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电动汽车驱动控制系统设计

摘 要
驱动系统是电动汽车心脏，也是电动汽车研制关键技术之一，它直接决定电动汽车性能，本文依据异步电动机矢量控制理论，结合电动汽车实际要求，研究设计基于无速度传感器矢量控制电动汽车驱动系统。矢量控制经过坐标变换将定子电流矢量分解为转子磁场定向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解耦控制，已达成直流电动机控制效果。最终，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

Driving 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 1
1.1 引 言 1
1.2 燃料汽车和电动汽车对比 1
1.3 电动汽车发展现况 2
第2章 常见多个驱动系统 3
2.1 驱动系统电机选择 3
2.2常见多个驱动系统 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数学模型 9
3.4 异步电机矢量控制 9
3.5 按转子磁链定向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电动汽车矢量控制系统仿真 12
4.1 基于电流模型磁链估量控制系统仿真 12
4.2 基于电压模型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 谢 20
参考文件 21

第1章 绪 论
1.1 引 言
电动汽车是一个电力驱动道路交通工具，其包含了电池电动汽车，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，电动汽车发展几经沉浮，并伴随科技和社会进步跨越了不一样时代。
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两大难题。
1.2 燃料汽车和电动汽车对比
电动汽车以蓄电池电能为动力，在行驶时几乎没有废气排出，比燃油汽车降低92%-98%，是最被看好“零污染”汽车。所以，电动汽车使用时为处理环境污染问题提供了很好一条路径。
表1-1比较了燃料汽车和电动汽车废气排放（关键成份）。表格1-1资料起源：《国家重大科技产业工程项目电动汽车实施方案》。
表 1-1 电动汽车和燃油汽车废气排放比较（g/km）
废气组成
燃油汽车
电动汽车
CO
17.0
0
HC
2.7
0
NOX
0.74
1（0.023）
CO2
320
0（130）
注：括号数据考虑了电厂排放废气
表格1-2列出了未安装防护设备汽车排放系数，这些事汽车在产生区域以平均40.233 6km/h时速为基础平均排放系数。资料起源：《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
有机酸（醋酸）
0.224
0

在表格1-3中所表示，重量为1 000kg传统汽车使用无铅汽油所排放HC、CO、CO2、SO2分别为0.018、0.91、0.077 1、0.004 5—0.045 36kg。其中，电动汽车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，意义和燃油汽车相同。表格1-3资料起源于美国通用汽车企业电动汽车技术汇报。
表1-3 1000kg燃油汽车和电动汽车排放比较
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 200kg
HC
0.018
0.000 8
0.002 2
CO
0.91
0.009 1
0.018 2
NO2
0.077 1
0.294 8
0.181 4
CO2
83
91
41
SOX
0.004 5-0.453 6
0.181 4-0.771 1
0.000 3

和燃油汽车相比，电动汽车仅产生少许电磁噪声和机械噪声，在正常运行时，通常比燃油汽车低10—15dB。在表格1-4中比较了两种汽车在不一样时速下噪声情况。
表1-4 燃油汽车和电动汽车在不一样车速下噪声（dB）

噪声
燃油汽车
电动汽车
车内
车外
车内
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
从表中我们不难发觉，电动汽车比燃油汽车在环境指标上含有显著优势。
1.3 电动汽车发展现况
伴随多种科学技术高速发展和能源环境问题双重压力下，电动汽车研究开发再次进入了一个活跃期，很多技术难点逐步得到了处理，世界各大汽车制造商纷纷推出各自电动汽车产品。
本章小结：电动汽车拥有和燃料汽车相反性能，即电动机在环境、效率等方面略胜一筹，不过在舒适性、输出功率大小和价格等方面较燃料汽车有一定差距。所以，对电动汽车高性能蓄电池、高效率电动机、电力变流器、驱动系统开发是未来电动汽车发展关键方向。以下几章将对电动汽车驱动系统做简明介绍。
第2章 常见多个驱动系统

