1、 分类号 密级 UDC 编号 中国科学院研究生院博士学位论文永磁型双机械端口电机的控制与应用研究指 导 教 师 中国科学院电工研究所研究员 申请学位级别 工学博士 学科专业名称 电力电子与电力传动 论文提交日期 年 月论文答辩日期 年 月 日 培 养 单 位 中国科学院电工研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 研究员 摘 要双机械端口电机是一种具有两个机械端口和两个电气端口的新型电机。与丰田 Prius 一样，基于该种电机的混合动力系统能够实现电力无级调速，已成为混合动力汽车研究领域中的一个热点。在查阅大量相关资料的基础上，本文作者针对永磁型双机械端口电机的应用中急需解决的
2、控制问题展开研究，主要研究内容如下：推导出基于永磁型双机械端口电机的混合动力系统在各工作模式下的系统数学模型，建立了集永磁型双机械端口电机及其控制器、发动机、整车为一体的机电一体化仿真模型。 弱磁控制技术是永磁同步电机控制的重要研究内容。本文基于小信号分析方法，推导出永磁同步电机弱磁控制的传递函数，提出保证系统稳定的电流环和弱磁电压环调节器 PI 参数的设计方法；设计了模糊自适应整定的弱磁 PI 控制器，将其应用于永磁型双机械端口电机的外电机控制，提高了弱磁电压调节器的动态响应速度、减小了系统超调。针对降低永磁型双机械端口内电机转速超调和提高其抗负载转矩扰动能力两个应用问题，设计了 I-P 型
3、速度控制器，实现了内电机转速环的小超调控制，减小了启/停发动机过程中作用在内外电机上的突变转矩；设计了一种基于电磁转矩反馈补偿的新型 I-P 速度控制器，提高了内电机速度环的抗负载转矩扰动能力，这是实现混合动力系统的动态功率优化分配的基础。上述永磁型双机械端口电机控制方法的有效性经过了仿真和实验的验证。 上述研究成果应用于“863”课题（北汽自主品牌混合动力汽车用 EVT 系统的开发）的永磁型双机械端口电机控制。经过国家交通部实验场的动力性能测试，该车达到了最初的设计指标，即最高车速 124km/h，爬坡度为标准坡道30%，百公里加速时间小于 30s。关键词： 永磁型双机械端口电机 PI 参数
4、 模糊自适应 PI 控制器 机电一体化仿真 IP 速度控制器 电磁转矩反馈补偿 抗负载转矩扰动The Study on Control and Application of Permanent Magnet Dual Mechnical Ports MachineGuo Xinhua (Power Electronics and Motor Drives)Directed by Wen XuhuiAbstractThe Dual Mechanical Ports Machine (DMPM) is a novel motor with two mechanical ports and two
5、electrical ports. The hybrid powertrain system based on such machine is becoming the research hotspot because it has the same functionality as the Toyota Prius and can achieve Electric Variable Transmission. Based on an extensive literature review, this dissertation focuses on the urgent issues in t
6、he control and application of Permanent Magnet Dual Machnical Ports Machine (PMDMPM). The main contents are as follows:The mathematical model of system in different working modes for the hybrid powertrain system based on DMPM is deduced, and the electromechanical integration simulation model has bee
7、n constructed with a set of DMPM and its controller, ICE and vehicle as a whole.The flux-weakening control is the key research issue for permanent magnet synchronous motor. Based on the small signal mode, the transfer function of the flux-weakening control of PMSM is developed; the design method of
