低速电动汽车交流异步电机矢量控制系统研究及应用

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近年来我国雾霾污染日益加重,造成污染的一个主要原因就是传统燃油汽车的尾气排放,纯电动汽车的发展将大大减轻这一污染情况。从我国目前的市场容量、技术水平看,速度在40-60km/h的低速电动汽车具有经济性能好、节能环保、使用成本低、充电方便等优势,是二、三线城市最经济、最环保、最易推广的交通工具,是我国实现绿色交通的战略选择。电机驱动控制系统是保证电动汽车正常运行的关键部件,其控制性能影响着电动汽车的动力和续行里程。目前使用在低速电动汽车上的电机主要包括:无刷直流电机(BLDC)、永磁同步电机(PMSM)和交流异步电机(ACIM),BLDC通常采用六步换向法进行控制,虽然控制算法相对简单,但是与其他两种电机相比运转效率较低、转矩脉动较大。PMSM由于反电势为正弦波通常采用矢量控制方式,其转矩脉动小、运转效率高且调速性能良好,但其制造成本偏高,且反电势的存在使其可靠性也有所降低。ACIM同样采用矢量控制,虽然效率相比PMSM较低,但其调速性能好、可靠性高且成本低。考虑到低速电动汽车的成本及应用场景,本文选取ACIM作为研究对象。首先分析了ACIM的基本工作原理并建立了数学模型。在此基础上分析了ACIM的矢量控制原理,然后深入分析了矢量控制中电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术的原理,针对传统SVPWM在实际应用中由于死区时间影响引起的电流畸变,提出了一种基于时间的死区补偿方法,该方法有效的减小了电流畸变、运行噪声和转矩脉动。接下来针对低速电动汽车速度传感器易损坏且维修困难的问题,提出了一种基于自适应滑模速度观测器的无传感器控制算法,消除了滑模观测器高频速度抖动现象,同时通过MATLAB/Simulink对该方法建立了仿真模型,仿真结果表明该方法具有良好的电流和转速追随性。在完成理论分析的基础上,采用恩智浦(NXP)公司的KV58F1M0VLQ22作为主控芯片设计了最小系统,该芯片具有DSP及FPU单元因此运算速度很快,为复杂控制算法的实现提供了可靠的硬件基础。在最小系统的基础上,针对低速电动汽车5KW交流异步电机的应用需求,进行了软硬件系统的整体设计。最后将所选电机和设计的控制器与实验平台进行匹配组装实验,由波形和实际测试数据分析可以看出,本文所设计的控制器满足低速电动汽车的应用需求,且车辆可以在传感器损坏的状态下继续运行。
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