现在电动汽车关键是高效、清洁和智能化利用电能驱动车辆。其关键技术包含汽车制造技术、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。选择最好驱动系统是设计电动汽车关键，而电动机性能直接决定着驱动系统性能，所以电动机选择成为设计电动汽车驱动系统关键基础，现在有一系列类型电动机均可作为电动汽车驱动系统电动机，具体以下所述。
电动汽车在不一样历史时期采取了不一样电动机作为驱动电机，电动汽车用电动机有多种种类。直流电动机因为控制性能好最早在电动汽车中取得应用。
1）她励直流电动机
她励直流电动机励磁绕组和电枢绕组分别由不一样电源供电，图2-1为她励直流电动机等效电路。当励磁绕组接到一个恒定电源时，经过调整Rf大小，能够调整励磁电流大小。

图2-1 她励直流电动机等效电路
她励直流电动机稳态运行时电压方程为：
(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，绕组采取电阻较低绕圈绕成。
图2-2为串励直流电动机等效电路图。

图2-2串励直流电动机等效电路图
3）并励直流电动机
并励直流电动机电枢绕组和励磁绕组接线方法图2-3所表示。

图2-3 并励直流电动机等效电路
4）复励直流电动机
复励直流电动机励磁绕组含有串励和并励特点，图2-4所表示。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) 长并励连接方法

b) 短并励连接方法
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征曲线
当电机工作点在第Ⅰ象限时，比如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Ⅲ象限时，比如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，交流电动机再生制动图2-6所表示。当电机运行速度不停增大，最终超出同时转速而稳定运行于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，其特征以下所表示。依据电机学原理，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，其稳态等效电路图2-7所表示。

图2-7 异步电动机稳态等效电路
2.2常见多个驱动系统
现代电动汽车是融合了电力、电子、机械控制、材料科学和化工技术等多个高新技术综合产品。整体运行性能、经济性等首先取决于电池系统和电机驱动控制系统。
电动汽车运行，和通常工业应用不一样，不仅要求电机驱动系统含有高转矩重量发。比、宽调速范围、高可靠性，而且因为电源功率限制等，其转矩一转速特征应依据电动汽车起动、爬坡和行驶等不一样阶段分为恒转矩区或恒功率区。
永磁无刷电动机系统含有较上述电机系统更高能量密度和更高效率，在电动汽车中含有极好应用前景。
本章小结：经过对电动汽车多个常见控制方法对比，能够看出在当今社会中，交流感应电动机驱动系统含有结构简单、使用方便、运行可靠、效率较高、制造轻易、成本低廉优点，在电动汽车驱动中得到广泛应用，针对现实使用情况，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，异步电机矢量控制实现了交流电动机磁通和转矩解耦控制，使其系统动态特征有了显著改善。本章首先叙述异步电动机在三相坐标系下数学模型，然后依据坐标变换理论，得到了其在两相静止坐标系下和两相同时坐标系下数学方程，并介绍了异步电机矢量控制原理。
3.1 三相异步电动机多变量非线性数学模型
因为异步电动机动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合多变量系统，故在研究异步电动机数学模型时，常常做出以下假设：
1） 忽略铁耗对电机影响；
2） 在频率和温度改变，忽略其对绕组电阻影响；
3） 认为各绕组互感和自感全部是线性，即忽略磁路饱和影响；
4） 设三相绕组对称，在空间中互差1200电角度，产生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，其均能够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全部相等。电机绕组等效后三相异步电动机物理模型图3-1所表示。

图3-1 三相异步电动机物理模型

3.2 坐标变换
在异步电动机分析中能够看出，其数学模型因为存在一个复杂6×6电感矩阵而比较复杂。经过坐标变换方法，使得改变后数学模型得到简化。
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、之间变换，称为三相静止坐标系和两相静止坐标系间变换。
三相异步电动机定子三相绕组和和之等效两相异步电动机定子绕组、 ，各相磁势矢量空间位置图3-2所表示。

图3-2 三相静止到两相静止变换
假设磁动势按正弦分布，那么当三相磁动势和两相磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在α、β轴上投影是相等，则其反变换形式以下：
（3-12）
这么经过三相-两相变换就能够将三相异步电动机变换为两相正交异步电机模型。
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。图3-3所表示，旋转坐标系两个直流分量和静止坐标系两相交流分量产生相同大小同时旋转磁动势。

