电动汽车驱动控制系统设计

电动汽车驱动控制系统设计摘 要驱动系统是电动汽车的心脏，也是电动汽车研制的关键技术之一，它直接决定电动汽车的性能，本文根据异步电动机矢量控制理论，结合电动汽车的实际要求，研究设计基于无速度传感器矢量控制的电动汽车驱动系统。矢量控制通过坐标变换将定子电流矢量分解为转子磁场定向的两个直流分量并分别加以控制，从而实现异步电动机磁通和转矩的解耦控制，已达到直流电动机的控制效果。最后，在Matlab环境中建立了仿真系统，验证了无速度传感器矢量控制系统原理应用于电动汽车驱动系统的可行性。关键词：电动汽车；驱动系统；异步电动机；无速度传感器矢量控制ABSTRACTDriving system is the heart of EV and one of the key parts of the vehicle that determines the performance of the EV directly. According to the control technique、the method of induction motor drive system and based on the factual requirement of EV, the speed sensorless vector control was designed in this article. By transforming coordinate, the stator current is decomposing two DC parts which orientated as the rotator magnetic field and controlled respectively, So magnetic flux and torque are decoupled. It controls the asynchronous motor as a synchronous way. Finally, intimation system is established in the environment of Matlab to validate these control arithmetic. The system proved its enormous practical value of application.Key words: EV; Drive system; Induction motor; speed sensorless vector control目 录第1章 绪论11.1 引 言11.2 燃料汽车和电动汽车的对比11.3 电动汽车的发展现况2第2章 常用的几种驱动系统32.1 驱动系统电机的选择32.2常见的几种驱动系统6第3章 异步电机矢量控制原理73.1 三相异步电动机的多变量非线性数学模型73.2 坐标变换83.3 三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型93.4 异步电机的矢量控制93.5 按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用103.6 无速度传感器矢量控制系统12第4章 基于MATLAB的电动汽车矢量控制系统仿真124.1 基于电流模型磁链估计的控制系统仿真124.2 基于电压模型的无速度传感器矢量控制系统144.3 仿真结果分析15第5章 结束语19致 谢20参考文献21 第1章 绪 论1.1 引 言 电动汽车是一种电力驱动的道路交通工具，其包括了电池电动汽车，混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车等。在第一辆电池电动汽车问世至今以来，电动汽车的发展几经沉浮，并随着科技和社会的进步跨越了不同的时代。 至人类社会进入20世纪以来，能源危机和环境污染问题成了世界各国面临的两大难题。1.2 燃料汽车和电动汽车的对比电动汽车以蓄电池的电能为动力，在行驶时几乎没有废气排出，比燃油汽车减少92%-98%，是最被看好的“零污染”汽车。因此，电动汽车的使用时为解决环境污染问题提供了很好的一条途径。表1-1比较了燃料汽车和电动汽车的废气排放（主要成分）。表格1-1资料来源：国家重大科技产业工程项目电动汽车实施方案。表 1-1 电动汽车与燃油汽车的废气排放比较（g/km）废气组成燃油汽车电动汽车CO17.00HC2.70NOX0.741（0.023）CO23200（130）注：括号的数据考虑了电厂排放的废气 表格1-2列出了未安装防护设备汽车的排放系数，这些事汽车在产生区域以平均40.233 6km/h时速为基础的平均排放系数。