【摘要】：作為電動汽車的“心臟”,電機驅(qū)動技術(shù)在“十三五”新能源汽車創(chuàng)新鏈中占據(jù)重要地位,電機驅(qū)動控制器性能優(yōu)化、車用調(diào)速系統(tǒng)功率密度倍增、高可靠性車用電力電子變換器集成等關(guān)鍵技術(shù)攻堅是實現(xiàn)新能源汽車“彎道超車”,搶占國際競爭至高點的重要舉措之一。本文以車用IPMSM驅(qū)動系統(tǒng)為研究對象,在高功率密度、高效與寬域運行工況背景下,以系統(tǒng)級效率提升、全速域運行性能優(yōu)化與系統(tǒng)可靠性提高為主要目標,對車用逆變器的優(yōu)化PWM方法、IPMSM基速以下的MTPA控制、基速以上的優(yōu)化弱磁控制與驅(qū)動系統(tǒng)的共模電壓抑制四個方面展開了深入研究。針對現(xiàn)有優(yōu)化PWM無法適應于車用逆變器寬域工況下各控制目標優(yōu)先級多變的運行環(huán)境,提出一種基于滿意優(yōu)化算法的混合PWM。首先,根據(jù)逆變器開關(guān)損耗模型與IPMSM理想轉(zhuǎn)矩方程分別建立了以開關(guān)損耗和高頻電磁轉(zhuǎn)矩紋波為優(yōu)化目標的PWM有約束數(shù)學規(guī)劃模型,通過對伏秒平衡方程特解分量的在線規(guī)劃分別實現(xiàn)了開關(guān)損耗與高頻電磁轉(zhuǎn)矩紋波的全局最優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上,通過對兩個目標的全局最優(yōu)解的分析,揭示了不同優(yōu)化目標之間矛盾的本質(zhì)原因。引入滿意優(yōu)化算法,根據(jù)決策者偏好信息通過調(diào)整開關(guān)損耗系數(shù)界限可靈活地調(diào)整各控制目標的重要性,實現(xiàn)了寬域運行工況下的開關(guān)損耗與電磁轉(zhuǎn)矩紋波的滿意控制,并增加了PWM與整車控制器的交互能力,提升PWM智能性。針對基于模型的MTPA算法魯棒性較差的問題,提出了一種滑模極值搜索MTPA控制方法。分析了基于模型的MTPA控制精度受電機參數(shù)與轉(zhuǎn)子磁鏈定向角誤差的影響機理。分別設(shè)計了以定子電流矢量角與d軸電流作為搜索變量的滑模極值搜索策略。運用滑模控制理論,使得搜索量持續(xù)向極值點方向運行,當進入較小的極值搜索鄰域內(nèi)后,利用系統(tǒng)的自適應性使得搜索變量收斂于極值點。滑模極值搜索MTPA控制既不需要采用正弦函數(shù)激勵信號,也不需要采用濾波器來估測函數(shù)梯度。基于Lyapunov判據(jù)分析了滑模極值搜索MTPA控制的穩(wěn)定性,通過分析滑模面的形成與切換運動過程深入研究了所提算法的收斂速度與控制精度。為實現(xiàn)基速以上調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能改善與效率優(yōu)化,研究了車用IPMSM優(yōu)化弱磁控制。首先建立了電壓幅值調(diào)節(jié)弱磁控制器的小信號模型,指出電動工況下弱磁控制環(huán)為非最小相位系統(tǒng),通過根軌跡分析給出了控制參數(shù)設(shè)計方法。為改善弱磁控制動態(tài)性能,研究了優(yōu)化動態(tài)過調(diào)制策略,設(shè)計了逆變器過調(diào)制情況下的電流調(diào)節(jié)器的抗積分飽和策略,并結(jié)合車用IPMSM弱磁運行動態(tài)工況給出了d、q軸參考電壓的優(yōu)化計算方法。所提出的優(yōu)化動態(tài)過調(diào)制策略通過控制弱磁動態(tài)過程中反電動勢的運行方向以增加動態(tài)電壓可調(diào)范圍,提升了電流調(diào)節(jié)速度,有利于保證弱磁動態(tài)工況的平滑過渡。通過將電壓幅值調(diào)節(jié)弱磁控制器的參考電壓邊界擴展至過調(diào)制區(qū)域,增加了逆變器直流母線電壓利用率,實現(xiàn)了IPMSM的效率優(yōu)化弱磁控制。為減小車用逆變器供電固有的共模電壓以提升系統(tǒng)可靠性與使用壽命,深入研究了車用IPMSM驅(qū)動系統(tǒng)的共模電壓抑制策略。首先分析了車用IPMSM驅(qū)動系統(tǒng)的共模電壓效應,重點分析了逆變器共模電壓產(chǎn)生電機軸電壓與軸電流的機理。針對傳統(tǒng)共模電壓抑制PWM未充分利用新型開關(guān)序列下控制自由度的問題,提出了定子磁鏈紋波最優(yōu)與開關(guān)損耗最優(yōu)共模電壓抑制PWM,在共模電壓抑制的基礎(chǔ)上分別實現(xiàn)了定子磁鏈紋波與開關(guān)損耗的優(yōu)化。研究了一種因死區(qū)效應產(chǎn)生的共模電壓毛刺的通用抑制策略,通過特解分量與開關(guān)序列類型的在線優(yōu)化將共模電壓幅值真正限制在直流母線電壓的六分之一以內(nèi),從根源上減小IPMSM的軸電壓、軸電流與共模EMI。以上內(nèi)容的有效性與正確性均通過Matlab仿真進行了分析,并在50kW的IPMSM四象限對拖實驗平臺上進行了實驗驗證。
【圖文】：

1 緒論峰值效率能達到 93%-97%甚至更高，大于 90%的高效率區(qū)超對效率要求嚴苛，如何進一步提高峰值效率以及高效率區(qū)間是重關(guān)注的問題。另外，在寬域控制的要求下如何實現(xiàn)電機驅(qū)動性提升以及使用壽命的增加是新一代電機驅(qū)動總成亟待解決MSM 調(diào)速策略研究現(xiàn)狀同步電機調(diào)速策略主要分為三類，如圖 1-5 所示，即矢量控Control， FOC）、直接轉(zhuǎn)矩控制（DirectTorqueControl， DT（Model Predictive Control， MPC）。

5 車用 IPMSM 優(yōu)化弱磁控制5-6 中的 C3點。在此情況下，ud_diff等于 0，但 uq_diff較定值的方向。動態(tài)過調(diào)制策略.1 節(jié)的分析，過調(diào)制情況下逆變器實際輸出電壓與參電流環(huán)積分飽和引起的控制性能惡化問題，引入如圖（Anti-Windup）功能的電流控制器[251]，其中 PI 控制調(diào)制模塊根據(jù)轉(zhuǎn)子位置獲取的 d、q 軸電壓界限值，可
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM341
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本文編號：2598625