英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
节能和鲁棒控制高性能感应驱动电机在电动车的应用
简介：本文介绍了为系列电动汽车高性能感应驱动电机的设计和应用。汽车使用、控制方案设计的期望可能进步能源效率采用maximum-torque-per-ampere（单位电流最大转矩）控制和鲁棒性的使用广泛的补偿磁通量的变化,温度,电压。然后验证控制方案的台架试验,然后再进行的是车载测试。
关键词：脱离效应，电动汽车，间接矢量控制，交流电机驱动，单位电流最大转矩转矩控制。
Ⅰ 简介
最近，在电动汽车被发明一百周年以来，电动汽车重新引起重视。与人们的认识不同，第一台汽车的动力是电机而不是内燃机。但是，由于那时候电池的性能表现不佳，电动汽车迅速消失了。人们对于全球变暖和化石燃料消耗殆尽的担忧与电池性能的不断优化，使得电动汽车重新出现在人们的视野之中。
电机可以将电能转换为机械能从而驱动汽车。电机与内燃机相比，有几个关键参数比内燃机表现要好的多，比如转换效率，能量密度和低速转矩性能等。此外，电机驱动汽车在制动时可以将制动能量回收为电能。这几项优点使得电机驱动汽车可以动力更加充沛，能源效率表现更好，并且可以将尺寸做的更小。
就目前来说，永磁同步电机在电动汽车的应用已经十分广泛。但是最近几个问题变得越来越突出。永磁同步电机的制作通常会使用到地球上十分缺少的材料，例如：钕。在过去几年由于中国控制其出口，其价格呈现直线上升的趋势。因此，工业届需要寻找一种同步永磁电机的替代品。于是，感应电机作为一个可能的选项出现在人们视野之中。在此背景下，本文将关注于感应电机已有技术的回顾并进行创新，并将精力主要放在高性能电机在电动汽车方面的应用。
转子磁通量控制，或者矢量控制法，已经被感应电机广泛应用。但是，感应电机的矢量控制相比于永磁同步电机的控制来说十分复杂，因为转子磁通量是变动的，并且不能被直接测量。在两种可行的测量转子的磁通量的方法之中，间接矢量控制法要优于直接矢量控制方法，尤其是在应用于需要输出最大转矩的电动车时，有时在需要恒转矩输出时间接控制方法也要优于直接控制方法。在间接控制方法中，通过将电器转子角和滑移角相加来计算转子磁通量，滑移角是转子时间常数的函数。转子时间常数是受励磁电流影响的转子电感与转子温度变化的转子电阻的比例。转子时间常数中的误差可能由于磁通量和转矩之间意外的较差耦合而导致输出不准确的转矩。为了解决这个问题，需要在线或离线的转子时间常数估计方案。
目前，已经有许多关于时间转子常数的方案在文献中发布。然而，那些方案需要大量的数学计算或者对主要的硬件进行参数修改。有的方案还尝试了模型参考自适应控制，但这方案计算时十分缓慢并且对于负载十分敏感。这种类型的使得汽车工业中难以获得成功的应用。
在本文中，提出一种更可行的更简单的基于定子温度的方法估计转子电阻补偿温度变化。 此外，基于映射的方法被用于选择电流参考以实现最大转矩每安培（MTPA）控制，其补偿磁通量的变化。 基于map图的MTPA控制比额定磁通控制更理想，以获得更高的效率。 额定磁通控制有着较低的效率，因为它即使在低扭矩保持额定磁通，但它提供了优秀的扭矩响应。 通过控制磁通量以改善转矩响应来解决。
此外，本文设计了一种用于补偿电流参考产生的电池电压变化的新颖方案。
本文结构如下：第二部分回顾了感应电机的转子磁通定向控制的基本原理。 第三部分描述了控制方案的设计过程，包括用于满足参数识别的方法，电流映射（包括磁通量补偿，扭矩响应改进，电压补偿和温度补偿）的汽车要求所采用的技术。 第四节介绍了控制方案的验证过程，主要强调了温度补偿的转子电阻估计的实验验证。 第五节最后总结了论文。在同步参考系中考虑转子磁通定向控制的感应电动机。
Ⅱ对于间接矢量控制的基础介绍
- 数学模型
在同步参考系中考虑转子磁通定向控制的感应电机。定子和转子的电压矢量忽略铁损耗的定子和转子电压矢量可以写为：
= j (1) = j(-) (2)
