车用永磁同步电机损耗最小化控制研究

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永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine,PMSM)因具有结构简单、效率高、功率因数高、转矩密度大等优势,已经广泛运用在新能源汽车的电驱动领域。而在汽车行驶过程中,电机会产生大量损耗。车用驱动电机运行效率的提升,不仅有利于提高汽车的续航里程,也对减小能源消耗有着重大意义。目前,如何对电机损耗进行有效抑制已经成为了该领域的研究热点。在电机控制策略方面,损耗最小化控制方法有基于模型法的损耗最小化控制和基于搜索法的损耗最小化控制两类,前者依赖电机参数,电机参数变化对损耗抑制效果有影响,而后者虽然能够实时追踪损耗最优的电流运行点,但是算法收敛时间长,不适用于动态情况较多的场合。因此需要通过改进电机控制方法进一步提高电机损耗抑制及控制性能。本文的研究内容主要包括以下几个方面:(1)首先介绍了永磁同步电机在abc,αβ以及dq坐标系下的数学模型,分析了电机运行时产生的各种损耗,并针对两种可控损耗,铜耗和铁耗,建立内置式永磁同步电机损耗模型,然后根据该模型求解得损耗最小时的d轴电流隐式表达式,针对损耗模型中的重要参数铁耗电阻进行实验整定,拟合得到了铁耗电阻与电机转速的关系。最后在不同的运行工况下对某A00级车用电机进行损耗模型的分析。(2)提出了一种改进拟牛顿法的混合型损耗最小化控制方法(Improved Quasi-Newton based Hybrid Loss Minimization Control,IQHLMC)。根据拟牛顿法的基本原理,推导得到了电机损耗控制中拟牛顿递推表达式。针对输入功率监测环节中存在的各项干扰,引入了基于输入功率评价函数的搜索辅助策略来减小输入功率采样过程中的波动影响。(3)将IQHLMC和id=0控制、最大转矩电流比控制(Maximum Torque Per Ampere,MTPA)以及两种损耗最小化控制在变转矩工况和变转速工况下进行控制性能对比分析,验证了所提出算法的有效性。(4)以某A00级车用主驱动电机为研究对象,搭建了永磁同步电机实验平台。测试了在变转矩工况和变转速工况下的IQHLMC实际控制性能,然后测定并分析了IQHLMC、模型法以及标定MTPA策略在多种工况下最优d轴电流。最后,在电机全工况范围内,对比了IQHLMC,id=0控制以及标定MTPA控制的损耗抑制效果,验证了IQHLMC算法的有效性。
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