低速电动汽车交流异步电机矢量控制系统研究及应用

摘要

近年来我国雾霾污染日益加重，造成污染的一个主要原因就是传统燃油汽车的尾气排放，纯电动汽车的发展将大大减轻这一污染情况。从我国目前的市场容量、技术水平看，速度在40-60km/h的低速电动汽车具有经济性能好、节能环保、使用成本低、充电方便等优势，是二、三线城市最经济、最环保、最易推广的交通工具，是我国实现绿色交通的战略选择。
　　电机驱动控制系统是保证电动汽车正常运行的关键部件，其控制性能影响着电动汽车的动力和续行里程。目前使用在低速电动汽车上的电机主要包括：无刷直流电机(BLDC)、永磁同步电机(PMSM)和交流异步电机(ACIM)，BLDC通常采用六步换向法进行控制，虽然控制算法相对简单，但是与其他两种电机相比运转效率较低、转矩脉动较大。PMSM由于反电势为正弦波通常采用矢量控制方式，其转矩脉动小、运转效率高且调速性能良好，但其制造成本偏高，且反电势的存在使其可靠性也有所降低。ACIM同样采用矢量控制，虽然效率相比PMSM较低，但其调速性能好、可靠性高且成本低。考虑到低速电动汽车的成本及应用场景，本文选取ACIM作为研究对象。首先分析了ACIM的基本工作原理并建立了数学模型。在此基础上分析了ACIM的矢量控制原理，然后深入分析了矢量控制中电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的原理，针对传统SVPWM在实际应用中由于死区时间影响引起的电流畸变，提出了一种基于时间的死区补偿方法，该方法有效的减小了电流畸变、运行噪声和转矩脉动。接下来针对低速电动汽车速度传感器易损坏且维修困难的问题，提出了一种基于自适应滑模速度观测器的无传感器控制算法，消除了滑模观测器高频速度抖动现象，同时通过MATLAB/Simulink对该方法建立了仿真模型，仿真结果表明该方法具有良好的电流和转速追随性。
　　在完成理论分析的基础上，采用恩智浦(NXP)公司的KV58F1M0VLQ22作为主控芯片设计了最小系统，该芯片具有DSP及FPU单元因此运算速度很快，为复杂控制算法的实现提供了可靠的硬件基础。在最小系统的基础上，针对低速电动汽车5KW交流异步电机的应用需求，进行了软硬件系统的整体设计。
　　最后将所选电机和设计的控制器与实验平台进行匹配组装实验，由波形和实际测试数据分析可以看出，本文所设计的控制器满足低速电动汽车的应用需求，且车辆可以在传感器损坏的状态下继续运行。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2低速电动汽车电机驱动系统的关键技术

1.3 本文的研究内容

第二章 交流异步电机数学模型及矢量控制原理

2.1交流异步电机的结构

2.2交流异步电机矢量控制的基本原理

2.3交流异步电机矢量控制的坐标变换

2.4交流异步电机的数学模型

2.6本章小结

第三章 SVPWM矢量控制及死区补偿的研究

3.1 SVPWM控制的分析与实现

3.2 SVPMW死区补偿的研究与设计

3.3 SVPMW仿真模型建立及分析

3.4 本章小结

第四章 自适应滑模观测器无传感器控制算法的研究

4.1 交流异步电机速度观测器模型

4.2滑模观测器稳定性分析

4.3仿真平台搭建及结果

4.4 本章小结

第五章 实验平台软硬件设计及实现

5.1 硬件系统分析

5.2 控制器顶层最小系统板硬件构件化设计

5.3 控制器中间层控制板硬件构件化设计

5.4 控制器底层功率板硬件构件化设计

5.5 软件系统分析

5.6 底层驱动构件化设计

5.7主程序的设计与实现

5.8 PWM中断服务程序设计

5.9 本章小结

第六章 实验结果及分析

6.1 交流异步电机矢量控制系统试验平台介绍

6.2 试验结果与分析

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

攻读硕士期间主要研究成果

致谢