电动汽车无刷直流电机驱动用双向准Z源逆变器的研究

摘要

目前全球环境污染日益严重，化石能源逐渐枯竭，传统燃油汽车的应用越来越受到限制。纯电动汽车以其能源洁净，尾气零排放和运行低噪声等优点成为目前汽车产业升级转型的重要研究对象。各类电机中无刷直流电机（BLDCM）以其价格低廉，控制方便，运行成本低和出力大等特点，很适合现阶段低成本微型电动汽车的动力实现。然而，驱动方式单一、功能简单的降压型传统无刷直流电机控制器无法满足电动汽车复杂多样的行驶工况，在爬坡，加速和基速以上运行等工况下，较低的蓄电池端口电压制约了电机转速转矩性能的提升，导致电动汽车行驶工况受限。Z源逆变器作为一种单级结构的、具有独特升降压功能的高效率新型功率变换器，成为目前纯电动汽车驱动用功率变换器的主要研究对象之一。本文以准 Z源逆变器为基础，分别研究无刷直流电机的方波控制系统和正弦波控制系统，并在此基础之上实现四种工作模式的灵活平滑切换，有效拓宽电动汽车的适用行驶工况。
　　首先，本文剖析了准 Z源逆变器的工作状态和运行机理以及无刷直流电机常用的控制方法。鉴于准 Z源逆变器能量单向流动、制动能量无法回馈电源的缺点，本文构建一种能量可双向化流动的准 Z源逆变器，使其更适合电动汽车功率变换器的应用。
　　然后，通过对无刷直流电机传统方波和传统正弦波驱动方式的分析，本文提出双向准Z源方波和双向准Z源正弦波控制系统，通过对这两种控制方式的灵活切换，使无刷直流电机控制系统具有四种工作模式和六种工作状态。根据四种工作模式的优缺点及各自适应的运行工况，提出在合适的行驶工况切换到合适的工作模式，提高电动汽车行驶性能，拓宽适用行驶工况。分别分析两种驱动方式的工作原理以及工作状态，并根据各自的工作特点，分别给出方波驱动和正弦波驱动时准 Z源网络参数的设计方法以及升压所需的直通量插入方法。针对正弦波驱动，本文还给出了电机转子角度的估算方法。通过理论分析和仿真实验，验证了采用双向准Z源逆变器驱动无刷直流电机的可行性、优越性和可靠性。
　　最后，本文搭建了双向准Z源逆变器驱动的无刷直流电机小功率实验样机，结合电动汽车实际应用需求，在该实验平台上分别对准Z源方波和准Z源正弦波驱动系统实验研究，初步实现了不同工况下工作模式的灵活切换，拓宽了电动汽车可行驶工况范围。实验结果证明了本文的双向准 Z源无刷直流电机控制系统在微型电动汽车领域应用的可行性、有效性、可靠性和准确性。

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第一章 绪论

1.1课题的背景和意义

1.2 Z源逆变器的工作原理

1.3国内外发展现状与趋势

1.4 本文主要研究内容

第二章 基于双向准Z源逆变器的无刷直流电机驱动

2.1 双向准Z源逆变器

2.2 无刷直流电机

2.3 双向准Z源逆变器用于无刷直流电机的驱动

2.4 本章小结

第三章 双向准Z源方波控制系统的研究

3.1 工作原理

3.2 方波驱动下准Z源网络参数的计算

3.3 双向准Z源方波控制系统及其仿真

3.4 本章小结

第四章 双向准Z源正弦波控制系统的研究

4.1 工作原理

4.2正弦波驱动下准Z源网络参数的计算

4.3无刷直流电机转速计算与转子位置角的细化

4.4正弦波控制系统及其仿真

4.5 本章小结

第五章 双向准Z源控制系统的实验研究

5.1 双向准Z源实验系统结构

5.2 实验系统硬件电路设计

5.3系统软件设计

5.4 实验验证

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 成果总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文