电动汽车IPMSM驱动系统的弱磁控制

摘要

随着汽车电气化过程的不断推进，世界各国政府和知名汽车企业对电动汽车的研发投入持续增加。伴随人们对内燃机汽车尾气污染排放以及由此引起的雾霾天气的关注加大，具有环境友好型的纯电动汽车将会在未来汽车销售市场占有重要的一席之地。IPMSM因其高功率密度及优良的弱磁扩速特性，已成为纯电动汽车首选驱动电机，但是IPMSM驱动系统在弱磁运行时出现的PI调节器饱和失调故障，迫切需要开展IPMSM系统高效安全的弱磁控制策略研究，对于实现电动汽车的安全可靠运行具有重要的意义。　　考虑实际车用IPMSM驱动电机的宽调速运行和电流工况大范围变化特点，首先基于有限元分析获得计及磁路饱和及交叉饱和影响的IPMSM在同步旋转d-q坐标系下的数学模型，并给出矢量控制的IPMSM系统在恒转矩控制模式和弱磁控制模式下的定子电流指令表达式。　　针对车载电驱动系统逆变器直流侧电压有限，传统的双电流闭环IPMSM系统存在电流PI调节器在弱磁运行时极易出现的饱和失调技术不足，鉴于IPMSM本身所固有的直、交轴电流相互耦合特性，提出了自适应负载运行工况的基于单直轴电流PI调节的IPMSM弱磁控制方案，旨在实现IPMSM在弱磁区的高效稳健运行。　　为了克服单直轴电流PI调节的IPMSM弱磁控制方案依赖于电机参数的不足，根据逆变器输出电压矢量在弱磁区只有一个控制自由度的特点，在详细分析电压矢量相位角和IPMSM电磁转矩内在关系的基础上后，提出基于电压矢量相位角的IPMSM弱磁控制方案。考虑到实际控制系统存在数字离散延时，加剧了IPMSM高速运行时直、交轴耦合效应，给出了相应的容错离散延时的补偿措施，确保建议的弱磁控制方案顺利实施。最后，根据IPMSM运行于弱磁区时电压矢量相位角和电磁转矩单调递增关系设计PI转矩控制器，实现基于电压矢量相位角的IPMSM在弱磁区安全可靠地高效运行。

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 新能源汽车车用驱动电机特征

1．3 新能源汽车车用驱动电机类型及性能指标

1．4 车用驱动电机弱磁控制研究现状

1．4 论文主要研究内容

第二章 IPMSM电驱动系统数学建模

2．1 考虑磁路饱和后的IPMSM数学建模

2．2 IPMSM定子电流和定子电压约束条件

2．3 IPMSM宽调速运行时定子电流指令获取

2．3．1 IPMSM恒转矩区运行时的定子电流指令获取

2．3．2 IPMSM弱磁运行时的定子电流指令获取

2．4 本章小结

第三章 基于单直轴电流PI调节器的IPMSM弱磁控制

3．1 IPMSM电驱动系统弱磁区PI调节器饱和失调的本质分析

3．2 基于单直轴电流PI调节器的IPMSM弱磁控制

3．2．1 直、交轴电流PI调节器工作分析

3．2．2 直、交轴电流交叉耦合现象及其应用

3．3 单直轴电流PI调节器方案

3．4 IPMSM弱磁运行时的最优交轴电压指令获取

3．4．1 IPMSM驱动系统定子电流指令的离线计算

3．4．2 IPMSM驱动系统定子电流指令在线计算

3．4．3 IPMSM驱动系统定子最优交轴电压指令计算流程

3．5 具有容错PI调节器饱和失调故障的IPMSM驱动系统

3．5．1 具有容错PI调节器饱和失调故障的IPMSM驱动系统架构

3．5．2 具有容错PI调节器饱和故障的IPMSM驱动系统仿真测试

3．6 本章小结

第四章 电压矢量相位角IPMSM驱动系统弱磁控制

4．1 问题提出

4．2 电压矢量相位角控制基本思想

4．3 基于电压矢量相位角控制的IPMSM弱磁运行特性分析

4．4 IPMSM驱动系统弱磁区转矩控制器设计

4．5 离散数字IPMSM系统延时故障及容错控制

4．5．1 高速运行时IPMSM系统延时

4．5．2 IPMSM驱动系统延时故障根源及其容错控制

4．5．3 计及延时故障的IPMSM系统建模及仿真分析

4．6 IPMSM系统转矩估计

4．7 宽调速范围运行的IPMSM驱动系统及系统性能测试

4．7．1 IPMSM驱动系统架构

4．7．2 IPMSM驱动系统性能测试

4．8 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及专利成果