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原文传递电动汽车混合励磁容错电机及其驱动控制研究

论文题名：	电动汽车混合励磁容错电机及其驱动控制研究
关键词：	电动汽车;混合励磁电机;驱动系统;容错控制;无刷谐波励磁技术
摘要：	随着能源危机和环境污染的日益凸显，电动汽车作为有效解决方案受到越来越多的关注。电机及其驱动系统是电动汽车的关键部件，电机及其驱动系统的可靠和容错性直接关系到驾乘人员的生命安全。转子永磁型内嵌式永磁电机因具有高功率密度、高效率和宽调速范围的优点，在电动汽车中得到了广泛应用。因此，提高转子永磁型内嵌式永磁电机及其驱动系统的容错性能是电动汽车领域的研究热点。　　本文基于无刷谐波励磁技术，提出了一种五相无刷混合励磁容错(brushless fault-toleranthybrid-excitation，BFTHE)电机。通过多相设计，在“V型”永磁电机中引入单层集中绕组，采用隔齿绕制的方式，实现了各相绕组的相间隔离，提高了电机的容错性能。通过气隙磁场的有效调节，满足了电动汽车对驱动电机宽调速的要求。五相BFTHE电机只存在径向磁场，无需电刷和和滑环，解决了现有的转子永磁型混合励磁电机无法同时实现电机结构简单与无刷化的问题，提高了电机的可靠性，并具有较强的容错性能，适合电动汽车的应用。　　电机驱动系统除电机本体外，控制器和传感器也是重要组成部分，每一部分的故障都将影响电机系统的正常工作，甚至导致整个系统的瘫痪和安全事故的发生。电机驱动系统中的位置传感器也是易于发生故障的部件，机械传感器的使用降低了整车系统的可靠性和鲁棒性。本文针对电机驱动系统中的电机、控制器和传感器进行统筹考虑，开展了电机本体可靠性设计、电机绕组故障的容错控制策略和位置传感器故障的容错控制策略的研究，以提高电动汽车驱动电机系统的可靠性。全文主要内容如下: 　　基于五相BFTHE电机的基本结构和工作原理，开展了在电机设计方面的研究工作。推导了五相BFTHE电机的功率尺寸方程，设计了一台2kW样机，包括电机容错设计、永磁体尺寸设计和谐波励磁装置设计等。运用不均匀气隙和不等齿宽技术，对电机反电势和输出转矩进行优化设计。应用有限元软件，对五相BFTHE电机的磁场分布、径向气隙磁密波形、空载反电势、齿槽转矩和输出转矩等电磁性能进行了仿真分析，着重分析了电机的磁场调节性能、效率特性以及容错性能。并且，研制了一台五相BFTHE电机的试验样机，开展了样机的反电势、齿槽转矩、磁场调节能力、效率和容错能力的测试试验。　　开展了五相BFTHE电机直接转矩控制方面的研究工作。依据五相BFTHE电机的结构特点和工作原理，建立了电机的数学模型。针对五相BFTHE电机基频以下的运行工况，采用基于SVPWM的直接转矩控制(SVM-DTC)策略，以实现电机控制系统的良好动静态特性和强鲁棒性。针对基频以上的运行工况，为实现对五相BFTHE电机的励磁电流控制以有效调节磁场，研究了基于谐波注入的弱磁直接转矩控制策略。通过仿真和实验验证了SVPWM直接转矩控制策略和基于谐波注入的弱磁直接转矩控制策略的有效性。　　开展了五相BFTHE电机缺相故障时容错控制方面的研究工作。针对SVPWM直接转矩控制系统，发生电机绕组一相开路故障时，通过对电机故障后的空间电压进行矢量重构，提出了类三相SVPWM容错控制算法，实现了基于SVPWM的快速容错控制。该容错策略解决了现有的基于滞环比较调节PWM容错控制中转矩脉动大、逆变器开关损耗大等问题，并且能够实现在保持故障后转矩的平均值不下降的同时抑制转矩脉动。　　开展了五相BFTHE电机无位置传感器控制方面的研究工作。针对五相BFTHE电机的中高速运行工况，提出了一种宽转速强鲁棒性SMO的无位置传感器控制算法，采用sigmoid函数代替开关函数，在一定程度上削弱系统的抖振;采用反电势观测器以获得反电势，解决了传统SMO中由于低通滤波器带来的相位延迟的问题;运用了反电势反馈增益系数的自适应算法，通过该系数的自适应调节提高了转子位置估算的精确度;增加扰动解耦传感器和状态反馈增益，大大提高了系统的鲁棒性，包括抗故障扰动能力、抗电机参数变化扰动能力和抗负载变化扰动能力。针对宽转速强鲁棒性SMO的零低速运行存在的问题，研究了一种脉冲转矩注入的无位置传感器控制算法，并将脉冲转矩注入法和宽转速强鲁棒性SMO算法相结合，实现了包括零速在内的全转速范围的转子位置自检测。　　搭建了基于dSPACE的五相BFTHE电机驱动系统实验平台，设计了硬件电路，介绍了控制系统软件流程，为五相BFTHE电机直接转矩控制、容错控制和无位置传感器控制实验验证提供了硬件和软件基础。
作者：	张丽
专业：	电气工程；电机与电器
导师：	樊英;Robert D.Lorenz
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文