纯电动汽车电机控制器的研究

【摘要】：随着社会经济的发展和人民生活水平的不断提高,汽车已经成为人们日常生活中重要的代步工具。传统燃油汽车对石油资源需求的增加以及带来的环境问题已日益引起人们的关注。电动汽车在行驶过程中具有无尾气排放、能量效率高、噪声低、可回收利用能量多等优点,电动汽车的发展可有效解决交通能源消耗和环境污染问题。 本文针对轻型电动轿车用电机控制器进行了研究,开发一款具有完善硬件保护功能、可靠的散热结构、低成本的电动汽车电机控制器。首先选择相对简单的直流有刷电机控制器进行研究,以对功率模块硬件电路设计、散热器设计、控制策略开发以及各种软硬件保护等关键技术进行分析,以此为基础,设计开发交流异步电机控制器。 本文首先分析了电动汽车电机控制器的研究背景、研究意义以及发展趋势,并确定研究方向。通过对功率器件的比较分析最终确定采用功率MOSFET作为功率开关。介绍分析了功率MOSFET并联均流特性,针对功率MOSFET特点,采用电路仿真软件NI Multisim研究影响功率MOSFET并联均流的因素,根据仿真结果设计了采用功率MOSFET并联形式的电动汽车功率模块。同时设计了功率模块驱动以及各种硬件保护电路。其次,由于功率MOSFET在开关过程中会产生损耗,并以热量的形式散发出去,如果散热不好,会烧坏功率MOSFET。现阶段关于电动汽车功率器件散热器设计方面的研究比较少,本文分析了功率MOFET散热路径,计算分析了散热器热阻,并采用电子设备热分析软件Qfin4仿真设计合理的散热器。第三、课题设计了完善的硬件控制电路,采用汽车级的飞思卡尔16位单片机MC9S12XEP100作为微控制器,开发了针对他励电机的控制策略,并做了大量实验验证。最后根据开发直流电机控制器的经验,结合交流异步电机的特点,设计开发一款具有完善硬件保护功能、可靠的散热结构、低成本的纯电动汽车交流异步电机控制器。 【关键词】：电机控制器 功率MOSFET 均流并联 散热器
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 目录4-7
• CONTENTS7-10
• 摘要10-11
• Abstract11-13
• 第1章 绪论13-19
• 1.1 课题背景与意义13-14
• 1.2 电机控制器组成及主要器件14-18
• 1.2.1 电机控制器的主要组成14
• 1.2.2 电动汽车用电机发展现状及比较14-16
• 1.2.3 电动汽车用功率器件选择及比较16-18
• 1.3 课题主要研究内容18
• 1.4 本章小结18-19
• 第2章 控制器功率模块设计19-37
• 2.1 功率模块总体设计方案19-22
• 2.1.1 直流电机调速控制原理19-20
• 2.1.2 直流斩波器20-21
• 2.1.3 功率模块总体设计21-22
• 2.2 功率MOSFET并联电路22-27
• 2.2.1 功率MOSFET均流特性及并联电路的仿真22-25
• 2.2.2 功率MOSFET并联电路设计25-27
• 2.3 功率模块驱动电路27-30
• 2.3.1 功率MOSFET驱动的基本要求27
• 2.3.2 功率MOSFET驱动电路参数的计算27-28
• 2.3.3 功率MOSFET驱动电路设计28-30
• 2.4 功率模块的保护措施30-34
• 2.4.1 电压检测及过压保护措施30-33
• 2.4.2 电流监测及过流保护措施33-34
• 2.5 功率模块电路PCB板设计中的注意事项34-36
• 2.6 本章小结36-37
• 第3章 功率模块散热器的仿真分析37-47
• 3.1 损耗计算37-39
• 3.1.1 功率MOSFET损耗计算原理37-38
• 3.1.2 功率模块总损耗计算38-39
• 3.2 散热器热阻分析计算39-41
• 3.3 功率模块散热器仿真设计41-46
• 3.3.1 电子设备热分析软件Qfin4介绍41-42
• 3.3.2 散热器建模及仿真42-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第4章 控制模块设计及他励电机控制策略分析47-57
• 4.1 控制模块设计方案47-48
• 4.2 控制模块主要硬件电路设计48-52
• 4.2.1 踏板信号处理电路48-49
• 4.2.2 电流信号处理电路49
• 4.2.3 转速信号调理电路49-50
• 4.2.4 开关量输入信号转换电路50
• 4.2.5 PWM输出逻辑互锁电路50-51
• 4.2.6 通信电路设计51-52
• 4.3 他励电机控制器控制策略52-56
• 4.3.1 基于加速踏板特性图的电枢电压控制策略52-53
• 4.3.2 基于瞬时最大占空比的电枢电流控制策略53-54
• 4.3.3 基于励磁特性图的励磁电流PID控制策略54-55
• 4.3.4 制动能量回馈控制策略55-56
• 4.4 本章小结56-57
• 第5章 他励电机控制器的试验验证57-65
• 5.1 试验台架搭建57-58
• 5.2 试验分析58-63
• 5.2.1 驱动波形分析58-59
• 5.2.2 励磁电流控制系统PI参数整定59-60
• 5.2.3 恒流制动能量回馈控制策略验证60-61
• 5.2.4 电机控制器控制策略验证61-62
• 5.2.5 满载试验验证62-63
• 5.3 本章小结63-65
• 第6章 交流异步电机控制器设计65-73
• 6.1 控制器总体设计方案65-66
• 6.2 控制器硬件电路设计66-69
• 6.2.1 功率逆变电路设计66-67
• 6.2.2 驱动电路设计67-68
• 6.2.3 驱动电源电路设计68-69
• 6.2.4 电机和功率逆变器温度监测电路设计69
• 6.3 交流异步电机功率模块散热器仿真设计69-71
• 6.4 本章小结71-73
• 第7章 总结73-75
• 7.1 课题总结73-74
• 7.2 课题展望74-75
• 参考文献75-79
• 致谢79-80
• 学位论文评阅及答辩情况表80

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