电动汽车电机驱动系统容错控制策略的研究与实现

摘要

随着全球石油危机的不断加深和日益严重的环境污染，世界各国开始认识到节能和减排是未来汽车技术发展的主要方向，而电动汽车的发展可以有效的解决这两个问题。因此世界上主要的汽车生产国都开始加大电动汽车的研发力度，以使电动汽车能尽快地被推广普及。
　　 在电动汽车中，交流电机驱动系统是其核心的组成部分，因此交流电机驱动系统的可靠性直接影响到电动汽车能否安全运行。交流电机驱动系统通常由电机、逆变器、传感器和控制器组成。在实际应用中，恶劣的工作环境，机械疲劳等因素，使得交流电机驱动系统的每个环节都有可能出现故障，从而影响到整个系统的正常工作，甚至导致系统瘫痪。其中，逆变器部分的电力电子器件及其驱动电路相对于其他环节的故障发生率较高，其可靠性问题没有得到有效解决。目前多采用功率变换器的冗余设计来提高系统的容错能力，这种方法虽然可以在故障容错后不影响系统性能，但是备用的电力电子开关器件在大部分情况下不参与运行，造成了浪费。
　　 本课题针对电动汽车交流电机驱动系统中的逆变器和电机统筹考虑，提出一套简单有效且成本低廉的故障容错方法。具体工作内容如下:
　　 本文首先介绍了电动汽车的发展背景和概况，并对现有的交流电机驱动系统的故障检测、隔离和容错控制方法作了简单的介绍，分析了这几种方法的优缺点。
　　 接下来阐述了本课题的研究目标，并基于故障前后电机气隙磁动势平衡的原理推导出容错控制算法。在异步电机中，由于气隙不均匀和绕组的分布方式不同会在气隙磁场中产生空间谐波，而电力半导体换流元件的开关状态会在其输出的电压电流中叠加时间谐波。空间谐波和时间谐波都会影响到容错控制算法的推导结果，因此本文对这两种谐波作了详细的分析。然后利用异步电机的数学模型，在simulink中搭建了一个可接入三相四线制驱动系统的电机模型。并利用该模型对推导出的容错控制算法进行了仿真验证。
　　 最后本文设计并完成了电机驱动系统容错控制实验平台的搭建。以DSPTMS320F28335为控制芯片，四方变频器为电机驱动模块，对一台宁波象山大通电机厂生产的YVP100L2-4、3kW、50Hz、7.5A的三相异步电机作了容错控制的实验验证。在正常运行、故障运行及故障后容错运行三种状态下进行了实验结果分析，结果证明该容错控制算法可以使三相异步电机在故障后继续稳定运行。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 电机驱动系统容错控制的发展现状和文献综述

1．2．1 逆变器故障类型

1．2．2 逆变器故障诊断技术的研究现状

1．2．3 逆变器故障隔离技术的研究现状

1．2．4 逆变器容错控制策略的发展现状

1．3 本文主要研究的问题

1．4 本文结构

第2章 故障容错的基本原理

2．1 气隙磁场谐波问题

2．1．1 空间谐波

2．1．2 时间谐波

2．2 容错控制策略的基本原理

2．2．1 定子电流建立的磁动势

2．2．2 容错控制算法推导

2．3 本章小结

第3章 异步电机数学模型及仿真分析

3．1 异步电机数学模型

3．2 仿真分析

3．2．1 正常运行

3．2．2 故障运行

3．2．3 故障后容错运行

3．3 本章小结

第4章 实验平台搭建

4．1 系统框图与硬件设计

4．1．1 变频器模块

4．1．2 电机及采样模块

4．1．3 DSP控制模块

4．2 控制器软件设计

4．2．1 PWM波形发生方式

4．2．2 具有饱和环节的PI控制

4．3 电机容错控制系统整机的调试

4．3．1 硬件电路调试

4．3．2 软件调试

4．3．3 整机实验

4．4 本章小结

第5章 实验及实验结果分析

5．1 实验过程及结果分析

5．1．1 正常运行

5．1．2 断开C相后故障运行

5．1．3 故障后容错运行

5．2 本章小结

第6章 结论与展望

附录

参考文献

致谢