电动汽车用永磁同步轮毂电机转矩跟踪控制

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1、纯电动汽车用永磁同步轮毂电机转矩跟踪控制TorqueTrackingControlofPermanentMagnetSynchronousin-WheelMotorforElectricVehicle作者姓名:姚荣子专业名称:控制理论与控制工程指导教师:解小华教授学位类别:工学硕士论文答辩日期:2015年6月6日前前前言言言在当今电动汽车研究领域，轮毂电机技术的应用，可实现电动汽车的各个轮胎驱动力独立可控，整车的动力性更为灵活、方便。本文根据整车以转矩需求为中心的控制策略和永磁同步电机机械外特性，提出永磁同步轮毂电机输出转矩快速、精确的跟踪期望转矩的控制目标。本文研究了矢量

2、控制算法和直接转矩控制算法，通过做理论分析和对比实验，发现矢量控制算法控制更稳定，直接转矩控制算法控制更快速。为利用两种算法的优点来实现快速并精确的转矩跟踪控制，本文将矢量控制算法中的SVM技术代替直接转矩控制中的查表控制，利用非线性算法“三步法”设计电机转矩控制器，利用扩展卡尔曼算法代替传统直接转矩控制算法中的电压、电流纯积分磁链估计器，设计全新的永磁同步轮毂电机控制系统来实现转矩跟踪控制目标。本文的研究工作得到了国家863计划项目“轮边电驱动系统关键零部件及其底盘应用技术研究”(No.2012AA110701)的资助。摘摘摘　　　要要要电电电动动动汽汽汽车车车用用用永永

3、永磁磁磁同同同步步步轮轮轮毂毂毂电电电机机机转转转矩矩矩跟跟跟踪踪踪控控控制制制学学学生生生姓姓姓名名名：：：姚姚姚荣荣荣子子子专专专业业业名名名称称称：：：控控控制制制理理理论论论与与与控控控制制制工工工程程程指指指导导导教教教师师师：：：解解解小小小华华华教教教授授授为摆脱对不可再生的石油能源的依赖和减少对空气的污染量，汽车行业一直在努力研发更为先进可靠的电动汽车。电动汽车与传统燃油汽车的最大区别在于采用由电池能源供电的电机驱动系统，目前有集中式驱动和分布式驱动。轮毂电机驱动技术因其节省空间和提高汽车整车控制性能等优点，成为当前热门研究对象。本文基于整车以转矩需求为中心

4、的控制策略，确定了对轮毂电机进行转矩跟踪控制的研究。本文主要解决轮毂电机力矩精确控制问题，以满足电动汽车良好的驾驶性能。本文针对电动汽车对轮毂电机提出的启动转矩大、功率密度大、可靠性高等性能要求，选择具有功率密度高、转矩性能好和过载能力强等优点的永磁同步电机（PMSM）作为轮毂电机的电机本体，并对轮毂电机和永磁同步电机的机械结构做详细介绍。为了解和简化PMSM的数学模型，本文利用坐标转换原理将PMSM在ABC三相数学模型分别转换为αβ轴数学模型和dq轴数学模型。本文针对目前发展和应用最为成熟的矢量控制算法（FOC）和直接转矩控制算法（DTC）进行理论分析和实验对比，可知矢量

5、控制算法能稳定控制电机，但算法中的坐标变换增加了算法的计算量，需要实时监测电机位置；直接转矩控制算法能快速控制电机，但同时存在转矩脉动大、控制稳定性较弱的特点。本文决定将两种算法的优点相结合，并利用更先进的估计算法和控制算法设计出可以实现快速并精确控制电机的算法。本文的主要创新点：1.本文采用EKF算法搭建DTC中的磁链估计器。针对PMSM具有的非线性、强耦合及参数不确定特点，EKF算法具有比传统DTC中纯积分估计器更强的抗干扰性，并且可以避免纯积分固有的误差累计及积分饱和问题，估计更精确，动态性能更好。2.本文将FOC算法中的SVM技术应用到传统DTC中，代替开关表查询模

6、块。传统开关表查询只在单位采样时间发送一个基本电压单位矢量，对电机进行近似控制，SVM通过单位电压矢量间的合成来给电机输出合适的控制电压，可以改善传统开关表所带来的磁链、转矩脉动问题。3.本文针对永磁同步电机非线性、强耦合及参数不确定特点，采用先进的非线性控制算法“三步法”对电机进行控制。三步法控制算法包含稳态控制环节、前馈控制环i节和误差反馈控制环节，层层递进，控制结构严谨，三步法控制增益可随系统状态而变，对电机运行在不同工作状态中具有一定的自调节功能，鲁棒性强，提高对电机的控制性能，更好的实现快速精确的转矩跟踪控制目标。关关关键键键词词词：：：轮毂电机，转矩跟踪控制，永

7、磁同步电机，矢量控制，直接转矩控制，扩展卡尔曼，三步法iiAbstractTorqueTrackingControlofPermanentMagnetSynchronousin-WheelMotorforElectricVehicleCandidate:YaoRongziSpecialty:ControlTheoryandControlEngineeringSupervisor:Prof.XieXiaohuaTogetridofthedependenceonnon-renewableenergyofoilandre