车用永磁同步电机SVPWM过调制控制策略研究

摘要

随着人们对于便捷出行的需求日益迫切，汽车工业在短短百年内取得了高速的发展和辉煌的成就，汽车开始走进千家万户。与此同时，随着汽车数量的不断增加，能源危机和环境污染逐渐成为社会普遍关注的焦点问题。为此，传统汽车生产企业正积极向新能源汽车方向发展，布局未来新的战略市场。永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine, PMSM)凭借着自身功率/转矩密度高、调速范围广、运行效率高的优势，在新能源汽车用驱动电机中得到了广泛应用。为获得较高的功率密度和输出转速，往往需要永磁同步电机具有优良的高速扩速能力。然而，受动力电池组的最大输出电压限制，永磁同步电机的转速无法无限提升。因此，使用弱磁控制技术和过调制技术，在有限直流母线电压条件下，提高电机的最高转速和电压利用率，是当前学术界和工业界研究的主流趋势。其中，弱磁控制技术通过注入弱磁电流，可有效降低反电势幅值。过调制技术能显著提升驱动系统对母线电压的利用率，增大定子输入电压的有效值。两大技术的协同运用对于车用电机的高速运行具有重要意义。本文对上述两大技术进行了深入研究，主要工作如下：　　(1)对永磁同步电机常规过调制控制策略进行深入的讨论。研究分析了两种应用较为广泛的过调制策略：双模式过调制和单模式过调制。双模式策略将非线性过调制区域按照调制系数(Modulation Index, MI)划分为两个区间：过调制Ⅰ区(0.906＜MI≤0.952)和过调制Ⅱ区(0.952＜MI≤1)。在过调制Ⅰ区内，只对电压的幅值进行修改，保证在初始过调制阶段有较低的谐波表现。在过调制Ⅱ区内，为了最大程度提升电压利用率，对电压的幅值和相位都进行了重新分配。在每个区间内，运用傅里叶级数展开技术分析输出电压，保证其有效基波大小与参考值相同。针对双模式过调制控制算法实施起来较为复杂的问题，本文又研究了一种无需对过调制区域进行划分的单模式过调制策略。这种策略只对参考电压的相位进行控制，不改变其幅值，能够实现从线性区到六阶拍区的连续过渡。　　(2)针对过调制算法给系统带来的谐波问题进行研究。首先，对常规单模式过调制策略下的输出电压谐波进行了分析，针对逆变器输出电压的基波幅值与参考电压不一致的问题，提出了考虑模型误差的电压补偿控制策略。随后，研究了过调制控制算法造成输出电流存在低次谐波的原因，并由此提出了一种电流谐波抑制方法。该方法将高频坐标变换和低通滤波技术相结合，实时估算和抑制回路中的电流谐波。最后，在一套永磁同步电机测试平台上得到了实验验证。　　(3)研究了过调制技术在弱磁控制领域的应用。首先，对矢量控制的MTPA、弱磁、MTPV三个控制区域进行了详细介绍。接着，研究了常规电压差值弱磁控制策略，这种方法利用dq轴电压矢量和与最大电压限制的比较来形成弱磁电压闭环反馈控制。为进一步提高弱磁控制的性能，本文设计了“过调制+弱磁”的混合控制策略。理论和实验分析表明所设计的控制算法能够在保持直流母线电压不变的情况下，提升输出电压有效值，拓展弱磁调速范围。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 永磁同步电机变频调速控制策略的发展

1.2.2 永磁同步电机过调制控制策略研究现状

1.3 论文主要内容和结构

第2章 永磁同步电机数学模型和 SVPWM 技术

2.1 永磁同步电机介绍

2.1.1 永磁同步电机结构概述

2.1.2 永磁同步电机基本数学模型

2.2 永磁同步电机矢量控制理论

2.2.1 坐标变换原理

2.2.2 dq 同步旋转坐标系下永磁同步电机解耦数学模型

2.3 SVPWM 技术

2.3.1 SVPWM 的基本原理

2.3.2 三相电压的空间矢量表示

2.3.3 SVPWM 算法的实现

2.3.4 SVPWM 相比常规 SPWM 的优势

2.4 电机实验平台介绍

2.4.1 实验平台硬件介绍

2.4.2 实验平台软件介绍

2.5 本章小结

第3章 永磁同步电机非线性区过调制控制策略

3.1 SVPWM 过调制介绍

3.1.1 逆变器线性区和非线性区域的划分

3.1.2 过调制控制策略的基本思想

3.2 双模式过调制控制策略

3.2.1 双模式过调制理论

3.2.2 双模式过调制仿真分析

3.3 单模式过调制控制策略

3.3.1 单模式过调制理论

3.3.2 单模式过调制实验分析

3.4 本章小结

第4章 过调制算法的谐波分析和抑制策略

4.1 考虑模型误差的过调制控制算法

4.1.1 输出电压分析

4.1.2 输出电压基波幅值补偿控制

4.1.3 考虑模型误差的过调制仿真分析

4.2 基于同步滤波器的过调制谐波抑制策略

4.2.1 电流谐波分析

4.2.2 基于同步滤波器的谐波抑制策略

4.2.3 基于同步滤波器的谐波抑制实验分析

4.3 本章小结

第5章 基于过调制算法的高性能弱磁控制

5.1 矢量控制的弱磁调速控制策略

5.1.1 MTPA 控制策略

5.1.2 弱磁控制策略

5.1.3 MTPV 策略

5.2 基于过调制的弱磁控制策略

5.2.1 过调制电压弱磁控制

5.2.2 基于过调制的电压差弱磁控制实验分析

5.3 本章小结

总结与展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间发表的学术论文

附录 B 仿真参数与实验平台

致 谢