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新能源汽车永磁同步电机直接转矩控制电压矢量选择策略研究

1.引言

1.1新能源汽车发展背景及永磁同步电机的重要性

新能源汽车作为国家战略新兴产业，是解决能源危机和减少环境污染的重要途径。永磁同步电机因其高效能、高转矩密度和良好的控制性能，已成为新能源汽车驱动电机的首选。它直接关系到新能源汽车的动力性能、续航里程及驾驶舒适性。

1.2直接转矩控制技术在新能源汽车中的应用

直接转矩控制技术（DTC）以控制简单、响应快速、转矩控制精确等特点，在新能源汽车驱动电机控制中占据重要地位。该技术通过选择合适的电压矢量，实现对电机转矩和转速的直接控制。

1.3研究目的和意义

本研究旨在深入分析新能源汽车永磁同步电机直接转矩控制中的电压矢量选择策略，提出新型电压矢量选择策略，优化电机控制性能。这对于提高新能源汽车的动力性能、经济性和舒适性，促进新能源汽车产业的健康发展具有重要的理论和实际意义。

2.永磁同步电机直接转矩控制原理

2.1永磁同步电机数学模型

永磁同步电机（PMSM）以其高效能、高转矩密度、良好的调速性能在新能源汽车领域得到了广泛应用。其数学模型主要包括电磁方程、电压方程和运动方程。

电磁方程描述了电机内部的电磁现象，主要由以下几个方程组成：-转子磁链方程-定子磁链方程-电磁转矩方程

电压方程则描述了电机定子绕组的电压平衡关系，通常表示为：-定子电压方程-定子电流方程

运动方程描述了电机转子运动的动态过程，主要包括：-转子运动方程-转速与转矩的关系

2.2直接转矩控制基本原理

直接转矩控制（DTC）技术是一种以电机转矩和磁链为控制目标的控制方法，具有控制结构简单、响应速度快、转矩控制精度高等优点。其基本原理如下：

通过对定子磁链和转矩的直接控制，实现电机的高性能运行。

利用两个PI控制器分别控制定子磁链和电磁转矩，以获得快速的动态响应和准确的控制性能。

依据电机的运行状态，选择合适的电压矢量，使得磁链和转矩的误差最小。

2.3电压矢量选择策略概述

电压矢量选择策略是直接转矩控制的核心部分，决定了控制性能的优劣。常见的电压矢量选择策略包括：

基于滞环控制的方法：通过设定磁链和转矩的误差带，当误差超出设定范围时，选择合适的电压矢量使得误差回归到误差带内。

基于优化算法的方法：如粒子群优化、遗传算法等，通过优化目标函数，寻找最佳的电压矢量。

基于模糊逻辑的方法：依据专家经验或实验数据建立模糊规则库，通过模糊推理选择电压矢量。

这些电压矢量选择策略在实际应用中各有优缺点，研究者需要根据具体控制需求和环境条件进行选择和优化。

3.常见电压矢量选择策略分析

3.1矢量控制策略

矢量控制策略是电机控制中的一项基本技术，其核心思想是将电机复杂的定子电流分解为两个互相垂直的分量，即转矩电流和磁通电流。通过分别控制这两个分量，可以实现对电机转矩和磁通的独立控制。

在永磁同步电机直接转矩控制中，矢量控制策略通过选择适当的电压矢量来控制电机的瞬时转矩和磁链。通常，电压矢量分为六种基本类型，包括两种零电压矢量和四种非零电压矢量。这些电压矢量的选择依赖于当前的转矩误差和磁链误差。

3.2空间矢量调制策略

空间矢量调制（SVM）策略是基于电压空间矢量的概念，其通过合成和分配电压矢量的方式，实现高效和准确的电机控制。SVM策略不仅能够优化电机性能，还可以减少电机运行中的谐波含量。

在直接转矩控制中，SVM通过选择两个最近的电压矢量，并结合零电压矢量，形成一个闭合的电压矢量轨迹。这种策略可以实现更平滑的磁链轨迹和较低的转矩波动，从而提高电机控制性能。

3.3模糊控制策略

模糊控制策略是一种基于模糊逻辑的控制方法，适用于处理难以用精确数学模型描述的系统。在直接转矩控制中，模糊控制可以用于电压矢量的选择，以应对电机运行中的不确定性和非线性。

模糊控制策略通过建立转矩和磁链误差的语言变量，利用一组基于经验的控制规则来选择最优的电压矢量。这种策略的优点是控制算法简单，对电机参数变化不敏感，能够提供良好的动态性能和鲁棒性。

通过对以上三种常见电压矢量选择策略的分析，可以看出每种策略都有其独特的优点和局限性。在实际应用中，选择合适的电压矢量选择策略对于提高永磁同步电机直接转矩控制的性能至关重要。然而，随着电机运行条件和参数的变化，这些传统策略可能无法始终满足新能源汽车对电机控制性能的高要求，因此有必要研究新型的电压矢量选择策略。

4.新型电压矢量选择策略研究

4.1考虑电机参数变化的电压矢量选择策略

在新能源汽车的运行过程中，永磁同步电机的工作参数可能会受到多种因素的影响，如温度、老化等，从而对电机的控制性能产生影响。为此，本节提出一种考虑电机参数变化的电压矢量选择策略。该策略通过实时监测电机参数，结合直接转矩控制技术，动