电动汽车增程器用永磁无刷直流电机控制系统研究

摘要

电动汽车増程器可以有效延长电动汽车的续行里程，解决当前及今后较长一段时间内充电桩数量不足、电池充电时间长等制约电动汽车发展的瓶颈问题，实现汽车行业由燃油模式向电动模式的顺利过渡，因此増程器的关键部件—电机控制系统成为当前电动汽车领域的一个研究热点。
　　永磁无刷直流电机(Brushless DC Motor，BLDCM)因为体积小、效率高、可靠性好等优点，成为电动汽车増程器电机的理想选择。本文对用于増程器的具有起动/发电一体化功能的永磁无刷直流电机直接转矩控制(Direct Torque Control，DTC)系统的电动运行、发电运行、起动/发电转换过程及无位置传感器技术进行了全面的研究。
　　深入分析了永磁无刷直流电机电动系统直接转矩控制技术的特殊性，建立了最优导通相电压矢量选择表，分析了根据霍尔位置信号进行转子磁场扇区划分的方法，提出了根据相电流形状函数和霍尔位置信号关系进行转矩观测的方法，解决了使用简单价廉的霍尔位置传感器的无刷直流电机DTC系统的实现问题。建立了永磁无刷直流电机DTC电动系统仿真模型，进行了仿真分析和实验研究。仿真和实验结果表明基于霍尔位置信号的无刷直流电机DTC电动系统具有优良的静、动态性能。
　　针对永磁无刷直流电机DTC电动系统中的转矩脉动，进行了转矩脉动抑制技术研究，提出了采用使关断相延迟关断的重叠换相DTC方案来减小换相转矩脉动，建立了考虑重叠换相的电压矢量选择表。用实验验证了重叠换相DTC方案对于解决转矩脉动的可行性，实验结果表明所提重叠换相DTC方案能有效较小换相转矩脉动，实现简单，可大大提高无刷直流电机的静态运行性能。
　　对采用直接转矩控制的永磁无刷直流电机发电系统和起动/发电转换过程进行了研究。导出了直接转矩控制技术提高永磁无刷直流电机发电系统动态性能的理论依据，设计了DTC永磁无刷直流电机发电系统的结构，并据此搭建了仿真模型，针对永磁无刷电机变换器三相不对称工作的特点，提出了PSB和Simulink双三相桥建模方法，解决了仿真模型中三相桥能量双向流动与电机绕组反电势的正确计算问题。分析了起动/发电系统的控制过程，提出了起动到发电的控制方法。仿真和实验结果验证了永磁无刷直流电机起动/发电系统的直接转矩控制技术的可行性和高性能。
　　分析了永磁无刷直流电机的无位置传感器DTC技术，提出了根据无位置传感器位置检测电路输出信号进行转矩观测的方法，给出了无位置传感器DTC技术的实现方案。详细介绍了永磁无刷直流电机直接转矩控制起动/发电系统的硬/软件设计与实现过程。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

1.2 电动汽车增程器综述

1.3 永磁无刷直流电机控制技术

1.4 本文主要研究内容与成果

第二章 采用直接转矩控制的永磁无刷直流电机电动系统研究

2.1 永磁无刷直流电机的结构和工作原理

2.2 传统直接转矩控制原理简介

2.3 永磁无刷电机直接转矩控制的特殊性分析

2.4 基于霍尔位置信号的扇区判别与转矩观测

2.5 永磁无刷直流电动机直接转矩控制系统结构

2.6 仿真研究

2.7 实验研究

2.8 本章小结

第三章 永磁无刷直流电机直接转矩控制系统转矩脉动抑制研究

3.1 换相转矩脉动问题研究

3.2 重叠换相DTC法

3.3 实验结果分析

3.4 本章小结

第四章 DTC永磁无刷直流电机发电系统及起动/发电转换研究

4.1 永磁无刷直流电机发电系统的直接转矩控制技术

4.2 永磁无刷直流电机起动向发电转换研究

4.3 仿真研究

4.4 实验分析

4.5 本章小结

第五章 永磁无刷直流电机起动/发电系统的无位置传感器技术

5.1 永磁无刷直流电机的无位置传感器控制原理

5.2 无位置传感器技术的转子位置检测

5.3 无位置传感器技术起动/发电直接转矩控制系统的实现

5.4 实验分析

5.5 本章小结

第六章 永磁无刷直流电机起动/发电系统的设计与实现

6.1 系统硬件设计

6.2 系统硬件调试

6.3 系统软件设计

6.4 硬件电路及实验平台实物图

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文及参加科研项目