永磁同步电机磁链环相环控制研究专业电气工程及其自动化_开题报告

    目前电动汽车驱动电动机主要有:直流电动机(DC),感应电动机(IM)，永磁电动机(BDCM和PMSM)和开关磁阻电动机(SRM)，各种电机驱动系统综合性能评价。无整流器(无刷)电动机与直流电动机相比，它具有效率高、功率密度高、生产成本低和免维护等优点。无整流器电动机包括感应(异步)电动机、永磁同步电动机(无刷直流电动机)和开关磁阻电机等。其中永磁同步电机作为无整流器电动机，其技术成熟、可靠性好、无需维护，因而被广泛应用于电动汽车上。因此本文选择具有广泛代表性的永磁同步电机作为具体研究的对象，对永磁同步电机进行数学建模，并使用扩展卡尔曼滤波实现状态观测。为后面的故障诊断和容错控制打下基础。

（一）国内外研究现状

自20世纪80年代以来,随着电力电子技术、微电子技术及新型电机控制理论的快速发展,永磁同步电机( Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)由于具有气隙磁密高、转矩脉动小、转矩/惯量比大、效率高等优点,在诸如高性能机床进给控制、位置控制、机器人等领域, PMSM得到了广泛的应用。1971年,德国西门子公司的F. Blaschke提矢量控制理论(Field Oriented Control, FOC),使交流电机控制理论获得质的飞跃。矢量控制的核心思想是将电机的三相电流、电压、磁链经坐标变换变成以转子磁链定向的两相参考坐标系,参照直流电机的控制思想,完成电机转矩的控制。磁场定向矢量控制的优点是有良好的转矩响应,精确的速度控制,零速时可实现全负载。但是,矢量控制系统需要确定转子磁链,要进行坐标变换,运算量很大,而且还要考虑电机转子参数变动的影响,使得系统比较复杂,这是矢量控制存在的不足之处。1985年,德国鲁尔大学Depenbrock教授和日本学者T akahashi提出直接转矩控制DirectTorque Control, DTC)。它通过对定子磁链定向,实现对定子磁链和转矩的直接控制。其控制思想是通过实时检测电机转矩和磁链的幅值,分别与转矩和磁链的给定值比较,由转矩和磁链调节器直接从一个离线计算的开关表中选择合适的定子电压空间矢量,进而控制逆变器的功率开关的状态。直接转矩控制不需要复杂的矢量坐标变换,对电机模型进行简化处理,没有脉宽调制PWM信号发生器,控制结构简单,受电机参数变化影响小,能够获得较好的动态性能。但是也存在着一些不足:如逆变器开关频率不固定;转矩、电流波动大;实现数字化控制需要很高的采样频率等。中国新能源汽车产业始于21世纪初。2001年，新能源汽车研究项目被列入国家“十五”期间的“863”重大科技课题，并规划了以汽油车为起点，向氢动力车目标挺进的战略。“十一五”以来，中国提出“节能和新能源汽车”战略，政府高度关注新能源汽车的研发和产业化。2006-2007年，中国新能源汽车产业取得了重大的发展，中国自主研制的纯电动、混合动力和燃料电池三类新能源汽车整车产品相继问世；混合动力和纯电动客车实现了规模示范；纯电动汽车实现批量出口；燃料电池轿车研发进入世界先进行列。2007年12月，长安汽车自主开发的中国首款混合动力汽车——杰勋HEV量产下线。2008年，新能源汽车在国内已呈全面出击之势。2008年或将成为中国“新能源汽车元年”。 比亚迪F3DM于2008年12月15日上市，售价14.98万元。2008年1-6月，中国新能源汽车累计销量366辆，同比劲增107.95%[1]。

同济大学在国家“十一五”期间承担了国家863燃料电池汽车（FCV）项目，研发了三代燃料电池汽车动力系统，成功应用于燃料电池轿车和城市客车上，积累了大量的工程实践经验，为燃料电池轿车的产业化奠定了扎实的基础。

目前全世界包括中国已经有各种燃料电池汽车相继进行了示范运用。 作为重要的公共交通工具，其发生故障后，直接威胁人的生命安全和公共交通秩序，燃料电池汽车对于故障的容错能力也成为了一个不得不重视的问题。据有关文献记载,应用状态监测与故障诊断技术后,事故发生率可降低75%，维修费用可减少25%～ 50% [2]。能否有效诊断故障，并且在发生故障后通过容错手段保证车辆的基本性能不受影响，将损失降至最低，是我们急待解决的问题。 

（二）研究意义

随着我国经济的迅速发展和汽车保有量的高速增长，正面临汽车能源需求与环境保护的双重巨大压力。近年来，汽车行业为了应对这些挑战，在以电动汽车（混合动力汽车、燃料电池汽车、纯电动汽车）为代表的新能源汽车方面投入了大量的人力，物力并取得了重大的进展。

