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少稀土轮辐式组合永磁型同步电机弱磁控制策略研究

刘天奇  
【摘要】:稀土永磁同步电机因功率密度大、调速范围广、结构简单等优点而被广泛应用于电动汽车领域,但受当前不断上涨的稀土材料价格的影响,稀土永磁同步电机的制造成本也日益上升,这在一定程度上限制了永磁同步电机的发展。本文所研究的少稀土轮辐式组合永磁型同步电机(HPMM),其励磁磁场由非稀土材料铁氧体和稀土材料钕铁硼共同构成,通过合理设计两种永磁体的位置与充磁方向,使两个磁场在空间上达到互补,提高了电机的气隙磁通。这种新颖的设计方式不仅减少稀土材料的用量,还保证了电机的功率密度与转矩输出能力,降低了电机制作成本,获得不弱于稀土永磁同步电机的性能。电动汽车对于驱动电机的要求是低速时能输出较大的转矩、高速时能实现宽范围调速,为了验证HPMM的实际性能,实现电机的高性能运行,本文重点对该电机基速以下的最大转矩电流比(MTPA)控制和基速以上的弱磁控制展开了研究。首先,详细介绍了HPMM的结构特点、运行原理以及数学模型,并基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制算法设计了该电机的控制系统。在该系统中转速环与电流环的控制器均采用PI控制器,随后通过Matlab/Simulink仿真与实验对HPMM的实际性能以及所设计的驱动控制系统分别进行验证。其次,介绍了公式法MTPA控制,该方法与i_d=0控制相比能以相同的定子电流输出更大的电磁转矩。针对工程应用提出一种工程近似法MTPA控制,通过仿真验证了该方法能够获得与公式法MTPA控制相近似的效果,并且方法简单,易于实现。针对HPMM电感参数变化会对MTPA控制精度造成影响,提出一种基于电感参数辨识的MTPA控制,通过实验验证了该方法能有效解决电感参数变化造成的误差,具有很强的实用性。最后,从电压极限轨迹、电流极限轨迹和运行区域三个方面分析了弱磁控制的原理,介绍了一种基于电压调节法的弱磁控制,该方法在传统SVPWM控制的基础上增加了一个电压外环和限幅环节,并通过仿真与实验验证了HPMM在不同工况下的弱磁控制具有良好的动态响应。


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