混合动力汽车双机械端口电机及其控制系统研究

混合动力汽车双机械端口电机及其控制系统研究

华中科技大学博士学位论文
姓名：庞珽
申请学位级别：博士
专业：电机与电器
指导教师：黄声华
2010-07-02

摘  要

随着能源问题日益严重和节能减排呼声的日益高涨，电动汽车成为世界范围内研究的热门问题。作为过渡产品的混合动力电动汽车，已经具备较多的基础和市场化条件，成为目前研究的一个重要领域。电无级变速器是一种新型的混合动力汽车传动系统，以其特有的优势引起了国内外广泛的关注。本文对电无级变速器及其核心双机械端口电机进行了建模，控制策略，控制系统，辅助系统，系统配合等问题进行了深入的分析和研究，并通过仿真，实验等手段对理论分析进行了验证。
本文首先建立双同步坐标系作为双机械端口电机理论分析和数学建模以及控制策略的基础。从简化的理想双机械端口电机入手，分别建立了它在静止坐标系和双同步坐标系下的电压、磁链方程、电磁转矩表达式和转子运动方程，对自感和互感参数进行了详细的计算，给出了两套坐标系之间的变换关系，然后建立了双机械端口电机瞬态分析的状态方程模型。在理想双机械端口电机模型的基础之上，将问题进一步深入和推广，建立了与实际系统更加接近的耦合双机械端口电机数学模型，分别建立电机在静止坐标系和双同步坐标系下的电压、磁链方程、电磁转矩表达式和转子运动方程，并对电感参数进行了详细的计算，给出了两套坐标系之间的变换关系以及双机械端口电机瞬态分析的状态方程模型。然后，提出双机械端口电机基于受控电压源的等效电路。
对现有的混合动力汽车控制策略进行分析和总结，本文提出采用电无级变速器的混合动力汽车基本控制策略，详细分析了各种控制策略的工作方式以及采用电无级变速器实现的具体途径，并以此为目标对双机械端口电机的控制策略提出要求。根据混合动力汽车汽车整车控制要求，制定了双机械端口电机的转速-转速控制模式和转矩-转速控制模式，从而实现电无级变速器四象限运行所有工况的控制以及整车高效率运行的目标。为提升转速范围，给出了双机械端口电机弱磁控制策略。然后给出了双机械端口电机控制器的硬件和软件设计。
双机械端口电机控制系统中，双向DC/DC变换器作为储能装置与动力系统的中间环节，具有能量双向传递和维持电机控制器直流母线电压稳定性的重要作用。本文介绍了一种新型的采用移相控制技术的双向DC/DC变换器，分析了其控制原理，软开关实现条件以及传输功率表达式等。并给出了双向DC/DC变换器的样机硬件设计和软件设计方案。
通过仿真和实验研究，对本文提出的双机械端口电机控制策略及整车中控制目标的实现进行了验证和总结，并对双向DC/DC变换器的工作原理，传输功率以及控制策略进行了验证。
本文最后针对双机械端口电机的新技术和新问题进行了研讨，提出了改进型的结构——无刷双机械端口电机，介绍了其工作原理以及结构形式。在对电机耦合数学模型研究的基础上，提出一种基于坐标变换策略的双机械端口电机解耦控制策略，并对其进行了理论上的分析和验证。  

关键词：电无级变速器，双同步坐标系，数学模型，控制系统，弱磁控制， 双向DC/DC变换器，无刷双机械端口电机，解耦控制