面向电动汽车的永磁同步电机高效率控制策略研究

发布时间：2020-10-13 15:24

　　 随着能源危机和环境污染问题的日益严峻,节能环保成为汽车产业发展的主题,也是促进可持续发展的重要保证。以纯电动、混合动力以及燃料电池汽车为代表的电动汽车正是未来绿色环保汽车的最佳选择,也是我国新兴的战略产业。作为电动汽车的主要动力来源,永磁同步电机以其优良的功率密度、扭矩密度和转化效率成为车用电机的最佳选择。为了进一步降低能耗,减少碳排放,增加电动汽车的续航里程,本文将从永磁同步电机的控制策略出发,对电机驱动系统的效率优化问题进行深入研究。首先,从电机的数学模型和矢量控制入手,在考量各类高效率控制策略后,采用以注入法为基础的MTPA控制策略作为主要研究目标。在对最优电流角度跟踪原理和功率响应信号进行分析的基础上,完成永磁同步电机高效率控制算法的设计。同时为了应对电动汽车驱动扭矩频繁变化的特点,通过深入分析最优电流角度的预期调整量与响应信号之间的关系,提出了阶跃角度补偿算法。所提算法保持了原算法参数无关的特点,并在保证稳定性的基础上,进一步提高算法的响应速度。其次,通过MATLAB/Simulink搭建以JMAG-RT为核心的电机仿真模型和对应的控制算法模型,对以高频注入法为基础的MTPA控制策略进行了原理验证和动态加载实验,并根据对仿真结果的分析提出优化方案。之后对阶跃角度补偿策略与原注入法进行相同工况下的对比仿真实验,验证了该算法的可行性,能够提高MTPA轨迹的跟踪速度,更加快速稳定地将电机调整到高效工作点。最后,使用LabVIEW在PXI平台上搭建电机实时仿真环境以及数据交互系统,并以STM32F4作为主控芯片编写电机控制程序,完成了硬件在环平台的设计工作。并通过电机基础矢量控制对硬件在环平台进行调试和验证,确保实时仿真模型的精度和准确性。在此基础上,对控制策略进行半实物仿真实验,验证了算法的有效性,并结合硬件在环的实验结果和调试中遇到的问题,对影响实验结果的因素进行深入分析与总结,为今后的半物理仿真实验平台开发以及实物实验提供借鉴。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U469.72
【部分图文】：

丰田汽车公司同样在电动汽车领域占有绝对领先低位，在１９９７年１２月推出了标志??性的混动车型，以燃油和电池共同供能并搭载以行星齿轮组为核心的动力分流器的Ｐｒｉｕｓ，??其高集成化的能量控制单元（Ｐｏｗｅｒ?Ｃｏｎｔｒｏｌ?Ｕｎｉｔ，?ＰＣＵ）如下图１．１所示。??画??图１．１?Ｐｒｉｕｓ的ＰＣＵ切割模型??从Ｐｒｉｕｓ进入全球汽车销售市场之后，以其优秀的续航里程和百公里油耗得到广泛??认可，成为目前世界上销量最高的电动汽车汽车［３（）］。经过不断改良，现已推出第五代，??４??

面向电动汽车的永磁同步电机高效率控制策略研宄??高的工作点，这就是最大转矩电流比状态下。相对应的，ＭＴＰＡ点也可认为是在给定电??流幅值时，实现最大的扭矩输出。从如图１．３所示的ｄ－ｑ轴上的最大转矩电流比（Ｍａｘｉｍｕｍ??ＴｏｒｑｕｅｐｅｒＡｍｐｅｒｅ，ＭＴＰＡ）控制策略下电机工作轨迹上，可以更加清晰地看出，ＭＴＰＡ的??轨迹正是恒转矩曲线与电流圆的交点，也就是电流最小的点。??＾?ｌｎ??最大转矩电流比?ｑ??轨迹?Ｔ??ｅｍ＼??电压极限恒转矩轨迹??电流极限圆??＼〇?ｉＴ??图１．３最大转矩电流比控制策略下电机工作轨迹??对于电机的转化效率，主要包括电流的利用效率和能量损失。对于嵌入式永磁同步??电机来说，ＭＴＰＡ控制策略能够确保电流利用率最高。对于能量损失主要为铜损和铁损，??永磁同步电机的铜损与定子电流的幅值有关，因此ＭＴＰＡ轨迹上的铜损也最小。而铁损??一般变化较小，可忽略不计［４５］。综合考虑以后原因，ＭＴＰＡ工作点也不仅电流利用率最??高，并且带来的能量损失最小，因此是嵌入式永磁同步的最大效率工作点，在工业应用??中

２．１所示），不仅增强了高速旋转下的机械强度，使转子更加坚固可靠，拓宽高速区间；??同时不对称的磁路结构产生了凸极性，使其具有更好的弱磁调速性能和扭矩密度。凸极??性的产生如下图２．２所示，在转子旋转坐标下，定子产生的磁通经过气隙进入转子铁芯??时，在ｄ轴（ｄｉｒｅｃｔ?ａｘｉｓ）方向需要穿过了永磁体，而在ｑ轴（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ?ａｘｉｓ）方向上直接进??入。由于永磁体的相对磁导率远小于铁芯，而电感正比于相对磁导率，从整个磁通路径??上来看，ｄ轴的总电感要低于９轴［６４］。??ｆ?＾定子?ｒ?＾定子??＾?气隙?〃?气隙??，ｎ?］?ｌ?ｓ?Ｊ?１?ｎ??ｖ???ｙ?Ｖ?ｙ??转子铁芯?转子铁芯??（ａ）ｄ轴磁通示意图?（ｂ）ｑ轴磁通示意图??图２．２永磁同步电机凸极性示意图??２．１．２永磁同步电机的坐标变换??坐标变换的本质是通过改变坐标系，将方程中原来的一组变量用一组新的变量代替，??主要目的是将定子三相电流解耦，从而使永磁同步电机数学模型更加简单，易于分析和??控制。具体的变换过程如下图２．３所示：??１５??
【参考文献】

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本文编号：2839348