1、電動汽車驅動控制系統設計摘 要驅動系統是電動汽車的心臟，也是電動汽車研制的關鍵技術之一，它直接決定電動汽車的性能，本文根據異步電動機矢量控制理論，結合電動汽車的實際要求，研究設計基于無速度傳感器矢量控制的電動汽車驅動系統。矢量控制通過坐標變換將定子電流矢量分解為轉子磁場定向的兩個直流分量并分別加以控制，從而實現異步電動機磁通和轉矩的解耦控制，已達到直流電動機的控制效果。最后，在Matlab環境中建立了仿真系統，驗證了無速度傳感器矢量控制系統原理應用于電動汽車驅動系統的可行性。關鍵詞：電動汽車；驅動系統；異步電動機；無速度傳感器矢量控制ABSTRACTDriving system is the

2、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 trans

3、forming 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 environm

4、ent 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 錄第1章 緒論11.1 引 言11.2 燃料汽車和電動汽車的對比11.3 電動汽車的發展現況2第2章 常用的幾種驅動系統32.1 驅動系統電機的選擇32.2常見的幾種驅動系統6第3章 異步電機矢量控制原理73.1

5、三相異步電動機的多變量非線性數學模型73.2 坐標變換83.3 三相異步電動機在兩相坐標系上的數學模型93.4 異步電機的矢量控制93.5 按轉子磁鏈定向的矢量控制方程及其解耦作用103.6 無速度傳感器矢量控制系統12第4章 基于MATLAB的電動汽車矢量控制系統仿真124.1 基于電流模型磁鏈估計的控制系統仿真124.2 基于電壓模型的無速度傳感器矢量控制系統144.3 仿真結果分析15第5章 結束語19致 謝20參考文獻21 第1章 緒 論1.1 引 言 電動汽車是一種電力驅動的道路交通工具，其包括了電池電動汽車，混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車等。在第一輛電池電動汽車問世至今以來，電

6、動汽車的發展幾經沉浮，并隨著科技和社會的進步跨越了不同的時代。 至人類社會進入20世紀以來，能源危機和環境污染問題成了世界各國面臨的兩大難題。1.2 燃料汽車和電動汽車的對比電動汽車以蓄電池的電能為動力，在行駛時幾乎沒有廢氣排出，比燃油汽車減少92%-98%，是最被看好的“零污染”汽車。因此，電動汽車的使用時為解決環境污染問題提供了很好的一條途徑。表1-1比較了燃料汽車和電動汽車的廢氣排放（主要成分）。表格1-1資料來源：國家重大科技產業工程項目電動汽車實施方案。表 1-1 電動汽車與燃油汽車的廢氣排放比較（g/km）廢氣組成燃油汽車電動汽車CO17.00HC2.70NOX0.741（0.02

7、3）CO23200（130）注：括號的數據考慮了電廠排放的廢氣 表格1-2列出了未安裝防護設備汽車的排放系數，這些事汽車在產生區域以平均40.233 6km/h時速為基礎的平均排放系數。資料來源：大氣污染影響評價實用技術。表1-2 未安裝防護設備汽車的排放系數（g/車，km）排放物質燃油汽車排放系數電動汽車排放系數甲醛0.870一氧化碳46.500碳氫化合物3.520氮氧化合物2.400硫氧化合物2.400有機酸（醋酸）0.870有機酸（醋酸）0.2240 在表格1-3中所示，重量為1 000kg的傳統汽車使用無鉛汽油所排放的HC、CO、CO2、SO2分別為0.018、0.91、0.077 1

8、、0.004 50.045 36kg。其中，電動汽車的尾氣排放包含了發電廠氣體排放量，分為火力發電廠和天然氣發電廠兩種情況，意義與燃油汽車相同。表格1-3資料來源于美國通用汽車公司電動汽車技術報告。表1-3 1000kg燃油汽車與電動汽車的排放比較驅動系統類型質 量燃油汽車（無鉛汽油）1 000kg電動汽車（火力發電）1 200kg電動汽車（天然氣發電）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

