电动汽车用永磁同步电机驱动系统若干关键技术研究

【摘要】：受能源危机和环境恶化影响,电动汽车已成为汽车工业未来发展的主要方向,而电机驱动系统作为电动汽车机电能量变换的核心部件,具有重要研究意义。由于永磁同步电机具有高效率和高功率密度的优点,已在中小型电动汽车中得到广泛运用,因此本文针对电动汽车用永磁同步电机驱动系统,从电机设计及控制等角度研究提高系统性能和可靠性的新方法,主要包括以下内容:阐述电动汽车用永磁同步电机结构特点,给出不同坐标系下电机数学模型。介绍两种常规永磁同步电机(PMSM)直接转矩控制(DTC)算法原理,分析它们用于电动汽车场合的问题并指出改进方向。为提高可靠性,从转矩调节单调性、电机弱磁特点以及电压电流限制等多方面考虑,获得了PMSM DTC稳定运行条件。提出了一种基于转矩角的电动汽车用PMSM DTC,在研究该算法中电磁转矩和定子磁链幅值调节原理上,给出详细控制结构和各环节实现过程,分析其中可靠启动方法和零矢量作用。并研究该算法中转矩和磁链调节的相互耦合作用,完善对该算法的特点分析。针对电动汽车对转矩控制的性能需求,研究PMSM DTC的转矩性能影响因素,分析由开关管寄生参数引起的非线性死区现象,并给出相应的间接死区补偿方法。为提高电动汽车用PMSM控制系统可靠性,提出了一种利用相电感的PMSM转子位置估算方法。分析PMSM电感特性,比较常规相电感位置信号提取方法优缺点,在此基础上提出相电感矢量迭代法,并给出简化工程实现方法。为获得宽转速范围内的无位置传感器控制能力,将所述位置获得方法与PMSM DTC算法结合,提出了一种利用高频注入得到相电感并计算定子磁链的方法,再将其与常规定子磁链估算方法结合,得到混合磁链估算方法,满足宽转速运行要求。针对电动汽车高效率运行需求,从PMSM DTC角度分析系统电磁损耗变化规律,在此基础上提出了一种分区式在线效率优化方法。利用离散化思想,将搜索过程“多线程”化,以减弱对最优搜索算法的需求。提出了一种电动汽车用交替极轮毂电机结构,从气隙磁密、漏磁、齿槽转矩和凸极性等方面分析其基本原理、结构特点和设计规律。与常规永磁轮毂电机对比,着重研究电机结构参数对极间漏磁和齿槽转矩的影响,分析变化规律,并提出了以弧形铁芯极进一步优化齿槽转矩的方法。分析所提电机凸极性形成原理,研究铁芯极形状和磁钢厚度对电机凸极性的影响。