关键词：纯电动汽车;;永磁同步电机;;无位置传感器;;脉振高频电流注入法;;模型参考自适应;;复合观测器
摘 要：近年来,物联网和智能化的普及,为汽车行业注入了新的活力。汽车行业正处于大变革时代,汽车电动化是汽车智能化的基础,也是减缓大气污染的有效措施。大力发展电动汽车既符合国家战略,也顺应汽车行业转型升级趋势。纯电动汽车用驱动电机作为纯电动汽车的动力源,是纯电动汽车的心脏。永磁同步电机因其具有结构简单、功率密度高和高效率区域广等优点,成为纯电动汽车用驱动电机的主流选择。车用驱动永磁电机的高动态性能和高效控制关乎到纯电动汽车的续驶里程、动力性和安全性等,而准确获得转子位置角度至关重要。对于纯电动汽车用永磁同步电机,一般安装旋转变压器获得电机的转子位置角度和转速。汽车用驱动电机使用环境恶劣,机械式传感器有如下缺点:增加系统成本,电机轴向尺寸大,系统可靠性降低等。因此无位置传感器控制技术成为了研究热点。本文以纯电动汽车用永磁同步电机无位置传感器控制展开研究。本文首先对纯电动汽车的驱动系统进行了概述,分析了纯电动汽车的优势,比较了几种常见的纯电动汽车驱动系统形式,对纯电动汽车驱动电机进行了调研和选型。重点综述了低速、零速和中、高速永磁同步电机无位置传感器控制研究现状。为实现永磁同步电机矢量控制,详细阐述了SVPWM的基本原理,并对逆变器SVPWM算法进行了细致的分析和建模仿真;建立了静止三相坐标系和同步坐标系中永磁同步电机的数学模型,对矢量控制原理进行了深入的分析,比较了几种矢量变换矩阵及其变形;根据纯电动汽车对动力性和效率的需求,采用最大转矩电流比(MTPA)分配交直轴电流;对电流调节器和转速调节器的参数进行了整定,最后搭建了矢量控制系统仿真模型。针对基于永磁电机基波模型无位置传感器控制方法在低速或零速时精度较差,甚至失效等问题,采用脉振高频电流注入法予以解决。论述了各种无位置传感器控制方法的优缺点;分析了脉振高频电流注入法的基本原理,设计改造了电流调节器和位置跟踪观测器;分析推导了基于永磁体磁链非线性饱和特性的脉振高频电流注入法下的电压响应,设计了转子位置初次估计系统并深入分析了其收敛性;利用转子永磁体的饱和特性对转子极性进行判断;搭建了算法仿真模型,验证了算法的可行性和有效性。针对基于脉振高频电流注入法的无位置传感器控制方法在中、高速时估计精度下降,动态性能较差等问题,而此时电机反电势较大,基于基波模型的无位置传感器控制方法估计精度和动态性较好,因此采用基于模型参考自适应原理的无位置传感器控制方法予以解决。分析比较了基于模型的无位置传感器控制方法的特点;阐述了模型参考自适应系统的基本原理和系统稳定性判定方法;推导了参考模型和可调模型并构建了非线性反馈系统;构建了合适的自适应率并利用Popov超稳定性理论对非线性反馈系统进行了稳定性分析;设计了加权滞环切换复合观测器以实现永磁同步电机全速度范围内的无位置传感器控制;搭建了算法仿真模型,并进行仿真验证。搭建电机实验台架,分别对本文的永磁同步电机无位置传感器控制方法和加权滞环切换复合观测器的理论分析和仿真研究进行实验验证。
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