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原文传递纯电动客车电机控制器研究与实现

论文题名：	纯电动客车电机控制器研究与实现
关键词：	纯电动汽车;感应电机;电机控制器;矢量控制;转速测量
摘要：	汽车的发展是现代工业技术最重大的成就之一，汽车在满足人类生产、生活流动性等需求上做出了重大贡献，它促使了工业社会的进步。然而，汽车在全世界大规模的应用已经产生并持续引发环境污染、全球变暖以及石油资源迅速减少等问题，这些方面逐渐成为人们关注的焦点，新能源汽车的研发和应用已成为世界各主要工业国家针对环境和能源问题推出的解决方案之一。　　电机控制器、电池管理系统和整车控制器是纯电动汽车的三大主要控制系统。电机控制器直接关乎纯电动汽车的运行性能和能源利用率，因此是本文的研究重点。本文分析和讨论了感应电机的动态数学模型;研究了矢量控制、直接转矩控制、模型预测控制等电机控制算法;研究设计了适用于纯电动客车的电机控制器硬件系统;制定了电机控制器与整车控制器的通信协议;在微控制器上编写和实现了纯电动客车电机控制器的矢量控制和模型预测控制;提出了一种适用于纯电动汽车的弱磁算法和过调制算法，提高了电压利用率和扭矩输出能力;针对汽车用等级提出了分级保护逻辑，包括过压/欠压保护、过流/欠流保护、超速保护等;编写了电机控制器的上位机调试软件;解决了纯电动客车零速驻坡等实际问题。研制的电机控制器在装有交流感应电机的纯电动客车上进行了试验验证。论文的主要研究工作和贡献包括以下三个方面: 　　(1)研究了国内外目前主要的电机控制算法，针对纯电动客车的控制系统组成和运行工况，设计实现了纯电动客车电机控制器的软件算法并进行了试验验证，改进了电机控制器的扭矩控制精度。该控制器设计了以矢量控制算法为基础的软件算法，在该算法支持下，电机能够迅速响应整车控制器的指令，快速稳定地达到驾驶员预期目标。本文通过研究三相感应电机的转子磁场定向矢量控制方程和坐标变换，将电机模型中的变量与纯电动客车的实际驾驶信息匹配，建立电机控制器各算法模块，进行了大量的试验测试与参数整定，验证了模型的准确度和可靠性，最终完成电机控制器的物理实现。该控制器根据实际需求增加了弱磁控制算法和过调制算法，提高了电机的扭矩输出和电压利用率。针对汽车级别产品的要求，设计完成了故障检测和行车保护机制，采用了分级故障诊断模式，能够有效地监测汽车运行状态和处理故障，减小故障发生率提高产品使用寿命。根据采用的旋变结合核心控制器模块，计算了速度采集的精度，给出了最优速度采集参数。根据实际的驾驶需求增加了驻坡防滑的功能，能够防止汽车在斜坡上后溜。本文设计的电机控制器可以针对不同类型的车辆调整模型结构，可以匹配不同的控制算法并支持先进控制算法的应用及优化。　　(2)根据纯电动客车的实际驾驶需求，设计并实现了适用于纯电动客车的电机控制器硬件及上位机调试软件。该电机控制器主要硬件组成包括电源供给模块、IGBT及其驱动模块、电机控制器的核心控制模块以及速度检测模块等。本文针对实际运行的纯电动客车，制定了电机控制器与整车控制器之间的通信协议，配置了其与上位机之间通信的CAN数据通道。设计实现了上位机的调试软件，该软件可以刷写电机参数和电机控制器的控制参数，并能够模拟驾驶员给出驾驶信号，也能够采集电机实时运行数据进行后台分析优化。　　(3)设计实现了模型预测控制在纯电动客车电机控制器中的应用，并进行了试验验证。模型预测控制算法采用感应电机的状态空间模型，通过对定子电流、磁链和扭矩的预测，计算代价函数，选出最优的控制电压矢量作为下一步的控制输出。根据纯电动客车电机控制器需求，在两相旋转坐标系下建立模型预测控制算法组织结构，设计实现了磁链观测器和无速度传感器控制算法，根据实际微控制器功能设计了扩展的基本矢量控制集下的模型预测控制算法。该算法最后在电机测试台架上进行了试验验证并与矢量控制算法进行了对比分析，试验证明模型预测控制可以在电机控制器中取得良好的控制性能，值得进一步研究。　　本文设计的电机控制器最终在纯电动客车上取得了成功应用。其控制的效果为扭矩波动范围在±5％以内，转速可以平稳达到额定转速的2.5倍，这些性能指标符合设计要求。希望上述研究工作能对我国纯电动客车的电机控制器研发和实现有所贡献。
作者：	门晓金
专业：	控制科学与工程
导师：	吴刚
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国科学技术大学
学位年度：	2020