资料来源：大气污染影响评价实用技术。表1-2 未安装防护设备汽车的排放系数（g/车，km）排放物质燃油汽车排放系数电动汽车排放系数甲醛0.870一氧化碳46.500碳氢化合物3.520氮氧化合物2.400硫氧化合物2.400有机酸（醋酸）0.870有机酸（醋酸）0.2240 在表格1-3中所示，重量为1 000kg的传统汽车使用无铅汽油所排放的HC、CO、CO2、SO2分别为0.018、0.91、0.077 1、0.004 50.045 36kg。其中，电动汽车的尾气排放包含了发电厂气体排放量，分为火力发电厂和天然气发电厂两种情况，意义与燃油汽车相同。表格1-3资料来源于美国通用汽车公司电动汽车技术报告。表1-3 1000kg燃油汽车与电动汽车的排放比较驱动系统类型质 量燃油汽车（无铅汽油）1 000kg电动汽车（火力发电）1 200kg电动汽车（天然气发电）1 200kgHC0.0180.000 80.002 2CO0.910.009 10.018 2NO20.077 10.294 80.181 4CO2839141SOX0.004 5-0.453 60.181 4-0.771 10.000 3 与燃油汽车相比，电动汽车的仅产生少量的电磁噪声和机械噪声，在正常运行时，通常比燃油汽车低1015dB。在表格1-4中比较了两种汽车在不同时速下的噪声情况。 表1-4 燃油汽车和电动汽车在不同车速下的噪声（dB）噪声燃油汽车电动汽车车内车外车内车外匀速35736767665070697066加速50817572665076727166 注：速度单位为：km/h从表中我们不难发现，电动汽车比燃油汽车在环境指标上具有明显的优势。1.3 电动汽车的发展现况 随着各种科学技术的高速发展和能源环境问题的双重压力下，电动汽车的研究开发再次进入了一个活跃期，许多技术难点逐渐得到了解决，世界各大汽车制造商纷纷推出各自的电动汽车产品。本章小结：电动汽车拥有和燃料汽车相反的性能，即电动机在环境、效率等的方面略胜一筹，但是在舒适性、输出功率大小和价格等方面较燃料汽车有一定的差距。因此，对电动汽车高性能蓄电池、高效率电动机、电力变流器、驱动系统的开发是未来电动汽车发展的主要方向。以下几章将对电动汽车驱动系统做简要介绍。 第2章 常用的几种驱动系统 现在电动汽车的核心是高效、清洁和智能化的利用电能驱动车辆。其关键技术包括汽车制造技术、电子技术、信息技术、能源技术、电力驱动技术、自动控制技术等等。2.1 驱动系统电机的选择 电动汽车驱动系统由能源供给系统、电力驱动系统和机械传动系统组成。选择最佳的驱动系统是设计电动汽车的关键，而电动机的性能直接决定着驱动系统的性能，因此电动机的选择成为设计电动汽车驱动系统的主要基础，目前有一系列类型的电动机均可作为电动汽车驱动系统的电动机，具体如下所述。 电动汽车在不同的历史时期采用了不同的电动机作为驱动电机，电动汽车用电动机有各种种类。直流电动机由于控制性能好最早在电动汽车中获得应用。1）他励直流电动机 他励直流电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由不同的电源供电，图2-1为他励直流电动机的等效电路。当励磁绕组接到一个恒定的电源时，通过调节Rf的大小，可以调节励磁电流的大小。 图2-1 他励直流电动机等效电路他励直流电动机稳态运行时的电压方程为： (2-1) (2-2) 2）串励直流电动机 串励直流电动机是将直流电动机的励磁绕组和电枢绕组串联起来，其电枢电流也是励磁电流。为了减小其电压降，绕组采用电阻较低的绕圈绕成。图2-2为串励直流电动机的等效电路图。 图2-2串励直流电动机等效电路图 3）并励直流电动机 并励直流电动机的电枢绕组和励磁绕组接线方式如图2-3所示。 图2-3 并励直流电动机等效电路 4）复励直流电动机 复励直流电动机的励磁绕组具有串励和并励的特点，如图2-4所示。在大多数复励直流电动机运行中，并励磁场起主导作用，串励磁场起辅助作用。 a) 长并励连接方式 b) 短并励连接方式 图2-4 复励直流电动机等效电路 图2-5 三相交流电动机机械特性曲线 当电机工作点在第象限时，例如A点，电机为正向电动运行状态 （如驱动电动汽车前进）；当工作点在第象限时，例如B点，电机为反向电动运行状态 （如电动汽车倒车）。电动运行状态下，电磁转矩为驱动转矩。当电动汽车下坡时，汽车往往需要制动，交流电动机的再生制动如图2-6所示。当电机运行速度不断增大，最后超过同步转速而稳定运行于B点，此时，系统处于再生制动状态。 