车用永磁同步电机MTPA控制优化策略研究

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永磁同步电机具有启动转矩较高、结构相对简单、调速域广等优点,因此大量应用于新能源汽车领域。作为动力系统关键部件,永磁同步电机控制技术尤为关键。因此,完善其控制技术、提高其控制性能,有着重要的科学理论意义与工程实践意义。由于永磁同步电机是一种变量多且相互之间强耦合、较为复杂的非线性系统,电机的电流环PI控制器的参数整定比较复杂,在一定程度上会对电机的整体控制性能产生影响。本文将秃鹰算法(BES)引入电机控制系统,通过该算法对电机电流环的PI参数进行自整定,通过寻找最优Kp、Ki参数以提高参数整定的效率,进而提高电机转矩和电机的运转稳定性,降低电流内损耗。对优化效果进行量化分析,并与粒子群算法(PSO)的控制效果进行比较。本文依次展开的主要工作如下:首先,建立永磁同步电机数学模型,面向本文的优化目标,选择合适的矢量控制策略。分析永磁同步电机的运行原理并建立电机数学模型。基于空间坐标变换原理对模型进行简化,以便于实现矢量控制策略。分析多种矢量控制方法的优劣,采用空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)进行电机运行过程中的调速,选择最大转矩电流比控制(MTPA)优化定子电流幅值,并结合弱磁控制扩大电机的调速速域。其次,基于PSO算法和BES算法分别设计电机电流环PI控制器,比较两种算法的性能。在同样的电机参数条件下,分别将BES算法和PSO算法应用于电机的电流环PI控制器中。基于同样的种群数量、维度等初始化参数,在同样的解空间范围内分别利用两种算法寻找最优的Kp、Ki参数。通过对比两者的适应度曲线及单位阶跃曲线,对秃鹰算法的寻优性能做出评价。最后,搭建永磁同步电机的仿真模型,嵌入优化的PI控制器,通过仿真分析电机的动力性能与经济性能。基于Matlab/Simulink平台,搭建电机的控制仿真模型。将应用BES算法与PSO算法的PI控制器分别嵌入模型,分析得到电机运行时的转速曲线、转矩曲线、定子电流曲线,进而对基于两种算法下及传统MTPA控制下的电机动力性能进行比较分析。再通过电流积分求得电机的有效电流,计算得到电机的能耗减少率,由此对电机的经济效能进行量化评价。仿真实验表明,BES算法寻优迭代次数明显小于PSO算法,单位阶跃曲线上升较快,且超调量较小。基于BES算法优化的控制策略,电机的性能得到较大改善:电机的转矩较大,亦即电机的输出功率较大;电机的定子电枢电流较小,产生的电机电量损耗较小;电机转速的提升比较平稳,降低了能量的内耗。分析电机能耗,知BES策略下电流产生的能耗比传统控制策略下电流产生的能耗降低了近61%,比PSO策略下的电流产生的能耗降低了近22%。本文的改进策略能够有效提升电机的动力性能与经济效能。
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