插电混合动力汽车永磁同步电机控制算法开发

【摘要】驱动电机及其控制系统是混合动力汽车的关键技术之一，与工业用电机一般优化在特定的工作点不同，混合动力汽车用驱动电机在负载条件、技术指标和工作环境等方面有着特殊的要求。以行星排式的插电混合动力整车对驱动电机的要求为电机控制系统的设计目标，以电驱动系统对电机控制系统的约束为限定条件，开发出适用于特定整车构型、特定整车动力总成参数和特定整车控制策略的车用电机控制系统的算法，这是本文所要解决的问题。在分析工业用电机和混合动力车用驱动电机的区别，并对比了几种典型混合动力汽车用驱动电机主要性能的基础上，选取了三相永磁同步电机作为本文的研究对象。为使车用电机控制系统的算法开发更有针对性，本文系统地分析了整车构型、整车动力总成参数和整车控制策略对电机控制系统的要求和约束，这为插电混合动力汽车永磁同步电机的控制算法优化指明了方向。三相永磁同步电机是多变量、强耦合和非线性的机电能量转换装置。针对永磁同步电机的结构和工作原理，本文搭建了三相永磁同步电机的矢量控制系统。本论文将“分层开发”的思想应用在三相永磁同步电机控制系统的算法设计上。底层采用空间矢量圆轨迹法的控制思路，通过控制逆变器的开关时间实现了等效三相正弦电压的输入；中间层采用PI调节器控制永磁同步电机的两相电流，并提出了基于模型预测的解耦控制算法进行电压补偿，实现了对两相电流的快速准确的控制；高层采用了基于整车模式的PI控制，并提出了基于整车转矩分配的前馈补偿算法，更好地满足了整车对电机的要求。对三相永磁同步电机的矢量控制系统算法开发的几个关键问题进行了以下几个方面的研究：1.在分析电压极限圆和电流极限圆的基础上，明确了最大转矩/电流比控制和弱磁控制的基本思路。并通过仿真实验验证了控制思路能够满足“低速恒转矩区，高速恒功率区”运行的要求。在采用特定控制思路的前提下，明确了转矩系数和弱磁系数的概念，并以数学的形式给出了输出外特性和电机本体参数以及电机定子电流的关系，这为电机本体参数匹配和控制算法的优化提供了依据。2.三相永磁同步电机供电的方式采用直流母线电压馈电，为使电机的输出特性更好地满足整车对驱动电机要求，采用矢量控制策略。本文详细阐述了瞬时空间磁链矢量圆轨迹方式（SVPWM）的原理及其逆变技术，明确了SVPWM算法的基本流程，并进行了相关公式的推导。仿真结果表明，本文所采用的SVPWM算法能够很好的实现对三相永磁同步电机的矢量控制。3.混合动力车用三相永磁同步电机和工业用电机的工作环境等大大不同。为此，本文提出了一种考虑电机控制策略的三相永磁同步电机本体参数匹配方法，并给出了电机本体参数匹配的总体方案、计算流程和相关公式。经过理论计算和仿真验证，这种电机本体参数匹配方法能够满足整车对电机输出外特性的要求。4.明确了一种以混合动力整车对驱动电机输出特性的要求为目标的电机控制算法的优化方法。该方法以传递函数和伯德图作为主要的分析工具，在频域内初步确定出控制算法的参数，然后在时域内进行建模仿真，修正控制算法的参数。经过仿真验证，该方法初步确定的控制系统参数能够兼顾电机的动态输出特性和稳态输出特性，修正后的控制系统参数能够更好满足不同整车驱动模式下整车对驱动电机的要求。在进行电机控制系统算法优化时，提出了一种基于模型预测的解耦控制算法和基于整车转矩分配的前馈补偿算法，并经过仿真验证了这些算法能够明显改善三相永磁同步电机的输出特性。5.验证了基于整车模式的电机控制算法。当汽车爬坡或加速时，采用了基于整车模式的电机控制算法的三相永磁同步电机转矩输出平稳，没有出现大的波动或是超调，满足了插电混合动力整车对驱动电机输出特性的要求。
【作者】郭明臣；
【导师】王伟华；
【作者基本信息】吉林大学，车辆工程，2014，硕士
【关键词】插电混合动力汽车；三相永磁同步电机；控制算法；参数匹配；

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