电动汽车轮毂用盘式无铁心永磁同步电机的控制方法研究

There are the advantages of fast response, quick acceleration, small torque ripple and also high overload capacity in the disc coreless motor with Halbach array. The motor can be widely used in the case such as the wheel motor of electrical vehicle. There are no slots and no teeth duo to coreless. Ld is equal to Lq. The two inductances of the motor are small. The current in the motor winding from the VVF　controller is not continuous. The torque ripple as a result of discontinuous current is occurred. The existing control strategies based on a bigger motor winding inductance cannot be applied to this kind of motors. Three control strategies are proposed in this research. (1) An inductance and the stator windings are in series with traditional voltage source inverter. (2) The control mode of chopper circuit is used with the control algorithm of space current vector. (3) The current source inverter and the chopper circuit are used. The bus voltage is adjusted to solve the difficult problem of the wheel motor speed regulation. The three methods are analyzed. The design rule and the parameters’ calculation method are got. The application characteristics of the method are obtained. The application on the wheel motor is investigated. The base of theory and experimental are supplied. The use of a suitable modern intelligent control algorithm is tried to found to get a better control characteristics.

采用Halbach阵列的盘式无铁心电机具有响应快、加速度大、转矩波动小、过载能力高、反电势正弦等特点，是一种特别适合诸如轮毂电机这样薄型安装场合用的驱动电机，由于电机采用无铁心结构，定转子无齿槽、无铁心，直、交轴电感的值相等，且电感值很小。小电感使得基于电压型的控制器通过电机内的电流不能连续，导致转矩脉动，所以现有的控制方法不能适用于此类电机。本研究提出了三种控制策略：1.定子绕组串电感，使用传统的电压型逆变器。2.基于斩波电路的控制模式，采用空间电流矢量的控制算法，直接对定子电流进行控制。3.采用电流型逆变器加以斩波电路，旨在解决电机弱磁调速困难的问题。针对这三种方法进行深入研究，得到这三种方法的设计原则、参数计算方法以及应用特点，对此类电机在轮毂电机上的应用进行分析，提供应用的理论基础和实验依据。现在合适的智能控制算法，以前得到更好的控制特性。

盘式无铁心电机具有很多独特的有点，很适合应用于汽车轮毂等需要扁平安装的场合。但是此类电机电感值极小，作为驱动电机时电流波动很大。为解决上述问题，本项目做了大量研究工作。.为更好地控制驱动此类电机，本项目对电机本体做了大量研究，加速推动本体设计理论的同时，为研究其控制方法提供强有力的支撑。本项目对绕组的线宽、线形、绕线方式、端部连接方式等进行了详细地分析并进行了优化，对转子永磁体的排布、形状、材料应用等进行了详细地分析并进行了优化。制作了多台样机，进行了大量的仿真实验分析，得出了此类电机的性能，掌握了其特性。.针对盘式无铁心永磁同步电机的控制策略，本项目取得了很多成果，主要成果如下所示：1.本项目通过在电机三相上串联电感的方式直接增加电机电感，使得传统控制器对此类电机进行良好的控制驱动。总结了电感选取方法，可以简单有效的选取合适的电感。2.根据空间电流矢量控制策略，提出电流斩波控制方法，彻底克服电感过小所带来的电流波动大等问题。提出了新型电流斩波拓扑结构和调制方法。采用母线电路和逆变电路联合调制的方法，利用逆变电路调整电流矢量的方向，母线电路调整电流矢量的幅值。3.提出基于空间电流矢量策略的瞬时转矩预测控制，对瞬时转矩进行观测，并提出模型预测转矩控制算法，利用母线电路抑制转矩波动。4.提出换相阶段电流预测控制方法，利用母线调制和过调制两种方法解决120°导通模式存在换相电流波动问题。5.在三电平中点钳位控制策略中使用MOSFET作为功率开关器件提高逆变电路开关频率，减小电流波动。6.母线电路采用新型双向Buck-Boost电路，实现母线电压的升降调节，通过调节母线电压减小电流波动以及对电机进行扩速运行。.本项目对此类电机特性进行了大量研究，对其特性有了深入的理解。在控制方法的研究上取得了很大的成果，提出了多种控制方法解决电流波动问题，使得转矩和电流性能得到很大的提升，并在轮毂电机、手持电动工具和无人机等领域得以应用。