用于电动车的先进驱动控制系统的研究

摘要

本研究的重点在于电动车驱动控制系统中的核心——电机驱动控制器关键技术的研究。 电动车驱动系统由牵引电动机、控制系统(包括电动机驱动器、控制器及各种传感器)、机械减速及传动装置、车轮等构成。控制系统通过接收加速踏板(相当于燃油车的油门)、刹车、停车、前进、倒车、空挡和转向盘的输出信号，经过信号处理，输入到电动机驱动器，以控制功率电路的功率输出量，实现对电动机转速和转矩的控制，驱动车轮。 对于驱动调速系统采取的控制策略而言，本研究采用的直接转矩控制不同于著名的矢量控制方法，即它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量进行控制，其控制方式是，通过转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值作滞环比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器控制。因此，其控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。它的控制既直接又简单。然而不足之处是存在转矩脉动，在低速情况下尤为明显，但是此时若能提高开关频率，则可以降低转矩的低频锯齿波分量，从而改善转速的低频脉动状况。然而，逆变器开关频率的限制因此成为进一步提高直接转矩控制系统调速精度的重要不利因素。 在本研究中，重点对直接转矩控制方法中转矩容差和磁链容差对逆变器开关频率的影响，以及在软开关技术下的直接转矩控制算法的实现等问题进行了分析和讨论。 软开关技术的基本思想是在原有的硬开关电路中增加辅助的电感和电容元件，利用其谐振过程，使开通时电压的下降先于电流的上升(零电压开通)，或关断时电流的下降先于电压的上升(零电流关断)，以消除电压和电流的重叠，从而消除了硬开关条件下的许多缺陷。与PWM硬开关电路相反，在谐振软开关电路中，功率器件在零电压(ZVS)或零电流(ZCS)条件下切换，理论上开关损耗为零。因此，与硬开关电路相比，在采用同一类型功率器件条件下，谐振软开关电路可以很轻松地在高于一个或几个数量级的开关频率下工作。 在本研究中，主要从技术工程化的角度详细地分析了大功率谐振过渡软开关技术变频器的实现过程和设计方法，同时，对软开关技术变频器的工作效率进行了详细的分析，最后还对作者曾经提出的一种直流母线零电压过渡三相逆变器中的中点电压不平衡问题及解决方法进行了详细的讨论。 上世纪80年代初当Wanlass电机提出来的时候，宣称能够消减电机运行过程中的谐波磁势从而提高效率，并使功率因数有极大的提高。但后经理论分析和实验验证表明，其对谐波磁势的抑制效果并没有多大的作用，而功率因数也只有一定的提高。直到上世纪末，重庆大学的扬炳中教授提出了对Wanlass电机的改进模式，即本研究中所采用的新型三相电容式电机。该电机的主要特点有：通过选择合适的相绕组，使电机的效率有所提高；串接最优电容后，可使电机的功率因素在额定负载时达到1；启动时串接不同的电容器，可改变电机的启动转矩值。新型三相电容式电机与普通异步电机相比，在转矩特性、功率因数等方面具有了一定的优越性。而恰恰是这些优越的特性使得该新型三相电容式电机将可能在电动汽车、矿井提升机、油井抽油机等驱动系统中得以广泛的应用，同时也凸现了该电机在变频调速系统下的运行特性的研究。 在本研究中，就是基于这个方面的考虑，对该新型三相电容式电机在变频调速系统下的相关特性进行了深入的分析研究和实验验证。

目录

文摘

英文文摘

第一章研究背景及意义

1.1关于电动汽车的研究

1.2关于电动汽车驱动系统的研究

1.2.1电动车辆驱动方式的比较

1.2.2电动汽车的驱动控制技术概述

1.3本报告的主要研究内容

1.3.1关键技术

1.3.2主要研究内容

第二章直接转矩控制关键技术-开关频率软开关解决方案

2.1关于异步感应电机直接转矩控制技术

2.2直接转矩控制(DTC)的基本思想

2.3异步电动机直接转矩控制(DTC)系统的基本组成

2.4直接转矩控制(DTC)系统中转矩调节和磁链调节

2.4.1转矩两点式调节器(棒—棒控制器)

2.4.2磁链两点式调节器(棒—棒控制器)

2.5 DTC中基于滞环容差的逆变器开关频率的分析和估计

2.5.1直接转矩控制算法中的磁链和转矩表达

2.5.2转矩和开关频率的关系

2.5.3磁链和开关频率的关系

2.5.4总谐波畸变系数(THD)和开关频率的关系

2.6 DC-Rail ZVT逆变器中异步电机直接转矩控制研究

2.6.1异步电机的直接转矩控制算法的优化实现

2.6.2空间电压矢量对磁链和转矩的调节作用和定子磁链区间判断

2.6.3 DC-Rail ZVT逆变器构成及工作原理

2.6.4 DC-Rail ZVT逆变器中异步电机直接转矩控制系统构成

2.6.5仿真研究

第三章以软开关技术逆变器为核心的关键技术工程化研究

3.1大功率谐振过渡软开关技术变频器研究

3.1.1大功率变频器的特点、研究热点及研究目标

3.1.2降低功率器件开关损耗的途径

3.1.3大功率谐振极零电压过渡变频器主电路的选择及设计

3.1.4开关功率器件驱动电路的设计

3.1.5谐振环节辅助开关的控制原理

3.1.6谐振极零电压过渡软开关技术变频器的控制器设计

3.2软开关技术三相PWM逆变器及效率的分析研究

3.2.1软开关技术逆变器的工作原理

3.2.2三相逆变器的功率损耗分析

3.2.3逆变器效率分析的实验验证

3.3直流母线零电压过渡软开关逆变器中点电压不平衡问题研究

3.3.1轻载时中点电压不平衡问题的提出

3.3.2轻载时中点电压不平衡问题的原理分析

3.3.3中点电压漂移对软开关电路的影响

3.3.4关于中点电压漂移问题相关研究结论的实验验证

第四章新型三相电容式电机在变频调速系统下的性能研究

4.1新型三相电容式电机谐波消除原理分析

4.2新型三相电容式电机在变频调速系统下性能的实验分析

4.3结论

第五章全文总结及研究展望

5.1全文总结

5.2研究展望

参考文献

致谢

博士期间发表的学术论文清单

博士后期间发表的学术论文清单

博士后期间承担的研究项目

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