应用于电动汽车的电流源型PWM逆变器研究

摘要

电机驱动系统是电动汽车领域的研究核心，以往的研究主要围绕电压源型PWM逆变器。近年来为了提高电动汽车性能，对转速输出范围、电机高速驱动特性、驱动系统效率和汽车级可靠性提出了更高的要求，电压源型驱动系统结构上的固有缺陷难以满足需求。国际上研究具有升压特性的电流源型驱动系统成为热点，它能够适应输入电压变化范围较大的场合，采用电感作为储能元件，实现过流保护和短路保护，结构上可靠性更高，允许三相桥上、下桥臂直通。然而，电流源型逆变器应用于电动汽车电机驱动系统，还存在着一些新的问题需要解决。本文以电动汽车领域应用的电流源型PWM逆变器为研究对象，进行了如下研究：
　　借鉴电压源型逆变器的矢量控制研究方法，建立了三相静止坐标系、两相静止坐标系以及同步旋转坐标系下的三相电流源型感应电机驱动系统的数学模型；基于转子磁场定向，建立了感应电机动态数学模型，并进行修改以适应电流源型电源的激励方式，为深入研究电流源型电机驱动系统奠定理论基础。
　　针对电流源型电机驱动系统特性，设计了三闭环控制系统。计算了基于转子磁场定向的前馈解耦补偿项，为兼顾系统的动态响应与稳态性能，由内到外依次建立了电压环路、电流环路和速度环路的传递函数。根据每个环路的性能要求，分别采用典型I型系统和典型II型系统的整定准则，设计了各环路的控制器参数，提高了控制系统性能。并且为了避免滤波电容与电机定子电感产生并联谐振，采用有源阻尼法校正电压环路的调节器参数，提高了系统稳定性。
　　为了避免由电压源型逆变器调制信号经过二-三逻辑转换的复杂运算过程，提高计算速度，实现实时控制，本文设计了一种适用于电流源型PWM逆变器的直接SVPWM调制算法；并且针对电流源型逆变器调制策略中，直流侧储能电感电流不可控而出现母线电流断续、泵升的问题，改进了电流源型电机驱动系统拓扑结构，在此基础上提出了带有母线电流调节的空间矢量调制策略，分析了母线电感电流的瞬时状态，推导出母线电流稳定运行的最优条件量化关系。根据系统性能要求，设计了直流侧电感、滤波电容参数的取值范围，通过仿真分析了滤波电容不同取值对系统性能的影响，验证了所设计的参数取值的正确性。
　　此外，在Matlab仿真平台和3kW感应电机的样机实验平台对所设计系统进行验证，仿真与实验结果验证了本文调制策略和控制方案的正确性和可行性。本文的研究成果对电流源型逆变器应用于未来电动汽车领域具有一定的可借鉴性。

目录

1 绪 论

1.1课题研究的背景及意义

1.2电机驱动系统现状

1.3电流源型PWM逆变器研究现状

1.4本文主要内容

2 电流源型电机驱动系统建模

2.1三相静止坐标系下CSI的数学模型

2.2两相静止坐标系下的CSI数学模型

2.3同步旋转坐标系下的CSI数学模型

2.4感应电机的动态数学模型

2.5基于转子磁场定向的数学模型

2.6本章小结

3 电流源型电机驱动系统控制策略研究

3.1电流源型电机驱动系统的三闭环控制结构

3.2电压内环调节器设计

3.3电流外环调节器设计

3.4速度外环调节器设计

3.5谐振抑制策略

3.6仿真分析

3.7本章小结

4 电流源型驱动系统调制与参数设计

4.1三相CSI空间矢量调制

4.2母线电流稳定工作控制策略设计

4.3主电路参数设计

4.4仿真结果分析

4.5本章小结

5 系统软硬件设计与实验验证

5.1硬件组成

5.2软件程序设计

5.3实验验证

5.4本章小结

6 总结与展望

6.1本文工作总结

6.2未来工作展望

致谢

参考文献

附录