【摘 要】
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电驱动系统是纯电动汽车的核心装置,负责提供动力驱动汽车行驶。将电机、控制器、传动装置高度集成的一体化电驱动系统,由于结构紧凑且具有较高功率密度,成为纯电动汽车技术领域重点研发方向。然而,电机和齿轮传动系统的高度耦合,导致一体化电驱动系统表现出复杂的响应特性,尤其体现在扭转振动方面,为电驱动技术的发展带来了新的挑战。本文针对一体化电驱动系统的扭转振动问题,完成了从建模分析到扭振主动抑制方法的研究,主
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电驱动系统是纯电动汽车的核心装置,负责提供动力驱动汽车行驶。将电机、控制器、传动装置高度集成的一体化电驱动系统,由于结构紧凑且具有较高功率密度,成为纯电动汽车技术领域重点研发方向。然而,电机和齿轮传动系统的高度耦合,导致一体化电驱动系统表现出复杂的响应特性,尤其体现在扭转振动方面,为电驱动技术的发展带来了新的挑战。本文针对一体化电驱动系统的扭转振动问题,完成了从建模分析到扭振主动抑制方法的研究,主要体现在以下几个方面:(1)车用内置式永磁同步电机建模。建立了车用内置式永磁同步电机电磁场二维有限元模型,并进行了基本性能仿真验证。针对传统集中参数模型的局限性,基于有限元仿真和电机学理论,分析了影响电机转矩特性的非线性因素,证明了建模中考虑电机磁链谐波和磁饱和特性对准确反映电机转矩特性的必要性。基于电流-磁链反向映射MAP建立了电磁子模型,基于磁共能理论和磁链数学解析式构造建立了瞬时转矩波动子模型,并通过仿真对比验证了所建立的转矩数学模型精度,最后联合建立了考虑磁链谐波与磁饱和特性的电机模型。(2)电机控制系统建模。分析了矢量控制和空间矢量脉宽调制(Space vector pulse width modulation,SVPWM)原理,建立了基本矢量控制模型。基于对电机电流运行区域和电流分配原理的分析,提出了适应全工况的包括最大转矩电流比(Maximum torque per ampere,MTPA)控制、弱磁控制的转矩/基波参考电流点解析计算方法。分析了电机本体磁饱和特性对电机运行特性的影响规律,证明了制定转矩/基波参考电流分配策略时考虑电机本体磁饱和特性的必要性,在此基础上建立了基于电感在线查表的考虑电机磁饱和特性的基波参考电流分配策略。最后通过仿真验证了电机控制系统模型与电机本体模型具有良好的匹配性能,电机平均输出转矩能快速响应并跟随需求转矩指令。(3)传动系统建模及机电耦合特性分析。分析了齿轮时变啮合刚度、啮合误差和齿侧间隙等非线性激励,建立了斜齿轮副啮合纯扭转动力学模型。考虑弹性轴刚度和阻尼,基于牛顿第二定律建立了传动系统七自由度动力学模型,并对其进行了固有特性分析。通过与电机及其控制系统模型转矩转速耦合,建立了一体化电驱动系统机电耦合模型,进行了稳态工况与瞬态工况下的机电耦合特性分析。基于对系统各部件物理信号的响应分析,讨论了在电机转矩波动与齿轮啮合多激励源共同作用下一体化电驱动系统存在的扭振现象及机理,为提出主动抑制方法奠定了理论基础。(4)一体化电驱动系统扭振主动抑制方法研究。考虑到一体化电驱动系统中来自电机本体的转矩波动激励,基于瞬态转矩波动模型所反映的转矩与谐波电流的耦合关系,提出了一种抑制电机本体转矩脉动的参考谐波电流指令的解析计算方法;并设计了谐波电流比例积分谐振(Proportional integral resonant,PIR)控制器用于控制实际电流准确跟随参考谐波电流指令,提出了基于主动谐波电流注入的稳态扭振抑制方法。建立了传动系统二自由度简化模型,在对系统幅频响应特性分析的基础上,提出了基于状态反馈控制的瞬态扭振抑制方法。最后通过仿真验证表明,本文提出的基于主动谐波电流注入的稳态扭振抑制方法能通过注入谐波电流产生额外的谐波转矩,有效抵消由电机本体磁链谐波和齿槽转矩导致的转矩波动,从而减小电机转矩波动激励对传动系扭振的影响。本文提出的基于状态反馈控制的瞬态扭振抑制方法能有效减小系统在急加速起步等瞬态工况下的抖振问题,减小系统部件所受动载荷,提高整车舒适性。
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