图2-6 三相交流电动机再生制动 而异步电机在当今社会中被广泛应用，其特性如下所示。根据电机学原理，异步电动机在下述三个假定条件下：a.忽略空间和时间谐波；b.忽略磁饱和；c.忽略铁损，其稳态等效电路如图2-7所示。 图2-7 异步电动机的稳态等效电路 2.2常见的几种驱动系统现代电动汽车是融合了电力、电子、机械控制、材料科学以及化工技术等多种高新技术的综合产品。整体的运行性能、经济性等首先取决于电池系统和电机驱动控制系统。电动汽车的运行，与一般的工业应用不同，不但要求电机驱动系统具有高转矩重量发。比、宽调速范围、高可靠性，而且由于电源功率的限制等，其转矩一转速特性应根据电动汽车起动、爬坡和行驶等不同阶段分为恒转矩区或恒功率区。 永磁无刷电动机系统具有较上述电机系统更高的能量密度和更高的效率，在电动汽车中具有极好的应用前景。 本章小结：通过对电动汽车几种常用控制方法的对比，可以看出在当今社会中，交流感应电动机驱动系统具有结构简单、使用方便、运行可靠、效率较高、制造容易、成本低廉的优点，在电动汽车驱动中得到广泛的应用，针对现实的使用情况，本文选择交流异步电动机驱动系统对电动汽车驱动系统进行设计，同时并对该系统进行仿真，验证其可行性。第3章 异步电机矢量控制原理在电动汽车控制系统中，异步电机的矢量控制实现了交流电动机磁通和转矩的解耦控制，使其系统的动态特性有了显著的改善。本章首先阐述异步电动机在三相坐标系下的数学模型，然后根据坐标变换理论，得到了其在两相静止坐标系下和两相同步坐标系下的数学方程，并介绍了异步电机的矢量控制原理。3.1 三相异步电动机的多变量非线性数学模型 由于异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，故在研究异步电动机的数学模型时，常常做出如下假设： 1） 忽略铁耗对电机的影响； 2） 在频率和温度变化，忽略其对绕组电阻的影响； 3） 认为各绕组的互感和自感都是线性的，即忽略磁路饱和的影响； 4） 设三相绕组对称，在空间中互差1200电角度，产生的磁动势沿气隙按正弦分布，忽略空间谐波3。三相异步电动机转子绕组分为绕线型和笼型型，其均可以等效为三相绕线转子，折算到定子侧后，其定子和转子绕组匝数都相等。电机绕组等效后的三相异步电动机的物理模型如图3-1所示。图3-1 三相异步电动机的物理模型 3.2 坐标变换 在异步电动机的分析中可以看出，其数学模型由于存在一个复杂的66电感矩阵而比较复杂。通过坐标变换的方法，使得变化后的数学模型得到简化。1） 三相-两相变换（3/2变换） 在三相静止绕组A、B、C和两相绕组、之间的变换，称为三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换。 三相异步电动机的定子三相绕组和与之等效的两相异步电动机定子绕组、 ，各相磁势矢量的空间位置如图3-2所示。 图3-2 三相静止到两相静止变换假设磁动势按正弦分布，那么当三相磁动势与两相磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在、轴上的投影是相等的，则其反变换形式如下： （3-12）这样经过三相-两相的变换就可以将三相异步电动机变换为两相正交的异步电机模型。2） 两相-两相旋转变换（2s/2r变换） 从两相静止坐标系到两相旋转坐标系M, T的变换称作两相-两相旋转变换，简称2s/2r变换，其中r表示旋转，s表示静止。如图3-3所示，旋转坐标系的两个直流分量和静止坐标系的两相交流分量产生相同大小的同步旋转磁动势。 图3-3 两相静止到两相旋转变换由图可知，其变换矩阵为： （3-13）3.3 三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型在前面的坐标变换中不难看出其可以将异步电动机的数学模型简化很多，因此在对异步电动机分析常将其变换在两相坐标中分析。1）异步电动机在两相同步旋转坐标系的模型 2） 异步电机在两相静止坐标系的数学模型在坐标系中绕组都落在两根相互垂直的轴上，两组绕组间没有耦合，矩阵中所有元素均为常系数，消除了异步电动机在三相静止坐标系上的数学模型中的一个非线性的根源。上述方程是矢量控制中的重要方程。3.4 异步电机的矢量控制20世纪70年代初,由美国学者和德国学者各自提出的矢量控制(vector control)理论，同时在实践中经过改进，形成了现在普遍采用的矢量控制方法。其不但解决了大型电动汽车对高速领域中大转矩的和大范围内恒定输出功率的运转需求，还解决了以前的电动机体积大的问题。其中，交流电机的转子总磁通就变成了等效的直流电机的磁通，M绕组相当于直流电机的励磁绕组，相当于励磁电流，T绕组相当于伪静止绕组，相当于与转矩成正比的电枢电流。