9、與燃油汽車相比，電動汽車的僅產生少量的電磁噪聲和機械噪聲，在正常運行時，通常比燃油汽車低1015dB。在表格1-4中比較了兩種汽車在不同時速下的噪聲情況。 表1-4 燃油汽車和電動汽車在不同車速下的噪聲（dB）噪聲燃油汽車電動汽車車內車外車內車外勻速35736767665070697066加速50817572665076727166 注：速度單位為：km/h從表中我們不難發現，電動汽車比燃油汽車在環境指標上具有明顯的優勢。1.3 電動汽車的發展現況 隨著各種科學技術的高速發展和能源環境問題的雙重壓力下，電動汽車的研究開發再次進入了一個活躍期，許多技術難點逐漸得到了解決，世界各大汽車制造商紛紛推

10、出各自的電動汽車產品。本章小結：電動汽車擁有和燃料汽車相反的性能，即電動機在環境、效率等的方面略勝一籌，但是在舒適性、輸出功率大小和價格等方面較燃料汽車有一定的差距。因此，對電動汽車高性能蓄電池、高效率電動機、電力變流器、驅動系統的開發是未來電動汽車發展的主要方向。以下幾章將對電動汽車驅動系統做簡要介紹。 第2章 常用的幾種驅動系統 現在電動汽車的核心是高效、清潔和智能化的利用電能驅動車輛。其關鍵技術包括汽車制造技術、電子技術、信息技術、能源技術、電力驅動技術、自動控制技術等等。2.1 驅動系統電機的選擇 電動汽車驅動系統由能源供給系統、電力驅動系統和機械傳動系統組成。選擇最佳的驅動系統是設計

11、電動汽車的關鍵，而電動機的性能直接決定著驅動系統的性能，因此電動機的選擇成為設計電動汽車驅動系統的主要基礎，目前有一系列類型的電動機均可作為電動汽車驅動系統的電動機，具體如下所述。 電動汽車在不同的歷史時期采用了不同的電動機作為驅動電機，電動汽車用電動機有各種種類。直流電動機由于控制性能好最早在電動汽車中獲得應用。1）他勵直流電動機 他勵直流電動機的勵磁繞組和電樞繞組分別由不同的電源供電，圖2-1為他勵直流電動機的等效電路。當勵磁繞組接到一個恒定的電源時，通過調節Rf的大小，可以調節勵磁電流的大小。 圖2-1 他勵直流電動機等效電路他勵直流電動機穩態運行時的電壓方程為： (2-1) (2-2)

12、 2）串勵直流電動機 串勵直流電動機是將直流電動機的勵磁繞組和電樞繞組串聯起來，其電樞電流也是勵磁電流。為了減小其電壓降，繞組采用電阻較低的繞圈繞成。圖2-2為串勵直流電動機的等效電路圖。 圖2-2串勵直流電動機等效電路圖 3）并勵直流電動機 并勵直流電動機的電樞繞組和勵磁繞組接線方式如圖2-3所示。 圖2-3 并勵直流電動機等效電路 4）復勵直流電動機 復勵直流電動機的勵磁繞組具有串勵和并勵的特點，如圖2-4所示。在大多數復勵直流電動機運行中，并勵磁場起主導作用，串勵磁場起輔助作用。 a) 長并勵連接方式 b) 短并勵連接方式 圖2-4 復勵直流電動機等效電路 圖2-5 三相交流電動機機械特

13、性曲線 當電機工作點在第象限時，例如A點，電機為正向電動運行狀態 （如驅動電動汽車前進）；當工作點在第象限時，例如B點，電機為反向電動運行狀態 （如電動汽車倒車）。電動運行狀態下，電磁轉矩為驅動轉矩。當電動汽車下坡時，汽車往往需要制動，交流電動機的再生制動如圖2-6所示。當電機運行速度不斷增大，最后超過同步轉速而穩定運行于B點，此時，系統處于再生制動狀態。 圖2-6 三相交流電動機再生制動 而異步電機在當今社會中被廣泛應用，其特性如下所示。根據電機學原理，異步電動機在下述三個假定條件下：a.忽略空間和時間諧波；b.忽略磁飽和；c.忽略鐵損，其穩態等效電路如圖2-7所示。 圖2-7 異步電動機的

14、穩態等效電路 2.2常見的幾種驅動系統現代電動汽車是融合了電力、電子、機械控制、材料科學以及化工技術等多種高新技術的綜合產品。整體的運行性能、經濟性等首先取決于電池系統和電機驅動控制系統。電動汽車的運行，與一般的工業應用不同，不但要求電機驅動系統具有高轉矩重量發。比、寬調速范圍、高可靠性，而且由于電源功率的限制等，其轉矩一轉速特性應根據電動汽車起動、爬坡和行駛等不同階段分為恒轉矩區或恒功率區。 永磁無刷電動機系統具有較上述電機系統更高的能量密度和更高的效率，在電動汽車中具有極好的應用前景。 本章小結：通過對電動汽車幾種常用控制方法的對比，可以看出在當今社會中，交流感應電動機驅動系統具有結構簡單

