山地车永磁电机驱动系统若干问题研究

发布时间：2017-08-15 09:19

  本文关键词：山地车永磁电机驱动系统若干问题研究

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【摘要】：在绿色生活的今天,兼顾健身与休闲的电动助力山地车越来越受到消费者青睐。本文以助力山地车为对象,运用场路联合分析方法主要研究永磁电机驱动系统的两个问题:(1)基于Hall位置信号的永磁电机复合驱动控制、(2)全速度范围位置传感器故障容错控制。本文首先利用有限元分析的方法对山地车用永磁电机几个关键参数及特性进行仿真计算。为了更深入地研究磁饱和效应、弱磁性能、铁芯损耗等非线性特性,提出一种基于降阶有限元模型的电机磁场建模方案,利用Simplorer将电机模型和Simulink控制算法联合起来进行仿真分析。其次,研究了基于Hall位置传感器的永磁电机方波/正弦波复合驱动,在需要较大转矩输出能力的低速区进行方波驱动,而在振动、噪声要求更高的高速区采用基于矢量控制方法的正弦波驱动。为此,讨论了基于Hall信号的转子位置估算与位置校准问题;为了提高模式切换过程的鲁棒性,对电流指令进行模糊增益补偿,以抑制系统模式切换过程中的转速波动。再次,为保证位置信号故障后的运行安全,研究了山地车永磁电机全速度范围位置信号故障容错问题。当部分Hall信号故障时,按非故障信号来估算转子位置,若Hall信号完全丢失,则切换到无位置控制。针对不同转速区间,在低速区采用高频电压注入法,高速区采用扩展反电动势法,在过渡区将两种方法得到的偏差信号经过归一化、加权处理得到转速及转子位置信息。重点讨论了永磁电机高频参数特性及不同注入条件对位置辨识以及磁极辨别的影响。最后,为验证所提出山地车电机控制算法的正确性,制作了电机样机;针对所需功能设计并制作了山地车控制器硬件;根据多模式复合驱动以及位置信号故障容错控制算法,进行相关驱动软件编写,构建了驱动系统实验平台,并在此平台上进行了全面深入的系统实验分析研究。实验表明,(1)所研究的永磁电机复合驱动系统在低速区进行方波驱动,转矩输出能力强,高速区进行正弦波驱动,噪声更低,模式切换过程平缓;(2)所提出的位置辨识算法能够准确的观测出山地车电机的转子位置,且联合仿真结果与实验结果基本吻合,验证了联合仿真方法的正确性和有效性。
【关键词】：电动助力山地车 永磁电机 参数特性 复合驱动 位置信号故障容错
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U484;TM351
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 1.绪论11-18
• 1.1 山地车永磁电机及其驱动控制研究背景11-12
• 1.2 与本课题相关的国内外研究现状文献综述12-16
• 1.2.1 电机驱动控制系统仿真方法研究文献综述12-13
• 1.2.2 永磁电机多模式复合驱动研究文献综述13-14
• 1.2.3 位置信号故障容错控制研究文献综述14-16
• 1.3 本文课题来源及研究内容与方法16-18
• 2.山地车电机参数及其场路联合仿真平台研究18-34
• 2.1 山地车用永磁电机介绍18-19
• 2.2 基于静态场有限元分析的山地车电机参数计算19-22
• 2.2.1 基波磁链计算19-20
• 2.2.2 电感参数计算20-22
• 2.3 基于瞬态场有限元分析的山地车电机参数计算22-24
• 2.3.1 基波磁链计算22-23
• 2.3.2 电感参数计算23-24
• 2.4 基于有限元分析的山地车特性分析24-25
• 2.4.1 转矩特性分析24-25
• 2.4.2 最大转矩角25
• 2.5 场路联合仿真平台25-32
• 2.5.1 场路耦合原理26-28
• 2.5.2 山地车驱动系统仿真平台的建立28-31
• 2.5.3 山地车驱动系统控制策略仿真实现31-32
