混合动力汽车用永磁式行星齿轮电机控制系统研究

摘要

混合动力汽车(hybridelectricvehicles，简称HEVs)，在保持传统燃油汽车特点的同时，能有效提高燃油经济性、大大降低尾气排放，受到国内外学者的广泛关注和高度重视。在结构上，混合动力汽车中一般存在所谓的“混合动力合成系统”（也称机电动力耦合系统或混合动力总成系统），是一种用于将发动机和电机的两种动力源进行动力合成、分配以及能量传递的部件。混合动力合成系统作为混合动力汽车的关键核心部件之一，其性能的好坏直接影响着整车动力性能和燃油经济性，已成为衡量混合动力汽车性能优劣的重要标志之一。
　　 本文针对混合动力汽车的动力合成系统，提出了一种新型永磁式行星齿轮电机(Magnetic-planetary-gearedPMBLmachine，简称MPG-PMBL电机)。该电机通过引入非接触永磁齿轮传动理论，将高功率密度、模块化多相永磁无刷电机与高转矩密度的永磁齿轮直接集成在一起，形成了全新的无刷化、多机械端口电机，有效克服了双转子电机中内层电机功率等级受空间限制、存在集电环、电刷的不足。该电机通过采用永磁式行星齿轮，在继承机械式行星齿轮动力合成优点的同时，实现了非接触式的能量传输，有效降低了运行噪声和振动，具有效率高、可靠性高和过负载保护等优点。本文主要介绍了MPG-PMBL电机基本结构和工作原理，试制了原理样机，构建了基于DSP的MPG-PMBL电机驱动控制系统，并进行了初步实验验证。初步研究表明，该类电机通过永磁式行星齿轮，实现了非接触式能量传输，在满足混合动力汽车场合不同动力源合成的同时，具有转矩密度大，效率高，噪音低、可靠性高等优点，在混合动力汽车等多动力源合成场合具有一定的应用前景。
　　 论文的主要研究成果如下:
　　 1.提出了结构新颖的MPG-PMBL电机，并详细介绍了其工作原理和数学模型;
　　 2.基于Ansoft和Simplorer平台，构建了MPG-PMBL电机模型及其混合动力合成系统仿真模型，深入分析了MPG-PMBL电机的电磁特性，并对汽车运行于不同工况下机械功率流与电功率流之间的传输配比关系作了详尽的仿真分析;
　　 3.搭建了基于TMS320F28335DSP控制芯片的MPG-PMBL电机控制系统实验平台，设计了软件、硬件相结合的驱动及保护电路，并编写了软件控制程序，为实验验证奠定了基础;
　　 4.实验验证了MPG-PMBL电机的稳态及动态性能，并模拟验证了不同工况下，基于MPG-PMBL电机的混合动力合成系统电功率流与机械功率流的传输特性，为MPG-PMBL电机在混合动力领域应用的可能性提供了初步的实验基础和理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景

1．2 混合动力合成系统的研究现状及发展趋势

1．3 永磁式行星齿轮电机的提出

1．4 本文研究的主要内容

第二章 MPG-PMBL电机工作原理

2．1 MPG-PMBL电机基本结构

2．2 MPG-PMBL电机工作原理

2．3 MPG-PMBL电机数学模型

2．3．1 电枢绕组磁链方程

2．3．2 电枢绕组电压方程

2．3．3 电枢绕组转矩方程

2．3．4 外电机机械运动方程

2．3．5 永磁行星齿轮系机械运动方程

2．3．6 永磁行星齿轮系功率方程

2．4 本章小结

第三章 MPG-PMBL电机电磁特性及运行工况仿真分析

3．1 基于Ansoft的MPG-PMBL电机电磁特性分析

3．1．1 磁场分析

3．1．2 绕组磁链

3．1．3 绕组电感

3．1．4 空载反电势

3．1．5 定位力矩

3．1．6 矩角特性

3．2 基于Ansoft的MPG-PMBL电机不同运行工况仿真分析

3．2．1 纯电动起动与低速巡航过程

3．2．2 高速巡航过程

3．2．3 爬坡、重载与加速过程

3．2．4 下坡、减速与停车过程

3．3 本章小结

第四章 MPG-PMBL电机控制系统的硬件设计

4．1 MPG-PMBL电机控制系统的构成

4．2 TMS320F28335的结构与特点

4．3 主电路的设计

4．3．1 整流电路的设计

4．3．2 滤波电路的设计

4．3．3 功率变换电路的设计

4．4 IPM驱动电路的设计

4．5 电流信号检测及调理电路的设计

4．6 位置信号检测及调理电路的设计

4．7 过流信号检测与保护电路的设计

4．8 本章小结

第五章 MPG-PMBL电机控制系统的软件设计

5．1 MPG-PMBL电机控制系统软件框架

5．2 DSP中断源的使用

5．3 MPG-PMBL电机各模块的计算与控制

5．3．1 位置计算模块

5．3．2 速度计算模块

5．3．3 双闭环控制模块

5．4 本章小结

第六章 MPG-PMBL电机控制系统实验研究

6．1 MPG-PMBL样机结构与实验系统构成

6．2 MPG-PMBL样机安装与调试实验

6．2．1 霍尔位置传感器的安装与调试实验

6．2．2 永磁太阳齿轮减速比调试试验

6．2．3 永磁齿圈减速比调试试验

6．3 基于MPG-PMBL电机的混合动力系统实验研究

6．3．1 MPG-PMBL电机纯电动驱动实验研究

6．3．2 发动机单独驱动实验研究

6．3．3 混合动力驱动实验研究

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 展望

参考文献

致谢

在学期间参与的科研项目

在学期间主要学术成果