电动高尔夫球车永磁无刷直流电机驱动系统研究

论文摘要

在石油资源日益短缺的大背景下,如何减少交通对石油资源的不可循环的消耗以及对环境带来的压力,发展电动交通工具,特别是促进发展电动汽车（EV）是世界性的重大课题。在这其中,从轻型电动车（LEV）发展到微型电动汽车（CEV）,中国的电动交通事业的走出了一条具有自己特色的新路。在这一背景下,本文结合具体的科研项目,对电动高尔夫球车的驱动系统展开研究,电动高尔夫球车驱动系统的某些指标与微型车非常接近,是一个更轻量级的微型电动汽车。对开发电动车驱动系统必须解决的关键问题:驱动电机的选型、驱动系统的构成、驱动的控制策略、再生制动等进行研究并应用于驱动系统控制器的开发实践。在对多种类型电机比较后,确定选用永磁无刷直流电机作为本系统的驱动电机。对无刷电机应用于电动车辆驱动系统的一些共性及特性问题进行了详细的分析和研究。总结了无刷电机调速常用的六种PWM调制策略,多方面比较最终确定采用简单的H-PWM-L-ON调制方式来实现电机的调速;介绍了电机的三种电气制动方案,对低速能量回馈制动方案的实现进行了理论分析,并给出了主电路功率器件的切换方式;对常用的力矩控制策略进行了详细的研究,指出了力矩控制策略在弱磁区域的驱动响应存在高度非线性以及当负载力矩始终无法达到油门踏板给定力矩时将产生“闭环失效”问题,提出了一种改进的“最大力矩控制策略”来解决该问题并在实践中取得了很好的效果。分析了驱动系统相关部分子系统诸如车辆直线行驶的动力学、无刷电机、电机控制系统以及铅酸蓄电池组的数学模型。在Saber平台中,以驱动系统为主体,对主电路的建模力争接近实际情况,将车辆行驶的水平方向阻力折算为电机的旋转阻力,使用简化的铅酸蓄电池组仿真模型,为了真实反映控制策略的实施情况,在Z域针对数字PID进行了建模。仿真分析可以在实物设计之前发现系统中存在的问题,仿真结果也被用来指导实际系统的设计,并取得了很好的效果。在先期方案论证、理论和仿真分析的基础上设计了电动高尔夫球车驱动系统产品。设计了一套基于dsPIC30F4011的无刷电机控制器,独立完成了硬件、软件的主体部分设计、程序编写和调试工作;在硬件设计中,引入了一系列业内的创新性成果和产品。最后对控制系统的性能进行了实验验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及选题意义
• 1.2 电动汽车驱动系统发展概述
• 1.3 永磁无刷电机常见的技术问题及研究现状
• 1.3.1 电磁转矩脉动抑制技术
• 1.3.2 无位置传感器及位置传感器容错技术
• 1.3.3 新型拓扑结构的研究
• 1.3.4 先进控制策略的应用研究
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 电动高尔夫车驱动系统方案的比较和确定
• 2.1 设计思路
• 2.2 无刷直流电机的调速
• 2.2.1 无刷电机的基本原理
• 2.2.2 无刷电机的调速方式
• 2.3 电机制动控制研究
• 2.3.1 几种电气制动方式
• 2.3.2 低速回馈制动方案的分析与实现
• 2.4 电机驱动控制策略
• 2.4.1 传统车辆的驱动响应
• 2.4.2 力矩控制策略及其在无刷直流电机中的实现
• 2.5 驱动系统构成
• 2.6 本章小结
• 3 电动高尔夫车驱动系统仿真研究
• 3.1 电动车直线行驶的动力学模型
• 3.1.1 电动汽车的驱动力及行驶阻力
• 3.1.2 行驶阻力折算
• 3.2 无刷直流电机的数学模型
• 3.2.1 电压和磁链方程
• 3.2.2 转矩方程
• 3.2.3 运动方程
• 3.3 无刷直流电机控制系统的数学模型
• 3.3.1 比例积分微分控制
• 3.3.2 电流闭环控制
• 3.4 铅酸蓄电池组的数学模型
• 3.5 驱动系统仿真模型的建立
• 3.5.1 模型设计要点
• 3.5.2 仿真结果分析
• 3.6 本章小结
• 4 电动高尔夫车驱动系统的实现
• 4.1 电机驱动系统硬件设计
• 4.1.1 主控芯片的选择
• 4.1.2 主电路设计
• 4.1.3 驱动及驱动保护电路设计
• 4.1.4 电流检测通道的设计
• 4.1.5 其他部分外围电路
• 4.2 电机驱动系统软件设计
• 4.2.1 软件设计思路及软件流程
• 4.2.2 功能模块程序设计
• 4.2.3 软件设计中注意的问题
• 4.3 试验结果分析
• 4.3.1 实验台整体结构
• 4.3.2 电流跟踪效果试验
• 4.3.3 低感电容对母线电压的改进试验
• 4.3.4 转矩转速特性及效率实验
• 4.3.5 装车实验
• 4.4 本章小结
• 5 总结和展望
• 5.1 驱动系统的性能和特点
• 5.2 论文主要工作和创新
• 5.3 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录A 作者在攻读学位期间发表的论文目录