15、、使用方便、運行可靠、效率較高、制造容易、成本低廉的優點，在電動汽車驅動中得到廣泛的應用，針對現實的使用情況，本文選擇交流異步電動機驅動系統對電動汽車驅動系統進行設計，同時并對該系統進行仿真，驗證其可行性。第3章 異步電機矢量控制原理在電動汽車控制系統中，異步電機的矢量控制實現了交流電動機磁通和轉矩的解耦控制，使其系統的動態特性有了顯著的改善。本章首先闡述異步電動機在三相坐標系下的數學模型，然后根據坐標變換理論，得到了其在兩相靜止坐標系下和兩相同步坐標系下的數學方程，并介紹了異步電機的矢量控制原理。3.1 三相異步電動機的多變量非線性數學模型 由于異步電動機的動態數學模型是一個高階、非線性、強

16、耦合的多變量系統，故在研究異步電動機的數學模型時，常常做出如下假設： 1） 忽略鐵耗對電機的影響； 2） 在頻率和溫度變化，忽略其對繞組電阻的影響； 3） 認為各繞組的互感和自感都是線性的，即忽略磁路飽和的影響； 4） 設三相繞組對稱，在空間中互差1200電角度，產生的磁動勢沿氣隙按正弦分布，忽略空間諧波3。三相異步電動機轉子繞組分為繞線型和籠型型，其均可以等效為三相繞線轉子，折算到定子側后，其定子和轉子繞組匝數都相等。電機繞組等效后的三相異步電動機的物理模型如圖3-1所示。圖3-1 三相異步電動機的物理模型 3.2 坐標變換 在異步電動機的分析中可以看出，其數學模型由于存在一個復雜的66電感

17、矩陣而比較復雜。通過坐標變換的方法，使得變化后的數學模型得到簡化。1） 三相-兩相變換（3/2變換） 在三相靜止繞組A、B、C和兩相繞組、之間的變換，稱為三相靜止坐標系和兩相靜止坐標系間的變換。 三相異步電動機的定子三相繞組和與之等效的兩相異步電動機定子繞組、 ，各相磁勢矢量的空間位置如圖3-2所示。 圖3-2 三相靜止到兩相靜止變換假設磁動勢按正弦分布，那么當三相磁動勢與兩相磁動勢相等時，兩套繞組瞬時磁動勢在、軸上的投影是相等的，則其反變換形式如下： （3-12）這樣經過三相-兩相的變換就可以將三相異步電動機變換為兩相正交的異步電機模型。2） 兩相-兩相旋轉變換（2s/2r變換） 從兩相靜止

18、坐標系到兩相旋轉坐標系M, T的變換稱作兩相-兩相旋轉變換，簡稱2s/2r變換，其中r表示旋轉，s表示靜止。如圖3-3所示，旋轉坐標系的兩個直流分量和靜止坐標系的兩相交流分量產生相同大小的同步旋轉磁動勢。 圖3-3 兩相靜止到兩相旋轉變換由圖可知，其變換矩陣為： （3-13）3.3 三相異步電動機在兩相坐標系上的數學模型在前面的坐標變換中不難看出其可以將異步電動機的數學模型簡化很多，因此在對異步電動機分析常將其變換在兩相坐標中分析。1）異步電動機在兩相同步旋轉坐標系的模型 2） 異步電機在兩相靜止坐標系的數學模型在坐標系中繞組都落在兩根相互垂直的軸上，兩組繞組間沒有耦合，矩陣中所有元素均為常系

19、數，消除了異步電動機在三相靜止坐標系上的數學模型中的一個非線性的根源。上述方程是矢量控制中的重要方程。3.4 異步電機的矢量控制20世紀70年代初,由美國學者和德國學者各自提出的矢量控制(vector control)理論，同時在實踐中經過改進，形成了現在普遍采用的矢量控制方法。其不但解決了大型電動汽車對高速領域中大轉矩的和大范圍內恒定輸出功率的運轉需求，還解決了以前的電動機體積大的問題。其中，交流電機的轉子總磁通就變成了等效的直流電機的磁通，M繞組相當于直流電機的勵磁繞組，相當于勵磁電流，T繞組相當于偽靜止繞組，相當于與轉矩成正比的電樞電流。上述等效關系可如圖3-4所示。 圖3-4 異步電動