定子和转子磁链矢量可以根据定子和转子电流矢量来表达：
=( ) = (3)
=( ) = (4)
=(-) (5)
其中是d轴和q轴定子电压，是d轴和q轴定子电流，是d轴和q轴定子磁通，是d轴和q轴 转子电压，是d轴和q轴转子电流，是d轴和q轴转子磁通，是定子电阻，是转子电阻，是转子磁通速度，是转子速度，是互感，是定子漏感，是转子漏感，是电磁转矩，P是极对数。基于（1） - （4）的感应电动机的等效电路如图1所示。
图1感应电动机等效电路模型（a）d轴和（b）q轴
B.电压和电流限制
作为基于map图的MTPA控制的一部分，电磁转矩需要映射到d轴和q轴定子电流，在d轴和q轴定子电流中，它们与d轴和q轴定子电压一起被允许。 如（1）中所表示的电磁转矩可以以d轴和q轴定子电流的乘积的形式重新排列。
= （6）
电压限制椭圆
电流限制圆
图2电压和电流限制界限
因此，需要检查给定电压和电流约束下的可用d轴和q轴定子电流的边界。 通常，最大定子电流受电动机/逆变器电流额定值限制，它们可以在保持在其温度额定值内的同时连续承载。 在最大定子电流下，d轴和q轴定子电流的关系如下
le; （7）
因此，限流边界显示为圆，其半径仅取决于电流额定值，如图2所示。为了满足当前约束，当前命令必须保持在此圆内。 同时，最大定子电压由显示在直流链路上的电池电压决定。 在最大定子电压下，d轴和q轴定子电压的关系由下式给出
le; （8）
定子电阻的影响在高速下可以忽略。然后，通过将（1）代入（8）中，得到以下等式
=（—） （ ） （9）
其可以近似为
因此，电压限制边界看起来像一个椭圆其半径不仅取决于直流母线电压，而且取决于转子磁通速度，如图1所示。 2.满足电压约束，当前命令也应该保留在这里椭圆，随工作频率变化。 作为操作频率变得更快，椭圆的半径，指示d轴和q轴定子电流指令的边界 - 能够，在给定电压极限下变得更小。 为了满足电压和电流约束，电流命令为保留在圆和椭圆的公共区域内在给定的工作频率。
在汽车的应用上，如图2所示，电压和电流的限制由电池电压和逆变器电流决定。据公式（7）-（10），将可用的电压和电流限制转换为同步参考系。以d轴和q轴确定定子电流。最终，可提取的d轴和q轴分量被共同转换为对应于转子转速的一定转矩，结果表示在性能曲线上。
C间接矢量控制
对于刚硬电动机来说，它的间接转子控制通常在参考帧中执行，即与转子磁通空间同步。通过利用a系列转换为d-q坐标系定子电流被操纵并分成磁通和扭矩，其d轴与转子对准磁通空间矢量，这意味着q轴分量转子磁通空间矢量应为零，即，
转子磁通空间矢量的d轴分量可以从（1） - （4）计算
将（11）代入（12）并忽略假定稳态收益率的时间导数
等式（13）然后变为
表一.电机参数列表
|
符号 |
意义 |
数值 |
|
|
电机电阻 |
13mOmega; |
|
|
电机电感 |
1.5mH |
|
sigma; |
电机泄露电感 |
0.2mH |
同时，滑动速度可以用（1） - （4）描述q轴分量
将（11）代入（17）中，q轴转子电流可以是写成
将（18）代入（16）并忽略时间导数假定稳态收率
将（19）替换为（13），以下成立：
其中omega;sl是滑差速度，Tr是转子时间常数。在给定的滑差速度下，定子电流被分离成
d轴和q轴定子电流，如（20）所示。 换句话说，滑差速度必须控制确定模量和空间角的定子电流矢量，由对应的d轴和q轴分量组成产生磁通和转矩的部件。
三，控制方案的设计过程
A参数选择
间接矢量控制需要关于电机参数的精确信息，特别是估计滑差速度的转子时间常数。 为了确定这样的参数，通过利用同步参考系中的电流控制器，设计和实现了我们的工作的新的参数识别方案。 定子电阻和定子电感通过在额定速度下的空载测试相对于d轴或q轴定子电流测量。
通过在静止时的锁定转子测试来估计泄漏因子。 使用在额定速度下的峰值功率测试，利用变化的激励频率来确定转子时间常数。 所确定的参数列于表I中，相关的细节可以在[13]中找到。
