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原文传递电辅助涡轮增压器控制技术研究

论文题名：	电辅助涡轮增压器控制技术研究
关键词：	船用高速柴油机;电辅助涡轮增压器;无感无刷直流电机;空载加速效果;稳定性
摘要：	内燃机涡轮增压技术因其可大幅提升内燃机的动力性、经济性和排放性，成为先进内燃机不可缺少的重要技术从而被广泛应用于船用柴油机。然而，传统的废气涡轮增压柴油机在低负荷工况下容易出现涡轮迟滞、排放恶化、进气压力与扭矩不足的问题，而在高负荷工况下容易出现增压过度导致的柴油机加速磨损与燃烧恶化等问题。电辅助涡轮增压技术是解决上述问题的一种有效技术手段。本文的工作重点在于找出电辅助涡轮增压器使高速船用柴油机在各种工况下综合热效率最高的最佳电机功率，并仿真计算出在这种最佳电机功率下电辅助涡轮增压器相对于传统涡轮增压器对柴油机的改进效果，进一步设计出能满足这种功率的电机驱动技术。　　首先，揭示了电辅助涡轮增压器电机功率对高速柴油机性能的影响规律。基于GT-SUITE模型建立了电辅助涡轮增压柴油机稳态性能预测模型并完成校核，并以此模型仿真研究了电机功率对柴油机综合热效率与涡轮增压器效率的影响规律。结果表明，在柴油机各种负荷工况下，存在最佳电机功率可以实现柴油机综合热效率最高，以此确定了电辅助涡轮增压器的运行策略。并且针对电动模式和发电模式进行了模拟计算，对比分析了最佳电机功率下电辅助涡轮增压器和传统涡轮增压器对柴油机性能的影响。结果表明，低负荷工况下，电辅助涡轮增压器柴油机涡轮迟滞效应明显改善，涡轮增压器增压比明显增加，油耗明显降低。　　其次，本文阐述了与前述船用高速柴油机匹配的电辅助涡轮增压器用大功率无感无刷直流电机的控制理论。采用过零点检测法取代传感器来实现转子定位，并通过测量计算反电动势大小来实现速度与功率控制，同时为解决无感无刷电机启动转速低引起的反电动势无法检测的问题设计了三段式启动方案，满足了船用高速柴油机电辅助涡轮增压器高温高压的工作环境。　　再次，针对选用的OMH-5825-520型号6.66kw/44.4V无刷直流电机，采用MATLAB/Simulink进行了该电机控制技术的仿真，并对仿真结果进行分析。结果表明，本文设计的控制系统能够满足实际电辅助涡轮增压器的控制需求。再根据该模型与控制理论设计了无刷直流电机控制系统的硬件电路板和软件程序。硬件设计部分完成了STM32F103C8T6最小系统电路设计、降压稳压电源电路设计、功率驱动电路设计、反电动势过零点检测电路、电流检测与保护电路和其他相关硬件电路设计，软件程序设计根据电机状态实现系统控制，针对不同状态执行不同功能，以此设计了多个软件功能模块，包括主程序模块、启动模块、反电动势检测换相模块、速度检测与转速控制模块、电流采样及过流保护模块等。　　最后，针对自主设计制造的无感无刷直流电机控制电路板进行试验验证。结果表明电机启动时间控制在200ms以内，采用反电动势过零点检测能够实现转子转速可稳定。空载加速效果响应快，稳定性好，可以满足实际电辅助涡轮增压器控制需求，达到了预期的效果。
作者：	王保华
专业：	动力工程
导师：	杨传雷;刘扬
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2022