车用整合起动发电系统控制研究

论文摘要

基于石油危机和环境污染的压力,使得具有低排放,低能耗,能量优化等优点的混合动力汽车称为目前的主流发展方向,简化控制系统、能量再生利用等是未来混合动力汽车及其ISA技术研究的发展趋势,本文对ISA系统控制策略进行基础性控制研究。首先针对ISA系统体积空间有限和成本较高的问题,提出了一种简化的ISA系统结构。该系统只采用一台较低额定转速的内嵌式永磁同步电机和一套变流器,与采用多台电机和多台变流器的ISA系统相比,节约了成本和减小了系统体积空间,但是需要在控制算法上进行相应的优化。另外研究和分析了几种电机参数测试的方法,提出了一种较为简单的电机参数的测量方法,通过结合实验室现有条件,测定得到了ISA系统中电机的参数,准确的参数测定保证了ISA系统的成功运行。其次为了解决电机起动和发电时受车载蓄电池电压与电机电流限制的问题,在ISA系统基础上分析了系统结构和建立了永磁同步电机数学模型,采用了特殊设计的低压内嵌式永磁同步电机和基于电机电流轨迹的控制策略,并分析了电流解耦控制和进行电流轨迹标幺化,极大简化了电流控制模型。在额定转速以下利用最小的电流产生了最大的电机输出转矩,在额定转速以上采用了弱磁控制,其中在恰当速度时使得电机保持最大功率输出,最大限度地利用了电机电流和蓄电池所能提供的电压,为汽车引擎提供了变流器所能提供的最大能量,保证了低速时电机的大转矩起动。当电机在较为高速时转为发电状态,采用了弱磁发电控制,避免了电机端电压和电流的升高以至于超过极限值,在汽车正常工作时将能量回馈给了蓄电池和车载电子设备。针对编码器易出现故障的问题,提出了基于磁链观测的转子位置观测器方案,估算出了电机转子位置,其误差较小,省去了编码器安装和维修,节约了成本和提高了系统可靠性。最后针对普通ISA系统发电功率因素不高和多级降压整流的问题,对AC-DC矩阵变换器用于ISA系统的可行性进行了研究,分析了其数学模型和安全换流方案,提出了相应的控制策略,验证了其可行性,并实现了功率因素为1和直接降压整流,省去了DC-DC降压环节。本文利用高速电机模拟汽车引擎,在实验室的对拖平台上验证了本文所有理论的正确性、可行性和准确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外混合动力汽车的研究现状
• 1.3 混合动力汽车ISA系统的国内外研究现状
• 1.4 混合动力汽车ISA系统母线电压
• 1.5 混合动力系统结构简述
• 1.6 混合动力汽车及其ISA技术的发展趋势
• 1.7 本文主要研究内容
• 第2章 ISA中IPMSM的数学模型与其参数测定
• 2.1 引言
• 2.2 永磁同步电机的数学模型
• 2.3 凸极永磁同步电机参数测量
• 2.3.1 直接负载法测定IPMSM电感
• 2.3.2 直流衰减法测定IPMSM电感
• 2.3.3 电压积分法测定IPMSM电感
• 2.3.4 磁场定向法测定IPMSM电感
• 2.3.5 测定ISA的IPMSM参数
• 2.4 本章小结
• 第3章 ISA控制系统
• 3.1 引言
• 3.2 IPMSM电压和电流极限
• 3.3 IPMSM的最大转矩/安培控制
• 3.4 IPMSM的弱磁控制
• 3.5 ISA系统控制策略
• 3.5.1 ISA系统电流控制策略和系统框架
• 3.5.2 PI限幅和退饱和
• 3.5.3 电流前馈补偿和电压矢量幅值的限制
• 3.5.4 参数对弱磁的影响及其标幺值化
• 3.6 IPMSM转子位置检测
• 3.6.1 增量式编码器关键问题
• 3.6.2 IPMSM无位置传感器转子位置检测
• 3.7 矩阵变换用于ISA系统的可能性验证
• 3.7.1 AC-DC矩阵变换器数学模型
• 3.7.2 AC-DC矩阵变换器安全换流
• 3.8 本章小结
• 第4章 仿真模型搭建和仿真实验结果分析
• 4.1 引言
• 4.2 ISA控制系统IPMSM电动运行仿真搭建
• 4.2.1 IPMSM电动MTPA运行
• 4.2.2 IPMSM电动普通弱磁
• 4.2.3 最大功率输出
• 4.3 ISA控制系统IPMSM发电运行仿真搭建
• 4.4 无位置传感器仿真结果
• 4.5 AC-DC矩阵变换器用于ISA系统的可能性验证
• 4.6 本章小结
• 第5章 系统硬件搭建和软件构成
• 5.1 引言
• 5.2 硬件设计与构成
• 5.3 ISA系统软件设计
• 5.4 本章小结
• 第6章 实际平台实验结果分析
• 6.1 引言
• 6.2 电机参数的测量
• 6.3 无位置传感器
• 6.4 ISA系统IPMSM电动状态运行实际平台实验结果与分析
• 6.4.1 MTPA电动运行
• 6.4.2 普通弱磁电动运行
• 6.4.3 最大功率输出
• 6.5 ISA系统IPMSM发电状态运行实际平台实验结果与分析
• 6.6 AC-DC矩阵变换器用于ISA系统的可能性验证
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