B.包括磁通补偿的电流映射
对于汽车应用，基于映射的MTPA控制优于额定磁通控制，这不仅归因于能量效率，而且归因于转矩精度以及通过补偿由于热累积伴随电机内的磁饱和的非线性变化参数。作为基于映射的MTPA控制的一部分，用于开发电流图的映射过程简要介绍如下：输入电流，即，同步参考系中的电流矢量形式的d轴和q轴定子电流 ，同时测量输出转矩。
电流映射区域
图3在同步参考帧中分配的实际当前映射区域。 十个点沿着半径，而九个点沿着弧，从而导致90个点被映射在当前映射区域中。
如图1所示。 如图3所示，在感应电动机的情况下，第一象限用于电动机操作，而第四象限用于产生; 然而，仅选择性地填充从45°扫描到接近90°的第一象限的一部分，产生三角形矩阵。然后将该矩阵投影到第四象限上。 作为电流图的另一输出的转子磁通速度最终被确定，目的在于最大效率，并且最终确定最小损耗，假设总损耗主要是由于电动机中的铜损耗。 实质上，最小损耗以最小电流进行。 使用最小电流，需要最大电压以产生相同的输出功率，从而在给定的转子速度下产生相同的输出转矩。 因此，使用（8） - （10）计算转子磁通速度以产生最大电压。 结果，输出转矩和转子磁通速度的变化相对于输入电流分别绘制，如图4所示。
转子电流模量
转子电流角度
输出转矩[NM]
图4转矩电流迈普图
然后，电流图被反向变换，导致作为输入的转矩和转子磁通速度以及作为输出的d轴和q轴定子电流，考虑到其实现到车辆，转矩和转子磁通速度从该车辆 给定。 结果，输出电流的变化与输入功率和转子速度重新映射，如图5所示。
提出输入功率和转子速度，而不是输入转矩和转子磁通速度。 在恒定转矩区域中，d轴和q轴定子电流彼此相等，直到转子速度达到2250转/分钟，这是被测试的电动机的额定速度。 超过该转子速度，随着恒定功率区域的开始，对于磁场减弱，d轴定子电流稳定地减小，但是q轴定子电流暂时减小然后突然增加。 在最大功率命令之后，当转子速度达到超过7000转/分钟时，q轴定子电流在特征区域中接近平稳段。
转子模量
转子角度
输出通量
图5（a）d轴和（b）q轴定子磁通 - 电流映射结果。
C.扭矩响应改进
与额定磁通控制不同，基于图的MTPA控制需要根据d轴定子电流来改变磁通，d轴定子电流是产生磁通的分量。 该效应通常导致扭矩和电流之间的响应差异。 对于转子磁通定向控制，输出转矩等于d轴转子磁通和q轴定子电流的乘积，如（5）所示。 以对应于转子时间常数的时间延迟逐渐形成d轴定子电流感应d轴转子磁通，使得缓慢地产生输出转矩，
然而，考虑到汽车使用，扭矩响应不能简单地损害。 为此，如图1所示，在电流控制器中增加了磁通控制器以提高转矩响应。如图6所示。
转子电流模量
电机转速
图6.电流迈普图最终结果
D.电压补偿
作为电动车辆中的电池电压的dc链路电压在实际驱动条件下随着负载扰动而变化，使得所确定的电压极限变化。 因此，应提供电流参考，考虑此效应。 如（10）所示，椭圆形电压限制边界的半径与dc链路电压成比例，并与转子磁通速度成反比。 在这点上，电压补偿器被添加到电流图，其在电压补偿器根据电池操纵转子磁通速度的意义上利用转子磁通速度，即电流图的输入之一 电压。 这种简化的实现是可能的，因为这两个，即作为分子的电池电压和作为分母的转子磁通速度共同确定如（10）中所示的电压极限。
E.温度补偿
转子磁通定向控制的一个缺点是由于温度变化对转子电阻变化的敏感性。 对于定量解释，与同步参考系中的电流矢量相关联的一系列方程式表示滑移速度，随后是电磁转矩，如下：与（1）和（2）一样，转子磁通 联动矢量和转子电流矢量可以分别用定子磁链矢量和定子电流矢量表示，即，
图8.在同步参考帧中指示的定子电流矢量
冷
热
定子电
全文共9128字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[143776]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
