基于无位置传感器的永磁复合轮毂电机直接转矩控制研究

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21世纪以来,电动汽车因其无污染、噪声小和效率高等显著优势已成为实现交通可持续发展的必由之路。电机驱动系统作为电动汽车的关键部件之一,便成为汽车领域的研究热点。本文研究用新型永磁复合轮毂电机具有高效率、高功率密度、高可靠性等优点,特别适合应用于驱动电动汽车。电动汽车对电机驱动系统的动态性能具有较高的要求,希望能在最短的时间内使转子得到响应。与矢量控制(VC)相比,直接转矩控制(DTC)具有转矩响应快、系统结构简单以及对参数变化鲁棒性强等优点。但传统直接转矩控制也存在着转矩和磁链的脉动较大等问题,因而,本文对该永磁复合轮毂电机驱动控制系统提出了一种改进型直接转矩控制算法。然而,实现该算法就需利用位置传感器来精确地检测出电机的位置和转速信号,而额外的位置传感器在电动汽车中使用时会降低整车系统的可靠性。为了解决这类问题,本文又对永磁轮毂电机用位置传感器的容错控制进行了研究。  首先,阐述了本课题的研究背景和意义,介绍了基于磁齿轮的永磁复合轮毂电机的国内外研究现状、永磁同步电机控制方式、永磁同步电机直接转矩控制的研究状况以及无位置传感器控制技术的研究状况;分析了该永磁复合轮毂电机的结构特点和工作原理,并建立了该电机的数学模型。  其次,从理论上分析了基于SVPWM的直接转矩控制(SVM-DTC)算法,并从减小电流直轴分量的角度,在定子磁链控制中采用了磁链自适应方法,从而降低了电机损耗,提高了电机运行效率。基于Matlab/Simulink搭建了该永磁复合轮毂电机的改进型直接转矩控制系统的仿真模型,并对仿真结果进行了研究。  然后,针对传统滑模观测器存在的问题,研究了基于新型滑模观测器的无位置传感器控制技术,采用sigmoid函数代替了传统开关函数;为了解决传统滑模观测器中低通滤波器带来的相位延迟问题,采用反电势观测器代替了传统滤波器以获得反电势;同时运用了反电势反馈增益系数的自适应算法,通过该系数的自适应调节提高了转子位置估算的精确度。在此基础上,搭建了基于新型滑模观测器的永磁复合轮毂电机直接转矩控制系统仿真模型,并对仿真结果进行了研究。  最后,基于dSPACE设计了基于无位置传感器的永磁复合轮毂电机直接转矩控制系统的软硬件实验测试平台,并通过实验研究验证了所提控制算法的可行性和有效性,为永磁复合轮毂电机在驱动领域的实际应用打下了理论与技术基础。
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