上述等效关系可如图3-4所示。 图3-4 异步电动机的坐标变换结构图根据等效控制理论，可以构成直接控制的矢量控制系统，如图3-5所示图3-5 矢量控制系统原理结构图3.5 按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用 在上面的动态模型分析中，假如两相同步旋转坐标系按转子磁链定向时，则有： ， （3-20）将其带入转矩方程和状态方程，可以得到： （3-21） （3-22） （3-23）式中为转子时间常数，我们不难从式中发现，转子磁链仅有定子电流励磁分量产生，与转矩分量无关，因此，定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的。上述方程可以将异步电机的数学模型绘成图3-6的结构形式，如下： 图3-6 异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型从以上分析可知，要使磁场定向控制具有和直流调速系统一样的动态性能，在调速过程中保持转子磁链恒定是非常重要的。 根据控制方案中是否进行转子磁链的反馈控制及其观测，磁场定向控制可分为直接磁场定向控制和间接磁场定向控制(又称转差频率控制)。 图3-7是一个典型的转速、磁链闭环矢量控制系统，包括速度控制环和磁链控制环。 图3-7 直接型矢量控制方框图 间接磁场定向控制采用磁链开环控制，在磁通运行过程中不检测转子磁链信号，系统结构简单。利用转差公式，形成转差矢量控制系统，利用得到同步角速度，该方案在实际中也获得广泛的应用，控制方案如图3-8所示： 图3-8 间接矢量控制方框图但该方法更依赖于电机参数的准确检测，当参数时变或不确定时，系统动态性能大受影响。且磁链开环在动态过程中存在偏差，其性能不及磁链闭环控制系统。3.6 无速度传感器矢量控制系统无论是直接矢量控制还是间接矢量控制，都具有动态性能好、调速范围宽的优点，但动态性能受电机参数变化的影响是其主要的不足之处。 本章小结：作为电动汽车的驱动系统，应满足小型轻量化等要求，而异步电动机正具有这些优点，在近年来，矢量控制日益成熟，在电动汽车中得到了广泛的应用。因此本章根据异步电动机在三相坐标系下的数学模型和坐标变化理论，分析介绍了异步电动机的矢量控制原理。 第4章 基于MATLAB的电动汽车矢量控制系统仿真 MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发，数据可视化，数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 4.1 基于电流模型磁链估计的控制系统仿真根据磁链估计方法和模型参考自适应的转速估计方法，利用MATLAB/Simulink环境建立了基于电流模型磁链估计的无速度传感器矢量控制系统，仿真电路图如下所示： 图4-1 基于电流模型磁链估计无速度传感器矢量控制系统图4-1所示的系统框图中主要包含有电压磁链估计子系统、电流磁链估计子系统、转速估计子系统以及电流滞环控制子系统等，具体介绍如下。（1）电流模型 图4-2 磁链电流模型 图4-2所示电流模型利用3s/2r变换将三相定子电流转化为两相同步旋转坐标系下的电流和，然后通过公式得到转子磁链。（2）电压模型 图4-3 磁链电压模型（3）基于MARS的转速推算模块图4-4的转速估计子系统分别利用基于电流模型估计的磁链和基于电压模型估计的磁链求出偏差，再利用PI积分估计出转子速度。这里所得的通过反馈到电压模型和电流模型用于计算单位矢量，从而形成一个完整的回路。 图4-4 转速估计子系统（4） 电流滞环控制模块将给定电流与电机定子电流进行比较，将得到的偏差作为滞环比较器的输入，通过其输出来控制功率器件的通断。4.2 基于电压模型的无速度传感器矢量控制系统此系统所包含的子系统与基于电流模型的无速度传感器矢量控制系统相同。由于系统中用于转速估计的电压模型和电流模型被独立出来。其仿真电路图如下所示： 图4-5 基于电压模型磁链估计无速度传感器矢量控制系统4.3 仿真结果分析建立了上述的仿真系统电路结构后，接下来就对对称三相正弦电压为380V、频率为50Hz的异步电动机进行仿真，并对调节器参数等系统仿真参数进行设定，对仿真结果进行分析，以确定该控制系统的性能。（1） 基于电流模型磁链估计的仿真 图4-6 定参数时实际转速和估计转速图4-7 变参数时实际转速和估计转速 图4-8 定参数时实际转矩和估计转矩 图4-9 变参数时实际转矩和估计转矩 图4-10 定参数时的三相定子电流 图4-11 定参数时定子磁链 从以上仿真结果可知，在定参数时基于电流模型磁链估计的无速度传感器矢量控制系统能很好的完成加载、变速等基本控制功能。