8、PI parameters for current and flux-weakening voltage regulation loops is further proposed, which can guarantee the stability of the system; the flux-weakening PI controller of fuzzy self-adaptive has been designed and was used to control the outer motor of PMDMPM, which enhanced the dynamic response
9、 speed and reduced the overshoot of system.In order to solved the issues of reducing the speed overshoot of inner motor and improving the capacity of anti-load-torque-disturbance of speed loop, the IP speed controller is designed, which achieved the small overshoot of inners speed and reduced the mu
10、tation-torque on the inner and outer motors when the ICE is start or stop. A novel IP speed controller based on electromagnet torque feedback compensation is presented, which improved the capacity of anti-load-torque-disturbance of speed loop, and this is the basis of optimal power flow control in h
11、ybrid powertrain system.The control methods of Permanent Magnet Dual Machnical Ports Mahine discussed above have been validated by simulations and experiments.The research results discussed above have been applied to the control of Permanent Magnet Dual Machnical Ports Machine in the national “863”
12、projectBeijing Automotive SUV development. According to the power performance test carried out by the Proving Ground of the Ministry of Transport, the hybrid electric vehicle based on DMPM met the original design indices; the highest vehicle speed is up to 124km/h; the most grading climbing is 30% a
13、nd the acceleration time from 0 to 100km/h is less than 30s.Key Word: Permanent Magnet Dual Mechnical Ports Machine(PMDMPM); PI Parameters; Fuzzy Self-adaptive PI Controller; Electromechanical Integration Simulation; IP Speed Controller; Electromagnet Torque Feedback Compensation; Anti Load Torque D
14、isturbance;目 录摘 要 .IAbstract .III目 录 .V图 目 录 .VII表 目 录 .XI符号说明 .XII第一章 绪论 .- 1 -1.1. 引言 .- 1 -1.2. 双机械端口电机 .- 3 -1.3. 双机械端口电机的本体研究 .- 4 -1.4. 双机械端口电机的控制策略研究 .- 9 -1.4.1. 永磁同步电机的矢量控制 .- 11 -1.4.2. 永磁同步电机控制中的模糊控制技术 .- 13 -1.4.3. 永磁同步电机的转速环抗负载转矩扰动控制 .- 14 -1.4.4. 速度环抗负载转矩扰动控制中电磁转矩反馈补偿的电磁转矩观测技术 .- 15 -1