• 2.6 本章小结32-34
• 3.山地车永磁电机多模式复合驱动34-52
• 3.1 速度积分法原理34-35
• 3.2 估算位置信号误差分析与校准补偿35-39
• 3.2.1 原理误差分析及校准补偿35-37
• 3.2.2 机械安装及Hall元件个体差异误差分析及校准37-39
• 3.3 零阶泰勒展开与位置观测器结合法39-44
• 3.3.1 观测器原理介绍39-41
• 3.3.2 零阶泰勒展开法与观测器法结合41-44
• 3.4 非过渡区驱动策略44-45
• 3.4.1 低速区方波驱动44
• 3.4.2 高速区正弦波驱动44-45
• 3.5 过渡区控制策略45-47
• 3.5.1 切换原理45-46
• 3.5.2 电流指令模糊补偿46-47
• 3.6 不同仿真平台验证47-50
• 3.6.1 低速区方波驱动仿真验证47-48
• 3.6.2 方波/正弦波复合驱动仿真验证48-50
• 3.7 本章小结50-52
• 4.考虑Hall传感器故障容错控制52-75
• 4.1 HALL位置检测故障信号分析52-54
• 4.1.1 相邻区间宽度比较检测52-53
• 4.1.2 独立Hall元件反馈信号占空比检测53-54
• 4.2 部分HALL信号故障容错控制54-56
• 4.2.1 一路Hall信号故障54-55
• 4.2.2 二路Hall信号故障55-56
• 4.3 高频注入低速区位置信号丢失容错控制56-65
• 4.3.1 脉振高频电压注入原理57-59
• 4.3.2 转子位置信息提取算法59-61
• 4.3.3 注入电压参数选取61-63
• 4.3.4 转子初始位置辨识63-65
• 4.4 扩展反电势法山地车高速区位置信号丢失容错控制65-67
• 4.4.1 基于扩展反电势转子位置估算算法65-66
• 4.4.2 参数变化对估算结果的影响66-67
• 4.5 全速度范围位置容错控制策略67-68
• 4.6 不同仿真平台验证68-73
• 4.6.1 低速区高频注入法位置信号故障容错控制仿真68-71
• 4.6.2 高速区扩展反电动势法位置信号故障容错控制仿真71-72
• 4.6.3 全速度范围位置信号故障容错控制仿真72-73
• 4.7 本章小结73-75
• 5.山地车驱动系统实验研究75-94
• 5.1 山地车永磁电机实验测试平台75-80
• 5.1.1 山地车永磁电机样机75-76
• 5.1.2 山地车永磁控制器硬件76-78
• 5.1.3 山地车永磁电机驱动软件78-79
• 5.1.4 山地车驱动系统实验平台整体框架79-80
• 5.2 山地车永磁电机本体相关实验80-83
• 5.2.1 磁链测量实验80-81
• 5.2.2 电感参数测量实验81-83
• 5.3 山地车永磁电机多模式复合驱动实验83-88
• 5.3.1 低速方波驱动实验83-84
• 5.3.2 基于Hall位置传感器位置估算实验84
• 5.3.3 正弦波驱动实验84-85
• 5.3.4 二种驱动模式对比实验85-86
• 5.3.5 复合驱动模式切换实验86-88
• 5.4 山地车永磁电机HALL传感器故障容错控制实验88-93
• 5.4.1 一、二相霍尔故障容错控制实验88
• 5.4.2 山地车电机初始位置检测实验88-89
• 5.4.3 低速区高频注入实验89-91
• 5.4.4 高速区扩展反电动势实验91-92
• 5.4.5 过渡区切换实验92-93
• 5.5 本章小结93-94
• 6.总结与展望94-96
• 6.1 全文总结94
• 6.2 课题展望94-96
• 参考文献96-101
• 致谢101-102
• 附录Ⅰ 攻读硕士学位期间研究成果102-103
• 附录Ⅱ 公开发表的学术论文与学位论文对应关系103

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本文编号：677374