和矢量控制理论相一致，能够达到电动汽车驱动系统的要求。（2） 基于电压模型磁链估计的仿真初始给定转速为600r/min，负载为0；0.3秒时给定转速突加到1200r/min,0.6秒时突加50Nm的负载。仿真结果如下： 图4-12 实际转速 图4-13 估计转速 图4-14 实际转矩 图4-15 估计转矩 图4-16 三相定子电流 图4-17 定子磁链轨迹由图示仿真结果可以看出，基于电压模型磁链估计的矢量控制系统也能较好的完成加载、变速等基本控制功能。因此，电压型在电动汽车低速控制中有很大的局限性。本章小结：本章通过对异步电动机基于电压模型磁链估计的矢量控制系统进行仿真，并对结果在电动汽车理想行驶过程中进行分析，由仿真结果图可以看出，采用异步电动机矢量控制系统的电动汽车满足基本的实际需求，具有动态性能好、调速范围宽的优点，但同时存在不足之处，易受电机参数影响，但其仍具有很好的发展空间。第5章 结束语异步电机由于具有结构接单、运行可靠、维护方便等特点在现代电动汽车中广泛被运用，随着电动汽车的不断发展和电力电子器件、微处理器等的更新，交流电机矢量控制技术也会越来越成熟。本文主要做了以下工作：简要介绍了电动汽车的背景和发展现状；1.分析对比了几种常用电动汽车驱动系统，说明选择异步电机的原因；2.通过对异步电机矢量控制的原理分析，选择了适合电动汽车性能要求的异步电机矢量控制系统进行设计；3.最后利用MATLAB对电动汽车无速度传感器矢量控制系统进行仿真，验证了异步电机矢量控制的可行性。由于自己的知识水平和时间有限，对该课题并未深入的学习研究，因此在文中难免存在不妥的地方，希望各位老师给予校正。电动汽车是各个领域结合的综合产物，随着其不断的发展，驱动控制系统也将愈来愈方便、效率，因此，自己认为后期可以做以下工作：（1）在矢量控制中，克服电机参数常对系统造成影响；（2）由于基于电压模型和电流模型的转子磁链观测都有一定的使用范围，可以研究一种适应能力强，使用范围广的磁链观测方法。将最大效率控制与快速响应控制有机结合，克服变频调速系统的效率优化对动态响应性能的影响，改进系统运行的稳定性和鲁棒性；（3）利用近年来为电动汽车异步电机矢量控制而出现的专用DSP，设计系统的硬件和软件部分，达到提高控制系统动态性能的目的。致 谢首先向我的毕业设计指导老师表达最真挚的谢意，老师在电气传动和电动汽车等领域拥有丰富的学识，同时还在不断学习各种电动汽车新技术知识，充实着自己。在毕业设计中，老师培养了我们分析问题，解决问题的能力，同时在论文设计和撰写中给予了我们极大的帮助。其次，感谢在毕业设计中给予我帮助的朋友，同学，谢谢你们在生活，学习中给我的帮助。最后，感谢天下无数的父母，正式他们的无私付出，才使得我们完成学业。真诚的感谢大学生活里所有的老师，同学，朋友和自己的父母！参考文献1翟丽. 电动汽车驱动系统牵引电机及其控制技术J. 汽车电器,2003,(3):9-122邹国棠 程明.电动汽车的新型驱动技术M.机械工业出版社，2010年5月3 陈伯时.电力拖动系统运动控制系统第三版M.机械工业出版社，2010年1月4日本电气学会 电动汽车驱动系统调查专门委员会.电动汽车最新技术M.机械工业出版社，2009年8月 5王步来.电动汽车异步电机系统的开发策略J.微电机,2003,(3):36-386王文森，李永东，王光辉等.基于PI自适应法的无速度传感器异步电动机矢量控制系统J电工技术学报，2002,(2): 1-6 7史国生.交直流调速系统M.北京：北京工业出版社，2002年1月8韩安太 刘峙飞 黄海.DSP控制原理及其在运动控制系统中的应用.北京：清华大学出版社，2003年10月9高景德 王祥珩 李发海.交流电机及其系统的分析M.北京：清华大学出版社，1993年8月10陈清泉.现代电动汽车技术M.北京:北京理工大学出版社,2002年11徐国凯 赵秀春 苏航.电动汽车的驱动与控制M.北京：电子工业出版社，2010年6月12吴加加.燃料电池汽车异步电机控制方法的研究C.北京13 J.Wang,Z.Y.Liu,H.Chen,R.Pei.Output feedback Control to Constrained Systems via Moving Horizon StategyJ自动化学报.2007,33（11）：1176-118114C.W.Scherer,P.Gahinet,and M. 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