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电动汽车驱动控制系统设计说明
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，它直接决左电动汽车的性能，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，研究设让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左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Hatlab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
ABSTRACT
DrivingsystemistheheartofEVandoneofthekeypartsofthevehiclethatdeterminestheperformanceoftheEVdirectly・Accordingtothecontroltechnique>themethodofinductionmotordrivesystemandbasedonthefactualrequirementofEV,thespeedsensorlessvectorcontrolwasdesignedinthisarticle・Bytransformingcoordinate,thestatorcurrentisdecomposingtwoDCpartswhichorientatedastherotatormagneticfieldandcontrolledrespectively,Somagneticfluxandtorquearedecoupled・Itcontrolstheasynchronousmotorasasynchronousway.Finally,intimationsystemisestablishedintheenvironmentofMatlabtovalidatethesecontrolarithmetic・Thesystemproveditsenormouspracticalvalueofapplication・Keywords:
EV;Drivesystem;Inductionmotor;speedsensorlessvectorcontrol
第1章绪论1
1.1弓I言1
1.2燃料汽车和电动汽车的对比1
1.3电动汽车的发展现况2
第2章常用的几种驱动系统3
2.1驱动系统电机的选择3
2.2常见的儿种驱动系统6
第3章异步电机矢量控制原理7
3.1三相异步电动机的多变量非线性数学模型7
3.2坐标变换8
3.3三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型9
3.4异步电机的矢量控制9
3.5按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用10
3.6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12
4.1基于电流模型磁链估计的控制系统仿真12
4.2基于电压模型的无速度传感器矢量控制系统14
4.3仿真结果分析15
第5章结束语19
致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，电动汽车的发展儿经沉浮，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，在行驶时儿乎没有废气排出，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电动汽车与姻油汽车的废气排放比较（g/km〉
废气组成
燃油汽车
电动汽车
co
17.0
0
HC
2.7
0
N0＞：
0.74
1（0.023）
CO：
320
0（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40.2336km/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
0.87
0
一氧化碳
46.50
0
碳氢化合物
3.52
0
氮氧化合物
2.40
0
硫氧化合物
2.40
0
有机酸（醋酸）
0.87
0
在表格1-3中所示，重量为1000kg的传统汽车使用无铅汽油所排放的HC、
CO、CO,SO：
分别为0.018、0.91、0.0771、0.0045—0.04536kg。
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1-31000kg燃油汽车与电动汽车的排放比较
驱动系
燃汕汽车
电动汽乍
电动汽车
统类型
（无铅汽汕）
（火力发电）
（天然气发电）
质量
1000kg
1200kg
1200kg
HC
0.018
0.0008
0.0022
co
0.91
0.0091
0.0182
NO?
0.0771
0.2948
0.1814
co：
83
91
41
SOx
0.0045-0.4536
0.1814-0.7711
0.0003
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10-15dBo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
燃汕汽车
电动汽车
车
车外
车
车外
匀速
35
73
67
67
66
50
70
69
70
66
加速
50
81
75
72
66
50
76
72
71
66
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。
以下儿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
电动汽车驱动系统山能源供给系统、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讣电动汽车的关键，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，U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&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爪方程为:
（2-D
（2-2）
2）$励直流电动机
宙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。
仃S
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吊励和并励的特点，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。
%
+乙
a）长并励连接方式
b）短并励连接方式
图24复励直流电动机等效电路
当电机工作点在第1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）；当工作点在笫11【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,勺＞厲，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：
&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、宽调速围、高可靠性，而且山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：
通过对电动汽车儿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讣，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120。
电角度，产生的磁动势沿气隙按正弦分布，忽略空间谐波⑶。
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-f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6X6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a、戸之间的变换，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a、0,各相磁势矢量的空间位置如图3-2所示。
图3-2三相静I上到两相静止变换
（3-12）
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a、B轴上的投影是相等的，则其反变换形式如下：
•
1
0
iR
1
V3
n
2
2
L^J
1
阴
L2
2J
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
（3-13）
山图可知，其变换矩阵为：
COS&
sin&
Jt.
-sin&
COS0
%
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Q0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，山美国学者和徳国学者各自提出的矢量控制（vectorcontrol）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转矩的和大圉恒定输岀功率的运转需求,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为就变成了等效的直流电机的磁通，H绕组相当于直流电机的励磁绕组，口相当于励磁电流，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©,0「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：
Vrg==0（3-2°）
将其带入转矩方程和状态方程，可以得到：
nL
T严十佔（3-21）
八丄八<3-22）
S+1
r
®=』（3-23）
式中Tr=Lr/Rr为转子时间常数，我们不难从式中发现，转子磁链匕仅有定子电流励磁分量匚产生，与转矩分量匚无关，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力恒定是非常重要的。
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（乂称转差频率控制）o
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间接矢疑控制方框图
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（MatrixLaboratory）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，数据分析以及数值讣算的高级技术讣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打”和打，然后通过公式％=厶丿咖（7；P+1）得到转子磁链。
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①。
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。
山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
1403,!
r,rrrr»»
O
140
O
120
O
100
oO
8060
O
40
O
20
0.1
0.20.30.40.50.60.70.8
t（s）
图4・6定参数时实际转速和估计转速
0.9
图4-7变参数时实际转速和估讣转速
r[[][][fr
0.10.20.30.40.50.60.70.80.9
t⑹
100
00.10.2
0.60.70.80.9
图4・8怎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
80
80[i[[[i[[[_
00.10.20.30.40.50.60.70.80.9
t（s）
图4・10泄参数时的三相立子电流
图4J1龙参数时立子磁链
从以上仿真结果可知，在定参数时基于电流模型磁链估讣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：
1400
1200
1000
c*800
E
g600
400
200
图4-16三相左子电流图4-17定子磁链轨迹
山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佔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，山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、运行可鼎、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.分析对比了儿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）III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围，可以研究一种适应能力强，使用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。
首先向我的毕业设计指导老师表达最真挚的意，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，同时在论文设讣和撰写中给予了我们极大的帮助。
其次，感在毕业设讣中给予我帮助的朋友，同学，你们在生活，学习中给我的帮助。
最后，感天下无数的父母，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）:
9-12
[2]邹国
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