纯电动汽车用永磁同步电机无位置传感器控制技术研究

发布时间：2020-09-16 08:37

　　随着纯电动汽车产业链的成熟与稳定,永磁同步电机以功率因数可调、转矩密度大等优势在近几年纯电动汽车市场配套量占比越来越高。由于电动汽车行驶工况复杂多变,暴露于外部用于检测驱动电机转子信息的机械传感器容易损坏,一旦失效可能会造成无法挽回的安全事故。为了提高电动汽车驱动系统整体可靠性与功能安全性,本文设计了一整套无位置传感器控制算法,使得电动汽车在位置传感器发生故障时能软件在线估算转子信息,实现电动汽车在全速度范围内的准确、安全、可靠运行。本文研究内容主要包括三个方面:采用基于电机反电动势的滑模观测器法对电动汽车用表贴式永磁同步电机进行转子信息的估算。根据传统滑模观测器的基本原理,将开关函数替换为sigmoid函数对其进行改进。针对滑模观测器得到的估算反电动势,分析了基于反正切函数和锁相环的两种位置观测器,并进行了定子电阻在线参数辨识。根据解析计算出的最优电流环转速环PI参数整定值搭建矢量控制系统仿真模型,仿真结果表明基于锁相环的改进滑模观测器使得系统抖振更小,动静态性能更好。由于电机反电动势在零速和低速时信噪比较小,基于反电动势的滑模观测器法仅在电动汽车高速运行时能准确估计电机转子速度位置信息,在零速和低速下并不适用。因此在零速时,基于表贴式永磁同步电机无凸极性和对启动平顺性的要求,根据非线性磁饱和效应采用脉冲电压注入法对其进行初始位置检测。在低速时,研究了开环I/F法和闭环I/F法的控制原理,仿真结果表明闭环I/F法在加快系统速度收敛进程、减小系统回稳时间上更有优势。在电动汽车全速度范围内,不同控制方法之间的直接切换会导致系统出现较大脉动,因此本文提出了分段式电流减小率法和预置切换法来实现低速与高速控制方法之间的平滑过渡,通过系统仿真验证了所提方法的可行性和有效性,且仿真结果表明上述两种方法与低速闭环I/F法、高速滑模观测器法相结合能在全速度范围内对电动汽车用永磁同步电机进行有效控制,具有快速的转速转矩响应能力和较好的动静态性能。为电动汽车性能提升提供了理论依据,具有很强的实用价值。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM341
【部分图文】：

永磁同步电机,表面式

2 永磁同步电机的数学模型和控制方案永磁同步电机已成为国内外纯电动汽车行业中的主要驱动电机，其本身是一个强耦合、时变性，多变量的非线性系统，直接对其控制难度较大，因此需要对自然坐标系下的永磁同步电机数学模型进行简化来达到便于控制的目的。矢量控制可以使得永磁同步电机具有和直流电机相媲美的性能，是目前永磁同步电机控制中应用最广泛的方法。矢量控制系统的性能很大程度上取决于速度环电流环 PI 控制器参数的选取，而目前 PI 控制器参数一般是通过经验法和试凑法得到，浪费了大量的人力物力，为了快速方便的获得最优 PI 参数值，本章对双闭环 PI 参数控制器进行参数整定，并根据得到的 PI 参数整定值对纯电动汽车永磁同步电机矢量控制系统进行仿真验证。2.1 永磁同步电机的结构和特点永磁同步电机与其他电机最大的不同是其转子结构，根据永磁体在转子上的分布，可分为表面式永磁同步电机和内置式永磁同步电机，如图 2.1 和 2.2 所示。

示意图,永磁同步电机,内部结构,示意图

示意图,三相静止,永磁同步电机,坐标系

表示为 3 s 3 s 3 s f 3s e L i f 同步电机的 A、B、C 三相电压向量和电机三相绕组电感矩阵；f 代表永磁分算子，且满足,3As BCiii i ,3As BC , 3sinsins e f 3AA AB ACs BA BB BCCA CB CCL M MM L MM M L L 三相定子绕组的自感，MAB、MBA、MAC间发生变化；θe为转子电角度，即转子坐标系下的永磁同步电机可用图 2.3 表

【参考文献】