15、.5. 课题基础与论文的主要工作 .- 15 -1.5.1. 课题基础及研究的问题 .- 15 -1.5.2. 论文研究的内容和创新点 .- 17 -1.6. 论文的结构 .- 17 -第二章 基于永磁型双机械端口电机混合动力系统机电一体化仿真和控制问题分析 .- 19 -2.1. 引言 .- 19 -2.2. 整车工作模式分析 .- 19 -2.3. 不同工作模式下系统的数学模型分析 .- 21 -2.3.1. 纯电动工作模式下系统的数学模型分析 .- 24 -2.3.2. 混合驱动工作模式下系统的数学模型 .- 26 -2.3.3. 停车发电工作模式下系统的数学模型分析 .- 28 -2.
16、3.4. 启/停发动机动态过程分析 .- 29 -2.4. 机电一体化仿真模型建立及仿真 .- 30 -2.4.1. 纯电动工作模式仿真结果 .- 31 -2.4.2. 混合驱动工作模式仿真结果 .- 32 -2.4.3. 停车发电工作模式仿真结果 .- 33 -2.4.4. 发动机启/停动态过程仿真结果 .- 34 -2.5. 小结 .- 36 -第三章 永磁同步电机弱磁控制技术研究 .- 37 -3.1. 引言 .- 37 -3.2. 永磁同步电机数学模型及弱磁控制策略 .- 37 -3.3. 基于小信号分析的永磁同步电机数学模型推导 .- 38 -3.4. 永磁同步电机弱磁控制系统传递函
17、数及稳定性分析 .- 43 -3.5. 模糊自适应整定 PI 控制器在弱磁控制中的应用 .- 54 -3.6. 小结 .- 57 -第四章 基于电磁转矩反馈补偿的新型 IP 速度控制器 .- 59 -4.1. 引言 .- 59 -4.2. 传统的 PI 速度控制存在问题分析 .- 59 -4.3. 基于电磁转矩反馈补偿的新型 IP 速度控制器 .- 61 -4.3.1. IP 速度控制器的设计 .- 61 -4.3.2. 基于电磁转矩反馈补偿的新型 IP 速度控制器设计 .- 63 -4.3.3. 基于磁链观测技术的电机电磁转矩观测器 .- 68 -4.4. 基于电磁转矩反馈补偿的新型 IP
18、速度控制器的仿真和实验验证 .- 69 -4.4.1. 仿真结果 .- 69 -4.4.2. 实验验证 .- 74 -4.5. 小结 .- 79 -第五章 基于永磁型双机械端口电机混合动力系统的实现与实验研究 .- 81 -5.1. 引言 .- 81 -5.2. 发动机的转矩标定 .- 81 -5.2.1. 双机械端口电机的能量分配原理 .- 81 -5.2.2. 基于永磁型双机械端口电机的发动机转矩标定 .- 82 -5.3. 基于永磁型双机械端口电机的深度混合动力系统综述 .- 84 -5.3.1. 车辆基本参数及系统设计目标 .- 85 -5.3.2. 双机械端口电机驱动控制系统 .-
19、86 -5.3.3. 样车实验结果 .- 89 -5.4. 小结 .- 92 -第六章 全文工作总结与展望 .- 93 -6.1. 全文工作总结 .- 93 -6.2. 工作展望 .- 94 -参考文献 .- 95 -附录 I 电机参数(原型机的 1/5) .- 99 -附录 II 电机参数(原型机) .- 99 -附录 III 系统结构图简化(等效变换) .- 100 -个人简历、在学期间研究成果与发表论文 .- 112 -致 谢 .- 113 -图 目 录图 1-1 混联式混合动力系统框图 .- 2 -图 1-2 行星齿轮混合动力系统 .- 2 -图 1-3 双机械端口电机示意图 .- 3
20、 -图 1-4 双机械端口电机结构图 .- 4 -图 1-5 瑞典皇家工学院的永磁 /永磁型双机械端口电机截面图 .- 5 -图 1-6 永磁/永磁型双机械端口电机实物图 (a)内转子 (b)外转子 (c)定子 .- 5 -图 1-7 永磁/永磁型双机械端口电机实验台架 .- 5 -图 1-8 永磁/永磁型双机械端口电机温度场分析结果 .- 6 -图 1-9 不同的水道和流速下的定子绕组温度和改善后的温度场分析结果 .- 6 -图 1-10 TNO 研制异步 /异步双机械端口电机实验台架 .- 7 -图 1-11 异步/异步双机械端口电机内转子 700r/min 时外转子的输出特性 .- 7
21、-图 1-12 电工所的 1:5DMPM 原型机 .- 8 -图 1-13 电工所的 1:1DMPM 原型机 .- 8 -图 1-14 上海大学 DMPM 样机 .- 8 -图 1-15 华中科技大学无刷双馈双转子电机工作原理图 .- 9 -图 1-16 两种不同结构的永磁型双机械端口电机 .- 10 -图 1-17 永磁型非统一磁场双机械端口电机在混合动力汽车中的应用示意图 .- 11 -图 1-18 双机械端口电机的控制策略框图 .- 16 -图 2-1 基于永磁型非统一磁场双机械端口电机的混合动力汽车示意图 .- 20 -图 2-2 基于永磁型双机械端口电机的混合动力系统状态迁移图 .- 21 -图 2-3 车辆坐标系 .- 22 -图 2-4 作用在车上的力* MERGEFORMAT .- 23 -图 2-5 车轮稳态驱动力 .- 24 -图 2-6 纯电动工作模式下的系统拓扑图 .- 25 -图 2-7 纯电动工作模式下外电机的矢量图 .- 25 -图 2-8 非统一磁场双机械端口电机矢量图 .- 26 -图 2-9 停车发电工作模式下的系统拓扑图 .- 29 -图 2-10 机电一体化系统仿真模型 .
