电动汽车用高密度永磁无刷电机控制系统研究

摘要

传统燃油汽车造成的能源短缺和环境污染日益成为全球性关注的焦点，发展采用新型清洁能源的无污染电动汽车成为各国研究的热点之一。电机及其控制系统是电动汽车的动力系统能量转换的主要执行部分，对电机及其控制系统的关键技术问题的研究具有很强的理论价值和现实意义。车用工况对电机及其控制系统具有高密度、轻量化、大出力、宽调速的要求。本文首先将永磁无刷电机的高密度特性归入转子永磁磁密、定子相反电动势以及定子电感等参数的非线性，运用永磁无刷电机的饱和集中参数数学模型分析电机性能，论证了该车用永磁无刷电机能够满足车辆动力性能要求。其次，根据永磁无刷电机中性点悬空的特点，引入电压开关函数概念，建立了方波电流控制的逆变器—永磁无刷电机系统数学模型，并推导出永磁无刷电机转矩脉动统一表达式。将系统中换相过程的相电流变化过程分为不同阶段，对于不同调制方式的转矩脉动进行了分析和比较，并得出适合车用工况的方波电流低脉动调制方法。同时，应用电压开关函数模型建立了逆变器—永磁无刷电机系统仿真模型，并对仿真结果与实验结果进行了对比分析。再次，针对永磁无刷电机采用传统的方波电流相位提前弱磁控制方法中存在转矩脉动大的缺点，本文从永磁电机的基本电磁关系出发，提出瞬时无功转矩理论。运用瞬时无功转矩理论，不需要进行复杂的矢量变换，只需根据电磁转矩指令和电机转速就可得到电流闭环控制的电流指令和相位提前角度，实现永磁无刷电机弱磁控制。同时，为进一步提高永磁无刷电机在高速工况下的性能，在不改变现有霍尔位置传感器的条件下，对运用霍尔位置信号实现永磁无刷电机的低速方波电流和高速正弦波电流的复合控制作了有益的探索和分析。本文最后一部分重点在于高密度电机控制器的本体设计的研究。从功率电路的结构设计、功率电路的参数设计、功率母线技术、电源的抗干扰技术以及散热系统设计等五个方面入手，提出了符合电磁兼容性要求和适合车辆空间优化布置的电机控制器的机、电、磁、热等多物理系统优化设计方法。关键词：永磁无刷电机，电机控制器，电压开关函数，瞬时无功转矩，多物理系统，电动汽车

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章概述

1.1课题背景和选题意义

1.2电动汽车的基本类型和发展概况

1.2.1电动汽车的基本类型及各自特点

1.2.2国外电动汽车的发展概况

1.2.3我国电动汽车的发展概况

1.3用于电动汽车的电机及其控制系统

1.3.1电动汽车对电机及其控制系统的要求

1.3.2电动汽车用驱动电机的类型及其各自特点

1.3.3永磁无刷电机作为电动汽车的驱动电机的优势

1.4永磁无刷电机及其控制技术的发展概况

1.4.1永磁无刷电机的本体技术

1.4.2永磁无刷电机的转矩脉动控制技术

1.4.3永磁无刷电机的弱磁控制技术

1.4.4永磁无刷电机的能量回馈制动控制技术

1.4.5永磁无刷电机控制系统应用于车用工况需解决的关键技术

1.5本文的主要内容和主要贡献

第2章 电动汽车用高密度永磁无刷电机性能分析

2.1电动汽车用永磁无刷电机的性能分析

2.1.1电动汽车对电机及其控制系统的性能要求

2.1.2电机及其控制系统的性能分析

2.2饱和参数高密度永磁无刷电机的数学模型

2.2.1高密度永磁无刷电机设计关键技术要求

2.2.2高密度永磁无刷电机有限元场路耦合法分析

2.2.3永磁无刷电机基于饱和参数的数学模型分析

2.3考虑参数饱和效应的永磁无刷电机性能分析

2.3.1永磁无刷电机定子电感饱和参数分析

2.3.2永磁无刷电机定子电流最佳控制方法

2.3.3永磁无刷电机基于饱和参数模型的最大能力评估

2.3.4永磁无刷电机最大能力预测结果与实测结果对比

2.4本章小结

第3章基于电压开关函数的永磁无刷电机转矩脉动分析

3.1基于电压开关函数的逆变器——永磁电机的数学模型

3.1.1逆变器——永磁无刷电机电路模型

3.1.2基于方波电流的逆变器——永磁电机的数学模型

3.1.3基于电压开关函数的永磁无刷电机数学模型

3.2基于电压开关函数的永磁无刷电机的转矩脉动分析

3.2.1基于电压开关函数的永磁无刷电机转矩脉动分析模型

3.2.2永磁无刷电机的不同调制方式比较

3.2.3不同调制方式的永磁无刷电机转矩脉动分析

3.3基于电压开关函数的逆变器——永磁无刷电机仿真模型

3.3.1基于开关函数的逆变器——永磁无刷电机集中参数仿真模型

3.3.2逆变器——永磁无刷电机集中参数模型的仿真结果分析

3.4本章小结

第4章基于瞬时无功转矩的永磁无刷电机弱磁控制

4.1永磁无刷电机弱磁控制原理

4.1.1永磁无刷电机的电枢反应

4.1.2永磁无刷电机矢量控制弱磁原理

4.1.3永磁无刷电机相位超前弱磁原理

4.2永磁无刷电机瞬时无功转矩弱磁理论分析

4.2.1永磁无刷电机的瞬时无功转矩理论

4.2.2基于瞬时无功转矩的电流控制理论

4.2.3基于瞬时无功转矩的永磁无刷电机弱磁控制算法

4.3基于瞬时无功转矩的永磁无刷电机方波电流弱磁控制实现

4.3.1方波电流相位提前实现弱磁控制实现方法

4.3.2基于方波电流的永磁无刷电机弱磁控制的系统

4.3.3永磁无刷电机方波电流弱磁控制实验结果与分析

4.4基于霍尔位置传感器实现永磁无刷电机复合控制的方案探索

4.4.1方波电流与正弦波电流的永磁无刷电机对比分析

4.4.2方波电流和正弦波电流控制永磁无刷电机的性能对比

4.4.3基于霍尔位置传感器的永磁无刷电机复合控制系统

4.5本章小结

第5章高密度电机控制器多物理系统设计

5.1电动汽车对电机控制器的约束条件和设计特点

5.2多物理域分析与系统集成优化设计理论

5.3车用高密度电机控制器的多物理系统设计

5.3.1高密度电机控制器的主电路原理与设计

5.3.2高密度电机控制器的总体优化设计

5.3.3电机控制器的主电路关键部件参数设计

5.3.4电机控制器的控制电源抗干扰技术研究

5.3.5电机控制器的散热系统参数设计

5.4本章小结

第6章总结与展望

致谢

参考文献

附录 永磁无刷电机的一般化数学模型

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果