电动汽车用异步电机系统效率优化控制研究

论文摘要

目前,大量应用于工农业生产的交流异步电机驱动系统,存在着整体效率较低的缺陷,造成资源浪费严重。本文以应用于电动汽车的中小功率等级异步电机驱动系统为研究对象,并针对被广泛应用的SVPWM电压型逆变器输出调制电压中含有基波电压以及谐波电压的实际特点,提出要从两个方面对稳态轻载工况下异步电机系统进行效率优化控制:优化电机的基波励磁磁链,寻找由基波电压所引起的电机铁芯损耗和铜损的最优平衡点,以减少由基波电压引起的电机损耗;优化SVPWM发生方法,控制逆变器的谐波电压输出,以减少由谐波电压引起的电机铁芯损耗和铜损。论文主要包括以下几个方面: 针对常用MATLAB/Simulink模块库所提供的异步电机模型不包含铁芯损耗这一缺陷,本文提出了一种计及铁芯损耗的异步电机数学模型,模型不包含微分环节,保证了仿真时的稳定性,模型所需参数均可通过普通的短路和空载实验获取。模型符合电机实际情况,具有简单、可靠、易于实现的优点。基于损耗模型控制(LMC)以及最小直流母线功率在线搜索控制(SC)的研究成果,本文提出了一种新型混合在线式直流最小功率模糊搜索效率优化控制算法(FLSC)。算法包含有新型的比例因子提取策略,同其它模糊搜索控制相比,该策略不需通过仿真计算,就能在线得到电机各稳态工况下对应的FLSC输入输出变量用比例因子。此外,还首次对FLSC用模糊集合及其隶属度函数进行了系统化设计,解决了系统在效率最优点处的振荡问题。计算机仿真表明,本FLSC兼有LMC算法和SC算法的双重优点,并克服了两种算法的不足,具有很好的鲁棒性,极大的提高了系统的控制性能。本文提出了新型SVPWM零电压作用时间分配方法和新型SVPWM过调制算法。前者从基于载波调制方式的CBPWM与基于空间电压矢量方式的SVPWM之间联系出发,将CBPWM的研究成果应用于SVPWM零电压作用时间分配中,从而极大的降低了逆变器谐波电压输出。后者按照电压矢量的幅值比例,通过对参考电压矢量以及六边型顶点电压矢量的幅值控制,使系统逐渐由线性调制工作状态过渡到六阶梯波工作状态,在整个过程中逆变器输出的基波电压具有线性调制的性质。仿真表明,同其它过调制算法相比,本算法对应的谐波电压含量低,能够极大的改善逆变器的输出性能。本文在基于TMS320F2407A的1.8kW/5.4kW异步电机实验台架上,进行了新型FLSC效率优化控制实验研究,结果表明本文所提FLSC算法,能够极大的缩短控制系统的寻优时间,并具有很好的适应性,可以方便的应用于各种功率等级的异步电机。100kW/160kW电动汽车用异步电机实验台架上的SVPWM过调制实验证明,本文所

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摘要

ABSTRACT

第一章异步电机驱动系统效率优化控制研究综述

1.1 课题背景

1.1.1 异步电机应用现状

1.1.2 异步电机驱动系统在电动汽车中的应用

1.1.2.1 我国电动汽车研制的必要性

1.1.2.2 电动汽车驱动系统结构及设计要求

1.1.2.3 应用于电动汽车的各种电机性能比较

1.1.3 课题意义

1.2 异步电机系统控制技术综述

1.2.1 经典控制方法

1.2.2 现代控制理论

1.3 异步电机驱动系统损耗分析

1.3.1 异步电机损耗分析

1.3.1.1 异步电机功率流程

1.3.1.2 异步电机具体损耗组成

1.3.1.3 异步电机效率特性

1.3.1.4 效率优化控制研究方向

1.3.2 逆变器损耗分析

1.3.3 中小功率异步电机驱动系统效率优化方向

1.4 异步电机驱动系统效率优化控制策略

1.4.1 损耗模型控制

1.4.2 搜索算法控制

1.4.3 最小定子电流控制

1.4.4 效率优化控制策略的改进

1.4.5 效率优化控制的新思路和新方向

1.5 论文主要研究内容及论文结构

第二章新型混合在线式直流最小功率模糊搜索效率优化控制

2.1 模糊控制理论简介

2.1.1 模糊逻辑与模糊系统

2.1.2 模糊控制器的基本原理

2.1.2.1 模糊控制器的基本结构

2.1.2.2 模糊器

2.1.2.3 输入输出变量尺度变换与模糊分割

2.1.2.4 模糊控制规则库

2.1.2.5 解模糊器

2.2 混合在线式最小功率模糊搜索控制器

2.2.1 模糊控制用比例因子选择分析

2.2.1.1 比例因子选取必要性分析

2.2.1.2 常用模糊搜索算法中比例因子选取缺陷分析

2.2.1.3 同步旋转坐标系下电机损耗模型分析

2.2.1.4 新型比例因子计算方法

2.2.2 新型FLSC效率优化控制

2.2.2.1 FLSC算法原理介绍

2.2.2.2 FLSC算法隶属度函数设计

2.2.2.3 前馈转矩补偿控制

2.2.2.4 暂态响应控制

2.3 FLSC效率优化控制仿真系统

2.3.1 MATLAB工具箱Simulink、Fuzzy Logic

2.3.2 两相静止α-β坐标系下异步电机模型

2.3.2.1 异步电机等效动态数学模型

2.3.2.2 异步电机的MATLAB仿真模型

2.3.3 新型FLSC效率寻优控制器仿真模型

2.4 仿真结果及分析

2.4.1 轻载稳态工况仿真研究

2.4.2 系统鲁棒性仿真研究

2.5 本章小结

第三章新型FLSC效率寻优控制系统实验研究

3.1 控制系统总体结构

3.2 系统的硬件结构

3.2.1 主回路部分

3.2.2 控制回路部分

3.3 系统软件程序设计

3.3.1 系统软件结构

3.3.2 FLSC控制器离散化

3.4 实验结果与分析

3.4.1 空载实验结果

3.4.2 带载实验结果

3.4.2.1 电机系统输入功率测试实验

3.4.2.2 电机系统效率测试实验

3.4.2.3 电机系统轻载FLSC效率寻优实验

3.5 本章小节

第四章新型SVPWM调制算法研究

4.1 SVPWM基本工作原理

4.1.1 SVPWM简介

4.1.2 SVPWM在线性调制区典型工作情况

4.1.3 SVPWM在过调制区典型工作情况

4.1.4 SVPWM优化算法设想

4.2 线性调制区SVPWM零电压矢量作用时间的选择

4.2.1 基于载波比控制的CARRIER-BASED PWM

4.2.2 调制信号与空间电压矢量间的关系

4.2.3 零矢量与零序信号的分配关系

4.2.4 最优零电压作用时间分配方案

4.3 基于基波电压幅值线性输出控制的SVPWM过调制算法研究

4.3.1 主要SVPWM过调制算法分析

4.3.2 幅值过调制算法原理

4.3.3 幅值过调制算法数学证明

4.3.4 幅值过调制算法谐波分析

4.3.5 幅值过调制算法计算机仿真分析

4.3.6 幅值过调制算法软硬件介绍

4.3.7 幅值过调制算法实验结果与分析

4.4 本章小结

第五章全文总结

5.1 本文工作总结

5.2 进一步工作的设想

参考文献

个人简历、攻读博士期间发表的文章和负责的主要项目

致谢及声明

论文答辩说明

关于论文使用授权的说明

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