基于轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速—電流MAP的車用永磁同步電機(jī)矢量控制優(yōu)化隨著全球汽車電動(dòng)化進(jìn)程快速推進(jìn),電動(dòng)車必然成為未來(lái)交通工具的重要成員之一。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為電動(dòng)車中最為核心的零部件,其性能優(yōu)劣將決定整個(gè)車輛的行駛品質(zhì)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括電機(jī)和逆變器兩部分,雖然近幾年我國(guó)在這兩個(gè)領(lǐng)域都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但與國(guó)際巨頭相比仍有不少差距,主要體現(xiàn)在細(xì)節(jié)控制和特殊極限工況的處理上。本文依托于國(guó)家科技部重大儀器專項(xiàng),選擇我國(guó)有著稀土資源優(yōu)勢(shì)的永磁同步電機(jī)作為研究對(duì)象,立足于優(yōu)化永磁同步電機(jī)控制策略,將矢量控制分解為目標(biāo)轉(zhuǎn)矩到目標(biāo)電流過(guò)程、目標(biāo)電流到目標(biāo)電壓過(guò)程、目標(biāo)電壓到功率器件開關(guān)過(guò)程,并提出了詳細(xì)的優(yōu)化方案。另外,針對(duì)永磁同步電機(jī)兩個(gè)特有故障進(jìn)行分析,并給出了故障預(yù)防及處理方案。在將目標(biāo)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化成目標(biāo)電流方面,本文提出了基于轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速-電流MAP進(jìn)行目標(biāo)電流分配的矢量控制策略,其核心是把電機(jī)能夠運(yùn)行到的區(qū)域通過(guò)測(cè)功臺(tái)架離線標(biāo)定好數(shù)據(jù),取代傳統(tǒng)矢量控制中的電流分配和反饋弱磁調(diào)節(jié)。首先,論文由電機(jī)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出最大電流轉(zhuǎn)矩比和最大電壓轉(zhuǎn)矩比曲線,利用這兩條曲線和電流限制條件求解出轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速-電流MAP控制區(qū)域,利用轉(zhuǎn)矩方程和電壓轉(zhuǎn)速極限橢圓求解出MAP區(qū)域內(nèi)的所有數(shù)據(jù)。其次,按照電機(jī)參數(shù)變化規(guī)律分析電機(jī)敏感參數(shù)變化對(duì)整個(gè)MAP數(shù)據(jù)分布的影響,為電機(jī)實(shí)際控制提供補(bǔ)償思路。同時(shí)為適應(yīng)逆變器電壓波動(dòng),引入電壓波動(dòng)修正因子,使得控制算法僅需在指定電壓狀態(tài)下完成標(biāo)定即可適用于其他電壓條件。最后,論文提出了一套利用電力測(cè)功系統(tǒng)標(biāo)定電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速-電流MAP的實(shí)驗(yàn)方法,將標(biāo)定過(guò)程清晰地分解為若干關(guān)鍵步驟,實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的測(cè)量、提取及整合,最后利用插值工具形成等距表格,整個(gè)過(guò)程為標(biāo)定工程師明確了工作思路,加快了電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速-電流MAP的標(biāo)定速度。在將目標(biāo)電流轉(zhuǎn)化成目標(biāo)電壓方面,本文提出了在原有PI電流控制基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化的方案。為此文中對(duì)比了前饋解耦和內(nèi)模解耦兩種方法在電機(jī)矢量控制中的應(yīng)用,分析了兩種解耦方式在電機(jī)估算參數(shù)準(zhǔn)確情況下的解耦度,并構(gòu)造電流控制傳遞函數(shù)分析了兩種解耦方式對(duì)電機(jī)參數(shù)變化的魯棒性,發(fā)現(xiàn)內(nèi)模解耦能夠更好地實(shí)現(xiàn)d-q軸電流獨(dú)立控制。最終將內(nèi)模解耦與具有抗飽和功能的PI控制相結(jié)合,進(jìn)行了模型仿真、測(cè)功臺(tái)架實(shí)驗(yàn)、整車實(shí)驗(yàn)。在將目標(biāo)電壓轉(zhuǎn)化成功率器件開關(guān)控制方面,本文提出了矢量控制占空比過(guò)調(diào)制技術(shù),通過(guò)算法優(yōu)化使得電機(jī)功率得以提升,并同時(shí)分析了過(guò)調(diào)制產(chǎn)生的電壓、電流諧波分量,以及諧波分量對(duì)電機(jī)控制性能的影響,并設(shè)計(jì)了一套可變帶寬的低通濾波器進(jìn)行d-q軸電流濾波,消除了諧波對(duì)整個(gè)控制環(huán)節(jié)帶來(lái)的影響,并同時(shí)進(jìn)行了模型仿真、測(cè)功臺(tái)架實(shí)驗(yàn)、整車實(shí)驗(yàn)。在特殊工況處理方面,本文著重分析了永磁同步電機(jī)相比于交流異步電機(jī)自身的兩個(gè)缺點(diǎn):高速狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)變壓器失效容易造成逆變器過(guò)壓、過(guò)流;高溫、大電流狀態(tài)下永磁體容易退磁。針對(duì)在高轉(zhuǎn)速高反電動(dòng)勢(shì)的狀況,文中分析了永磁同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器失效導(dǎo)致逆變器損壞的原因,提出了利用無(wú)位置傳感器控制技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈角度進(jìn)行估算的安全保護(hù)策略。綜合軟硬件開銷、檢測(cè)精度、控制影響等因素,采用了基于反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器的轉(zhuǎn)子角度估算方案,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)高速狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)變壓器失效時(shí)的保護(hù)。針對(duì)永磁體高溫狀況容易退磁的情況,基于永磁同步電機(jī)熱網(wǎng)絡(luò)模型提出了一套轉(zhuǎn)子溫度估算方法,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子永磁體及磁鋼溫度的實(shí)時(shí)估算,結(jié)合轉(zhuǎn)子估算溫度提出了防止永磁體退磁的降功率策略,大大降低了永磁體退磁的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)解決了原來(lái)只測(cè)量定子溫度造成的電機(jī)性能必須保證較大余量的問(wèn)題,提升了系統(tǒng)持續(xù)提供最大功率的能力。最后,為驗(yàn)證本文提出的控制策略,設(shè)計(jì)了一套峰值功率40kW、額定電壓144V的電機(jī)逆變器,其主控單元采用英飛凌公司準(zhǔn)汽車級(jí)芯片XMC4500,功率部分采用英飛凌公司分立MOSFETIRF200F223十管并聯(lián)方案。逆變器軟件上采用MOSFET管芯溫度估算算法,使功率電子部分的能力能夠充分地發(fā)揮。同時(shí)為了進(jìn)行功率測(cè)試,還搭建電力測(cè)功平臺(tái)