纯电动汽车一体化电驱动系统机电耦合特性研究及控制策略优化

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电驱动总成是新能源汽车核心部件,其产品集成设计与制造可以大幅提高汽车驱动系统效率、功率密度、NVH性能和可靠性。驱动电机与减速器集成可以有效减小电驱动总成体积、重量及成本,已经成为电驱动总成发展的重要趋势。当前国内外对电机电气系统及齿轮传动系统均有研究,但是鲜有考虑机械系统和电气系统间的耦合作用对电驱动总成系统动态性能的影响。本文以一款一体化电驱动系统(永磁同步电机+斜齿轮减速器)为研究对象,拟搭建详细的永磁同步电机控制系统动态模型及纯电动汽车传动系统扭转振动模型,以研究一体化电驱动系统机电耦合特性。在此基础上,通过改进电机控制策略,提升一体化电驱动系统工作性能。本文主要研究内容如下:(1)基于矢量控制原理,建立永磁同步电机转矩/转速控制框架,并进一步设计了转矩模式、转速模式下的电机控制系统参数。结合最大转矩电流比控制、弱磁控制,联合计算电机参考电流,保证电机低速工况下可保持最大转矩输出,高速工况下可保持最大功率输出。采用SVPWM算法控制逆变器开关,并在此基础上分析逆变器死区、压降效应与电机电磁转矩谐波间的关系,创建了永磁同步电机谐波转矩数学模型。(2)通过分析斜齿轮啮合过程,得到齿轮啮合刚度与啮合角位移之间的关系。考虑时变啮合刚度、啮合误差等非线性因素对齿轮传动的影响,采用集中参数法建立斜齿轮瞬态动力学模型。在此基础上,建立搭载一体化电驱动系统的纯电动汽车动力传动系统扭转振动模型,并进一步分析传动系统的固有特性及模态振型。基于整车扭转振动模型,通过参数灵敏度分析研究了一体化电驱动系统各部件参数对整车传动系统固有频率的影响规律。(3)基于完整的永磁同步电机控制系统模型及整车动力传动系统扭转振动模型,仿真分析一体化电驱动系统在汽车匀速工况、急加速工况及冲击载荷工况下的机电耦合特性。通过观测不同工况下一体化电驱动系统定子电流、电磁转矩、各部件转速、减速器齿轮啮合力、汽车加速度等参量在时频域中的变化情况,分析了一体化电驱动系统机电耦合效应的产生机理及原因,为一体化电驱动系统控制策略优化提供了理论基础。(4)基于匀速工况、急加速工况及冲击载荷工况下的一体化电驱动系统机电耦合效应分析结果,本文提出了一种基于电机转矩补偿的主动阻尼控制策略,并通过仿真验证该策略可有效抑制急加速工况下的一体化电驱动系统各部件转速波动,降低齿轮啮合力,提升整车行驶舒适性。同时,本文通过注入谐波电压的方式来抑制电机谐波电流,削弱电机谐波转矩,从而降低电机转速波动幅值并减小一体化电驱动系统动载荷。永磁同步电机主动阻尼控制策略及谐波转矩抑制策略可有效降低系统动载荷,延长一体化电驱动系统寿命并提升汽车行驶舒适性。
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