基于磁链图辨识的内置式永磁同步电机MTPA控制策略研究

摘要

传统燃油汽车在城市运行中具有较严重的尾气排放问题，不但对空气具有较大的污染，还会带来城市热岛效应。同时，燃油汽车对于日益枯竭的石油资源也具有较大的依赖性。因此，世界各国正在大力发展零排放、不依赖石化燃料的电动汽车。在现有牵引驱动电机方案中，内置式永磁同步电机(Interior permanent magnet synchronous machine, IPMSM)因其高功率密度、高效率、小体积等优点被广泛应用于电动汽车上。该类电机在低速区域最常用的驱动控制算法为最大转矩电流比(Maximum torque per ampere, MTPA)控制，其不仅能充分利用IPMSM的磁阻转矩、获得最大输出转矩-电流比，还能对系统铜耗进行最小化。传统基于电机参数的MTPA控制方法原理简单且易于工程化实现，但其控制性能较依赖电机参数模型的精确程度。针对该问题，本文分别对基于离线和在线参数辨识方法的MTPA控制策略进行了深入研究，主要研究内容和成果如下：　　(1)离线参数辨识方法：为获取精确的电机参数，本文首先研究了PMSM离线参数辨识方法。其中，永磁磁链值通过空载反电势法进行测量，然后再利用正弦信号注入法来辨识交直轴电感。这两种方法原理简单、较易实现且测量精度较高，但都忽略了电机在运行过程中由于转速、温度变化等原因引起的电机参数变化。因此，需要使用在线参数辨识方法来辅助提高电机参数模型的精度，进而提高电机控制效率。　　(2)基于磁链图模型的在线参数辨识方法：针对离线参数辨识方法的不足，本文研究了基于磁链图模型的在线参数辨识方法。传统在线参数辨识方法无法同时辨识电机所有参数，而采用分步或逐个参数在线辨识的解决方案都会导致辨识结果不准确或辨识误差累积。因此，本文采用直接辨识dq轴磁链的方法实现在线参数辨识。该方法基于简单的电机磁链方程组模型，不需考虑各参数之间的相互影响，能够得到较准确的电机磁链图模型，进而可用于改善电机控制性能。最后，将实验结果与有限元分析结果进行对比分析，验证了该算法的有效性。　　(3)MTPA控制策略：为充分利用IPMSM的磁阻转矩，本文研究和推导了依赖电机参数的MTPA控制策略的数学模型，并分析了电机参数变化原因及其对输出转矩的影响。为补偿该影响，本文进一步研究了基于参数辨识法的MTPA控制策略，包括离线参数辨识和基于磁链图模型的在线参数辨识法。最后，通过搭建仿真证明“磁链图辨识法+MTPA”的控制策略相比于传统MTPA控制策略具有更好的转矩输出能力。　　综上所述，本文对依赖电机参数的MTPA控制策略进行了详细的理论分析，并指出这种控制策略需要解决的核心问题，同时给出了相应的解决方案。最后，对所提参数辨识方案和MTPA控制策略的有效性在IPMSM实验平台上进行了验证。本文所研究的控制策略可充分利用IPMSM的磁阻转矩，具有重要的理论意义和工程价值。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 PMSM 控制策略的发展

1.2.2 MTPA 控制策略研究现状

1.2.3 PMSM 参数辨识方法研究现状

1.3 本论文的主要工作及章节安排

第 2 章 PMSM 矢量控制的数学模型及实验平台介绍

2.1 PMSM 工作原理及其数学模型

2.1.1 PMSM 结构和工作原理

2.1.2 静止坐标系和旋转坐标系变换

2.1.3 PMSM 状态方程

2.2 PMSM 矢量控制策略

2.2.1 电压极限椭圆和电流极限圆

2.2.2 id=0 控制

2.2.3 MTPA 控制

2.2.4 弱磁控制

2.2.5 MTPV 控制

2.3 PMSM 矢量控制平台介绍

2.3.1 PMSM 矢量控制硬件系统介绍

2.3.2 PMSM 矢量控制软件模块介绍

2.4 本章小结

第 3 章 基于离线参数辨识的 MTPA 控制策略

3.1 基于参数辨识法的 MTPA 控制策略

3.1.1 基于电机参数的 MTPA 控制策略

3.1.2 电机参数对 MTPA 控制策略的影响分析

3.2 离线参数辨识法

3.2.1 反电势法计算永磁磁链

3.2.2 dq 轴电感离线辨识法

3.3 基于电机参数的 MTPA 控制策略仿真分析

3.3.1 仿真模型搭建

3.3.2 仿真结果分析

3.4 基于电机参数的 MTPA 控制策略实验分析

3.5 本章小结

第 4 章 基于 PMSM 磁链图模型的在线参数辨识法

4.1 PMSM 磁链模型和磁链计算

4.2 PMSM 磁链图辨识结果

4.2.1 实验设计和数据处理

4.2.2 dq 轴磁链图的有限元分析结果

4.2.3 PMSM 磁链图辨识的实验结果

4.3 本章小结

第 5 章 基于磁链图辨识的 MTPA 控制策略

5.1 基于磁链图辨识的 MTPA 控制策略基本原理

5.2 基于参数辨识的 MTPA 控制策略仿真分析

5.2.1 基于曲面拟合技术的磁链图建模

5.2.2 仿真分析

5.3 本章小结

总结与展望

参考文献

附录 A 论文所用电机参数表

致 谢