对混合动力电动汽车,提出了新型的双边逆变器开绕组永磁同步(DINV-PMSM)电机驱动系统,开展新型电驱动系统的宽调速稳态特性、电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法、宽调速矢量控制等方面的理论分析和仿真及实验验证。本论文的主要研究内容及创新点如下:1.针对现有混合电动汽车多能源系统所存在的功率密度低、可靠性差等问题,采用一种模块化的双逆变器供电开绕组电机的驱动拓扑,通过降低电池的串联规模,减少无源部件,显著提高了系统的功率密度和可靠性和故障容错能力。其内在的三电平特性有效降低了电磁干扰和开关损耗,减轻输出谐波失真。2.针对永磁同步电机不易弱磁的问题,采用(DINV-PMSM)电机驱动系统,通过提高直流母线利用率,有效地扩大了高速运行范围。根据HEV运行模式,可灵活选择单位功率因数控制、正交电压控制法和最大电压控制方案来提高续航里程。实验验证了最大电压控制模式下双2电平逆变器的SVPWM算法。该算法简单,易于便于工程实现。3.低压大功率HEV常采用多相多电平驱动系统。本文提出了多相多电平双边逆变器的通用简化SVPWM算法。该算法将参考矢量标幺化后映射到多维正交空间,完全采用初等矩阵变换将多相多电平转化为多相二电平SVPWM算法。此算法避免了复杂的图形分析和扇区辨识,有助于SVPWM算法的低成本、快速实现,仿真验证了所提算法的可行性。4.针对DINV-PMSM电机的宽调速矢量控制,提出用零电压矢量作用时间辨识弱磁区。与现有电压反馈和转速反馈方法相比,该算法成本低,鲁棒性好。易于工程实现,动态响应较快。创建了以32位DSP处理芯片2812为核心的实验开发平台,实验验证了所提出的控制策略,结果表明双边逆变器供电开绕组永磁同步电机扩速明显,最高达40%左右。稳态和动态性指标满足电动汽车运行要求。


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