20、機的坐標變換結構圖根據等效控制理論，可以構成直接控制的矢量控制系統，如圖3-5所示圖3-5 矢量控制系統原理結構圖3.5 按轉子磁鏈定向的矢量控制方程及其解耦作用 在上面的動態模型分析中，假如兩相同步旋轉坐標系按轉子磁鏈定向時，則有： ， （3-20）將其帶入轉矩方程和狀態方程，可以得到： （3-21） （3-22） （3-23）式中為轉子時間常數，我們不難從式中發現，轉子磁鏈僅有定子電流勵磁分量產生，與轉矩分量無關，因此，定子電流的勵磁分量與轉矩分量是解耦的。上述方程可以將異步電機的數學模型繪成圖3-6的結構形式，如下： 圖3-6 異步電動機矢量變換與電流解耦數學模型從以上分析可知，要使磁場

21、定向控制具有和直流調速系統一樣的動態性能，在調速過程中保持轉子磁鏈恒定是非常重要的。 根據控制方案中是否進行轉子磁鏈的反饋控制及其觀測，磁場定向控制可分為直接磁場定向控制和間接磁場定向控制(又稱轉差頻率控制)。 圖3-7是一個典型的轉速、磁鏈閉環矢量控制系統，包括速度控制環和磁鏈控制環。 圖3-7 直接型矢量控制方框圖 間接磁場定向控制采用磁鏈開環控制，在磁通運行過程中不檢測轉子磁鏈信號，系統結構簡單。利用轉差公式，形成轉差矢量控制系統，利用得到同步角速度，該方案在實際中也獲得廣泛的應用，控制方案如圖3-8所示： 圖3-8 間接矢量控制方框圖但該方法更依賴于電機參數的準確檢測，當參數時變或不確

22、定時，系統動態性能大受影響。且磁鏈開環在動態過程中存在偏差，其性能不及磁鏈閉環控制系統。3.6 無速度傳感器矢量控制系統無論是直接矢量控制還是間接矢量控制，都具有動態性能好、調速范圍寬的優點，但動態性能受電機參數變化的影響是其主要的不足之處。 本章小結：作為電動汽車的驅動系統，應滿足小型輕量化等要求，而異步電動機正具有這些優點，在近年來，矢量控制日益成熟，在電動汽車中得到了廣泛的應用。因此本章根據異步電動機在三相坐標系下的數學模型和坐標變化理論，分析介紹了異步電動機的矢量控制原理。 第4章 基于MATLAB的電動汽車矢量控制系統仿真 MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory

23、）的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，用于算法開發，數據可視化，數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。 4.1 基于電流模型磁鏈估計的控制系統仿真根據磁鏈估計方法和模型參考自適應的轉速估計方法，利用MATLAB/Simulink環境建立了基于電流模型磁鏈估計的無速度傳感器矢量控制系統，仿真電路圖如下所示： 圖4-1 基于電流模型磁鏈估計無速度傳感器矢量控制系統圖4-1所示的系統框圖中主要包含有電壓磁鏈估計子系統、電流磁鏈估計子系統、轉速估計子系統以及電流滯環控制子系統等，具體介紹如下。（1）電流模型 圖4-2 磁

24、鏈電流模型 圖4-2所示電流模型利用3s/2r變換將三相定子電流轉化為兩相同步旋轉坐標系下的電流和，然后通過公式得到轉子磁鏈。（2）電壓模型 圖4-3 磁鏈電壓模型（3）基于MARS的轉速推算模塊圖4-4的轉速估計子系統分別利用基于電流模型估計的磁鏈和基于電壓模型估計的磁鏈求出偏差，再利用PI積分估計出轉子速度。這里所得的通過反饋到電壓模型和電流模型用于計算單位矢量，從而形成一個完整的回路。 圖4-4 轉速估計子系統（4） 電流滯環控制模塊將給定電流與電機定子電流進行比較，將得到的偏差作為滯環比較器的輸入，通過其輸出來控制功率器件的通斷。4.2 基于電壓模型的無速度傳感器矢量控制系統此系統所包