国外汽车制造巨头押宝新能源汽车。在今年的巴黎车展上，各大汽车巨头发展新能源的强烈信号暴露无遗，众多汽车制造商不约而同地将更符合现在消费形势的“节能环保”作为最大卖点。在通用汽车百年庆典之际，推出了雪佛兰电动车VOLT，并将于2010年推向市场。在VOLT即将量产的刺激下，丰田汽车宣布将在美国扩大混合动力产品普锐斯的产品线，在2010年之前推出可充电的混合动力汽车，并发展普锐斯之外的多个混合动力品牌。丰田汽车宣布，截至2008年4月末，混合动力车“普锐斯（Prius）”的全球销量约为102万8000辆。该车自1997年12月上市以来历经10年零5个月，销量突破了100万辆。由于落后于丰田和本田在混合动力汽车方面的发展，日产汽车和三菱汽车已经明确绕过混合动力汽车而将纯电动汽车作为研究方向，日产宣布将于2010年量产纯电动汽车，而三菱的电动车型iMiEV车型将于明年推出。 

二、^范文提纲

第1章 绪论

1.1 ^范文研究的目的和意义

1.2 国内外现状分析及发展趋势

第2章  燃料电池轿车驱动系统模型

2.1  概述

2.2  永磁同步电机数学模型

2.2.1  三相静止坐标系下定子绕组电压平衡方程

2.2.2  PMSM在α－β静止坐标系下数学模型

2.2.3  PMSM在d－q旋转坐标系下数学模型

2.2.4  永磁同步电机机械模型

2.3  永磁同步电机矢量控制技术

2.4  燃料电池轿车驱动控制仿真

2.4.1  Matlab/Simulink系统建模

2.4.2  燃料电池汽车驱动仿真

第3章 基于扩展Kalman滤波的燃料电池汽车驱动系统故障诊断及容错控制

3.1非线性系统故障诊断的滤波方法

3.2 Kalman滤波理论

3.3基于EKF的PMSM状态观测器

3.3.1  永磁同步电机α－β系状态观测器

3.3.2  永磁同步电机状态观测器离散化模型

3.3.3  基于EKF的PMSM观测器模型

3.4  基于EKF的PMSM状态观测仿真

3.4.1 电机旋转角度观测

3.4.2  电流观测

3.4.3  电机速度观测

3.5  基于EKF的驱动电机故障诊断及容错控制

3.5.1 故障诊断残差模型

3.5.2 电流传感器增益故障诊断

3.5.3 电流传感器静态偏差故障诊断

3.5.3 位置传感器故障容错控制

第4章 基于锁相环的燃料电池汽车驱动系统故障诊断及容错控制

4.1  概述

4.2  永磁同步电机磁通估计电压模型

4.2.1  磁通估计电压模型

4.2.3  改进电压模型

4.3  锁相环原理

4.3.1  锁相环组成和工作过程

4.3.2  鉴相器数学模型

4.3.3  环路滤波器数学模型

4.3.4  压控振荡器数学模型

4.3.5  锁相环的相位模型

4.4.6  锁相环的捕捉带与同步带

4.4  基于锁相环的永磁同步电机位置估计模型

4.4.1  基于锁相环的PMSM位置估计模型

4.4.2  基于锁相环的PMSM位置估计系统稳定性分析

4.5  基于锁相环位置估计算法的燃料电池汽车驱动系统故障诊断及容错控制仿真

4.5.1  基于锁相环的PMSM位置估计算法仿真

4.5.2  基于锁相环的PMSM位置估计算法FCV驱动系统故障诊断

4.5.3  基于锁相环的PMSM位置估计算法FCV驱动系统容错控制

4.6  永磁同步电机凸极效应对算法的影响

第5章  结论

参考文献

致谢

三、参考文献

Roland E.Best．锁相环设计、仿真与应用[M].北京：清华大学出版社．2007：29-30

刘艳．混合动力汽车感应电机转矩控制系统研究[M]．大连：大连理工大学出版社，2006： 101-102

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房方．控制系统传感器故障的检测与诊断研究[J].华北电力大学学报，2001（7）:35-38

程伟，张晓辉．燃料电池汽车用电机驱动系统选型及性能参数研究[J].新能源汽车， 2008(1) :8-12

谢宝昌, 任永德．电机的DSP控制技术及其应用[M].北京：北京航空航天大学出版社．2005：29-30

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郑海荣，黄刘生．故障诊断技术研究及其应用[J].自动化博览，2004(5) :78-82

潘峰．异步电动机转子磁链观测方法的比较与研究[J].变频器世界，2006(12) :68-87