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原文传递氢燃料电池汽车电机驱动及再生制动控制系统的研究与设计

论文题名：	氢燃料电池汽车电机驱动及再生制动控制系统的研究与设计
关键词：	氢燃料电池汽车;电机驱动;再生制动;滑模变结构控制;弱磁控制
摘要：	氢燃料电池汽车作为新兴的清洁能源汽车，具有环保和高性能的优点。日益发展的氢燃料电池汽车对于整车的性能、行驶安全和续航里程提出了更高的要求。本文在广东省佛山市仙湖实验室开放基金重大项目“基于氢燃料电池的多能源智能网联汽车关键技术（XHD2020-003）”的资助下，针对现有的氢燃料电池汽车电机驱动系统和制动系统独立运行导致制动能耗较大，在大负载和爬坡等工况容易出现动力不足等问题，以永磁同步电机为研究对象，根据氢燃料电池汽车的驱动和制动对控制系统的要求，研究并设计氢燃料电池汽车电机驱动及再生制动控制系统，该系统集电机驱动控制和制动控制为一体；研究基于滑模变结构的弱磁矢量控制策略，以及基于回馈功率和回馈效率最大的再生制动控制策略，实现永磁同步电机的速度调节和转矩控制，以及再生制动回馈能量的最大回收，并使电能回收装置的充电电流达到最大可充电电流。　　本文的主要研究内容和结果如下：　　（1）完成了电机驱动及再生制动控制系统总体方案设计。分析了氢燃料电池汽车动力电源供电方式和电机运行状态，给出了电机驱动及再生制动系统的技术要求，构建了电机驱动及再生制动系统的拓扑结构，对电机驱动及再生制动系统主要元器件进行选型，并提出了电机驱动及再生制动控制系统的硬件和软件设计方案，确定了永磁同步电机的滑模变结构弱磁矢量控制方法，以及再生制动控制策略。　　（2）依据电机驱动及再生制动控制系统硬件设计方案，选取TC1782作为电机驱动控制CPU，主要完成了控制系统的硬件设计，其中包括隔离驱动电路、TC1782最小系统电路、信号检测电路、安全监测电路、通信电路、电源电路、数字量输入输出接口电路的设计。TC1782最小系统电路包括时钟电路、复位电路和仿真调试接口电路的设计；信号检测电路包括转速位置检测电路、电压电流检测电路和温度检测电路的设计。　　（3）研究了电机驱动及再生制动控制策略，首先构建了永磁同步电机的数学模型，研究了永磁同步电机的矢量控制原理，包括id=0和弱磁控制。分析了永磁同步电机弱磁矢量控制策略，设计了弱磁控制器，在弱磁矢量控制的基础上设计了滑模变结构速度控制器，并分析了滑模变结构速度控制器的稳定性；分析了再生制动相关变量，研究了电池充电策略和最大可充电电流估计方法，并设计了基于回馈功率和回馈效率最大的再生制动控制策略。　　（4）根据电机驱动及再生制动控制系统软件设计方案，主要完成了控制系统的软件设计，其中包括主程序、滑模变结构弱磁矢量控制中断服务程序、再生制动中断服务程序和安全监测中断服务程序的设计。　　（5）在Matlab仿真平台上，构建了电机驱动及再生制动控制系统仿真模型，并设计了电机驱动控制仿真试验和再生制动控制仿真试验方案，对仿真结果进行了分析。仿真结果表明：本文设计的电机驱动及再生制动控制系统在启动加速、升速和降速的工况下驱动响应时间均小于100ms，且转速稳态误差均小于2%；再生制动运行时的制动响应时间小于80ms，在匀速制动和减速制动工况都能完成能量回收和再生制动运行，能同时满足电机驱动响应时间（≤100ms）、速度控制精度（±2%）、制动响应时间（≤80ms）和再生制动能量回收效率等技术指标要求。　　综上所述，本文研究结果对氢燃料电池汽车电机驱动及再生制动控制系统的研制和工程应用具有一定的理论意义和工程使用价值。
作者：	蓝贤宝
专业：	电气工程
导师：	陈静
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022