考虑电机温度变化的车用永磁同步电机精确转矩控制方法研究

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永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)因其高功率密度、高转矩密度、宽弱磁范围等特点而被广泛应用于电动汽车的驱动系统中。然而,永磁同步电机高功率密度与高转矩密度带来的温升问题尤为凸显,当电机本体温度变化时,其关键的电磁参数和运行特性将随之改变,导致电机控制性能降低,反映电机平均转矩特性的转矩精度下降,严重影响电动汽车的性能。本文针对电机温度变化下电机转矩精度下降的问题,以某电动汽车用内置式永磁同步电机(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor,IPMSM)为研究对象,完成从模型建立到性能分析,再到主动控制的相关研究,具体的研究内容如下:(1)考虑电机温度影响的车用内置式永磁同步电机建模。建立同步旋转坐标系下永磁同步电机传统的集中参数模型,针对该模型忽略了电机温度影响的局限性,为进一步建立考虑电机温度影响的电机数学模型,分析电机温度对电机材料关键性能参数的影响;然后建立内置式永磁同步电机二维有限元模型,通过限元仿真与数据处理得到不同电机温度下的电流-磁链反向映射MAP、电流-电感MAP,同时结合永磁体磁性能热稳定性,在电机传统集中参数模型的基础上建立考虑电机温度影响的内置式永磁同步电机集中参数模型,包括电磁与转矩模型,最后通过仿真对比验证所建立的电机数学模型的有效性和精度。(2)车用内置式永磁同步电机磁-热双向耦合建模。基于磁-热双向耦合思想,提出具体的用于电机温度估计的磁-热双向耦合技术路线;基于永磁同步电机各材料电阻、磁密、电导率等的温度特性建立考虑电机温度影响的电机损耗模型;根据传热学原理和电机损耗分布对电机进行节点划分,建立内置式永磁同步电机的等效热网络模型,再联合考虑电机温度影响的电机电磁模型与损耗模型建立车用内置式永磁同步电机磁-热双向耦合模型,实现在线准确估计电机温度;最后进行电机温升台架试验,验证电机磁-热双向耦合模型的准确性。(3)电机温度对车用内置式永磁同步电机特性的影响分析。假设电机内部温度相同,基于电机有限元模型在不同电机温度下的仿真数据推导电机温度解析数学模型,定量分析电机温度对内置式永磁同步电机磁链、电感、输出转矩三种基本特性的影响;然后基于永磁同步电机矢量控制下的运行特点,进一步分析电机温度对电机运行特性的影响,得到电机温度对车用内置式永磁同步电机特性的影响规律,为提出考虑电机温度变化的电机精确转矩控制方法奠定基础。(4)考虑电机温度变化的车用内置式永磁同步电机的精确转矩控制。搭建考虑电机温度变化的矢量控制系统框架,并分析空间矢量脉宽调制(Space vector pulse width modulation,SVPWM)实现过程;然后基于电机温度对电机特性的影响,分析参考电流分配原理,针对电机平均转矩特性,提出考虑电机温度变化的基于电感在线查表和永磁体磁链在线计算的转矩/基波参考电流分配策略,在考虑电机温度影响的电机模型和电机磁-热双向耦合模型的基础上,建立考虑电机温度变化的电机精确转矩控制系统模型。最后仿真验证所提出的考虑电机温度变化的车用内置式永磁同步电机精确转矩控制方法在不同工况和环境温度下的有效性。
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