25、含的子系統與基于電流模型的無速度傳感器矢量控制系統相同。由于系統中用于轉速估計的電壓模型和電流模型被獨立出來。其仿真電路圖如下所示： 圖4-5 基于電壓模型磁鏈估計無速度傳感器矢量控制系統4.3 仿真結果分析建立了上述的仿真系統電路結構后，接下來就對對稱三相正弦電壓為380V、頻率為50Hz的異步電動機進行仿真，并對調節器參數等系統仿真參數進行設定，對仿真結果進行分析，以確定該控制系統的性能。（1） 基于電流模型磁鏈估計的仿真 圖4-6 定參數時實際轉速和估計轉速圖4-7 變參數時實際轉速和估計轉速 圖4-8 定參數時實際轉矩和估計轉矩 圖4-9 變參數時實際轉矩和估計轉矩 圖4-10 定參數

26、時的三相定子電流 圖4-11 定參數時定子磁鏈 從以上仿真結果可知，在定參數時基于電流模型磁鏈估計的無速度傳感器矢量控制系統能很好的完成加載、變速等基本控制功能。和矢量控制理論相一致，能夠達到電動汽車驅動系統的要求。（2） 基于電壓模型磁鏈估計的仿真初始給定轉速為600r/min，負載為0；0.3秒時給定轉速突加到1200r/min,0.6秒時突加50Nm的負載。仿真結果如下： 圖4-12 實際轉速 圖4-13 估計轉速 圖4-14 實際轉矩 圖4-15 估計轉矩 圖4-16 三相定子電流 圖4-17 定子磁鏈軌跡由圖示仿真結果可以看出，基于電壓模型磁鏈估計的矢量控制系統也能較好的完成加載、變

27、速等基本控制功能。因此，電壓型在電動汽車低速控制中有很大的局限性。本章小結：本章通過對異步電動機基于電壓模型磁鏈估計的矢量控制系統進行仿真，并對結果在電動汽車理想行駛過程中進行分析，由仿真結果圖可以看出，采用異步電動機矢量控制系統的電動汽車滿足基本的實際需求，具有動態性能好、調速范圍寬的優點，但同時存在不足之處，易受電機參數影響，但其仍具有很好的發展空間。第5章 結束語異步電機由于具有結構接單、運行可靠、維護方便等特點在現代電動汽車中廣泛被運用，隨著電動汽車的不斷發展和電力電子器件、微處理器等的更新，交流電機矢量控制技術也會越來越成熟。本文主要做了以下工作：簡要介紹了電動汽車的背景和發展現狀；

28、1.分析對比了幾種常用電動汽車驅動系統，說明選擇異步電機的原因；2.通過對異步電機矢量控制的原理分析，選擇了適合電動汽車性能要求的異步電機矢量控制系統進行設計；3.最后利用MATLAB對電動汽車無速度傳感器矢量控制系統進行仿真，驗證了異步電機矢量控制的可行性。由于自己的知識水平和時間有限，對該課題并未深入的學習研究，因此在文中難免存在不妥的地方，希望各位老師給予校正。電動汽車是各個領域結合的綜合產物，隨著其不斷的發展，驅動控制系統也將愈來愈方便、效率，因此，自己認為后期可以做以下工作：（1）在矢量控制中，克服電機參數常對系統造成影響；（2）由于基于電壓模型和電流模型的轉子磁鏈觀測都有一定的使用

29、范圍，可以研究一種適應能力強，使用范圍廣的磁鏈觀測方法。將最大效率控制與快速響應控制有機結合，克服變頻調速系統的效率優化對動態響應性能的影響，改進系統運行的穩定性和魯棒性；（3）利用近年來為電動汽車異步電機矢量控制而出現的專用DSP，設計系統的硬件和軟件部分，達到提高控制系統動態性能的目的。致 謝首先向我的畢業設計指導老師表達最真摯的謝意，老師在電氣傳動和電動汽車等領域擁有豐富的學識，同時還在不斷學習各種電動汽車新技術知識，充實著自己。在畢業設計中，老師培養了我們分析問題，解決問題的能力，同時在論文設計和撰寫中給予了我們極大的幫助。其次，感謝在畢業設計中給予我幫助的朋友，同學，謝謝你們在生活，學習中給我的幫助。最后，感謝天下無數的父母，正式他們的無私付出，才使得我們完成學業。真誠的感謝大學生活里所有的老師，同學，朋友和自己的父母！參考文獻1翟麗. 電動汽車驅動系統牽引電機及其控