车用永磁同步电机高效与宽域控制研究

发布时间：2020-03-24 17:29

【摘要】：作为电动汽车的“心脏”,电机驱动技术在“十三五”新能源汽车创新链中占据重要地位,电机驱动控制器性能优化、车用调速系统功率密度倍增、高可靠性车用电力电子变换器集成等关键技术攻坚是实现新能源汽车“弯道超车”,抢占国际竞争至高点的重要举措之一。本文以车用IPMSM驱动系统为研究对象,在高功率密度、高效与宽域运行工况背景下,以系统级效率提升、全速域运行性能优化与系统可靠性提高为主要目标,对车用逆变器的优化PWM方法、IPMSM基速以下的MTPA控制、基速以上的优化弱磁控制与驱动系统的共模电压抑制四个方面展开了深入研究。针对现有优化PWM无法适应于车用逆变器宽域工况下各控制目标优先级多变的运行环境,提出一种基于满意优化算法的混合PWM。首先,根据逆变器开关损耗模型与IPMSM理想转矩方程分别建立了以开关损耗和高频电磁转矩纹波为优化目标的PWM有约束数学规划模型,通过对伏秒平衡方程特解分量的在线规划分别实现了开关损耗与高频电磁转矩纹波的全局最优化。在此基础上,通过对两个目标的全局最优解的分析,揭示了不同优化目标之间矛盾的本质原因。引入满意优化算法,根据决策者偏好信息通过调整开关损耗系数界限可灵活地调整各控制目标的重要性,实现了宽域运行工况下的开关损耗与电磁转矩纹波的满意控制,并增加了PWM与整车控制器的交互能力,提升PWM智能性。针对基于模型的MTPA算法鲁棒性较差的问题,提出了一种滑模极值搜索MTPA控制方法。分析了基于模型的MTPA控制精度受电机参数与转子磁链定向角误差的影响机理。分别设计了以定子电流矢量角与d轴电流作为搜索变量的滑模极值搜索策略。运用滑模控制理论,使得搜索量持续向极值点方向运行,当进入较小的极值搜索邻域内后,利用系统的自适应性使得搜索变量收敛于极值点。滑模极值搜索MTPA控制既不需要采用正弦函数激励信号,也不需要采用滤波器来估测函数梯度。基于Lyapunov判据分析了滑模极值搜索MTPA控制的稳定性,通过分析滑模面的形成与切换运动过程深入研究了所提算法的收敛速度与控制精度。为实现基速以上调速系统的动态性能改善与效率优化,研究了车用IPMSM优化弱磁控制。首先建立了电压幅值调节弱磁控制器的小信号模型,指出电动工况下弱磁控制环为非最小相位系统,通过根轨迹分析给出了控制参数设计方法。为改善弱磁控制动态性能,研究了优化动态过调制策略,设计了逆变器过调制情况下的电流调节器的抗积分饱和策略,并结合车用IPMSM弱磁运行动态工况给出了d、q轴参考电压的优化计算方法。所提出的优化动态过调制策略通过控制弱磁动态过程中反电动势的运行方向以增加动态电压可调范围,提升了电流调节速度,有利于保证弱磁动态工况的平滑过渡。通过将电压幅值调节弱磁控制器的参考电压边界扩展至过调制区域,增加了逆变器直流母线电压利用率,实现了IPMSM的效率优化弱磁控制。为减小车用逆变器供电固有的共模电压以提升系统可靠性与使用寿命,深入研究了车用IPMSM驱动系统的共模电压抑制策略。首先分析了车用IPMSM驱动系统的共模电压效应,重点分析了逆变器共模电压产生电机轴电压与轴电流的机理。针对传统共模电压抑制PWM未充分利用新型开关序列下控制自由度的问题,提出了定子磁链纹波最优与开关损耗最优共模电压抑制PWM,在共模电压抑制的基础上分别实现了定子磁链纹波与开关损耗的优化。研究了一种因死区效应产生的共模电压毛刺的通用抑制策略,通过特解分量与开关序列类型的在线优化将共模电压幅值真正限制在直流母线电压的六分之一以内,从根源上减小IPMSM的轴电压、轴电流与共模EMI。以上内容的有效性与正确性均通过Matlab仿真进行了分析,并在50kW的IPMSM四象限对拖实验平台上进行了实验验证。
【图文】：

1 绪论峰值效率能达到 93%-97%甚至更高，大于 90%的高效率区超对效率要求严苛，如何进一步提高峰值效率以及高效率区间是重关注的问题。另外，在宽域控制的要求下如何实现电机驱动性提升以及使用寿命的增加是新一代电机驱动总成亟待解决MSM 调速策略研究现状同步电机调速策略主要分为三类，如图 1-5 所示，即矢量控Control， FOC）、直接转矩控制（DirectTorqueControl， DT（Model Predictive Control， MPC）。

5 车用 IPMSM 优化弱磁控制5-6 中的 C3点。在此情况下，ud_diff等于 0，但 uq_diff较定值的方向。动态过调制策略.1 节的分析，过调制情况下逆变器实际输出电压与参电流环积分饱和引起的控制性能恶化问题，引入如图（Anti-Windup）功能的电流控制器[251]，其中 PI 控制调制模块根据转子位置获取的 d、q 轴电压界限值，可
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM341
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本文编号：2598625