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数学模型
在前面坐标变换中不难看出其能够将异步电动机数学模型简化很多，所以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时旋转坐标系模型
2） 异步电机在两相静止坐标系数学模型
在坐标系中绕组全部落在两根相互垂直轴上，两组绕组间没有耦合，矩阵中全部元素均为常系数，消除了异步电动机在三相静止坐标系上数学模型中一个非线性根源。上述方程是矢量控制中关键方程。
3.4 异步电机矢量控制
20世纪70年代初,由美国学者和德国学者各自提出矢量控制(vector control)理论，同时在实践中经过改善，形成了现在普遍采取矢量控制方法。其不仅处理了大型电动汽车对高速领域中大转矩和大范围内恒定输出功率运转需求，还处理了以前电动机体积大问题。
其中，交流电机转子总磁通就变成了等效直流电机磁通，M绕组相当于直流电机励磁绕组，相当于励磁电流，T绕组相当于伪静止绕组，相当于和转矩成正比电枢电流。上述等效关系可图3-4所表示。

图3-4 异步电动机坐标变换结构图
依据等效控制理论，能够组成直接控制矢量控制系统，图3-5所表示
图3-5 矢量控制系统原理结构图
3.5 按转子磁链定向矢量控制方程及其解耦作用
在上面动态模型分析中，假如两相同时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，能够得到：
（3-21）
（3-22）
（3-23）
式中为转子时间常数，我们不难从式中发觉，转子磁链仅有定子电流励磁分量产生，和转矩分量无关，所以，定子电流励磁分量和转矩分量是解耦。上述方程能够将异步电机数学模型绘成图3-6结构形式，以下：
图3-6 异步电动机矢量变换和电流解耦数学模型
从以上分析可知，要使磁场定向控制含有和直流调速系统一样动态性能，在调速过程中保持转子磁链恒定是很关键。
依据控制方案中是否进行转子磁链反馈控制及其观察，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是一个经典转速、磁链闭环矢量控制系统，包含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取磁链开环控制，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，利用得到同时角速度，该方案在实际中也取得广泛应用，控制方案图3-8所表示：

图3-8 间接矢量控制方框图
但该方法更依靠于电机参数正确检测，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
不管是直接矢量控制还是间接矢量控制，全部含有动态性能好、调速范围宽优点，但动态性能受电机参数改变影响是其关键不足之处。
本章小结：作为电动汽车驱动系统，应满足小型轻量化等要求，而异步电动机正含有这些优点，在多年来，矢量控制日益成熟，在电动汽车中得到了广泛应用。所以本章依据异步电动机在三相坐标系下数学模型和坐标改变理论，分析介绍了异步电动机矢量控制原理。

第4章 基于MATLAB电动汽车矢量控制系统仿真

MATLAB是矩阵试验室（Matrix Laboratory）简称，是美国MathWorks企业出品商业数学软件，用于算法开发，数据可视化，数据分析和数值计算高级技术计算语言和交互式环境，关键包含MATLAB和Simulink两大部分。
4.1 基于电流模型磁链估量控制系统仿真
依据磁链估量方法和模型参考自适应转速估量方法，利用MATLAB/Simulink环境建立了基于电流模型磁链估量无速度传感器矢量控制系统，仿真电路图以下所表示：

图4-1 基于电流模型磁链估量无速度传感器矢量控制系统
图4-1所表示系统框图中关键包含有电压磁链估量子系统、电流磁链估量子系统、转速估量子系统和电流滞环控制子系统等，具体介绍以下。
（1）电流模型

图4-2 磁链电流模型
图4-2所表示电流模型利用3s/2r变换将三相定子电流转化为两相同时旋转坐标系下电流和，然后经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转速推算模块
图4-4转速估量子系统分别利用基于电流模型估量磁链和基于电压模型估量磁链求出偏差，再利用PI积分估量出转子速度。这里所得经过反馈到电压模型和电流模型用于计算单位矢量，从而形成一个完整回路。

图4-4 转速估量子系统
（4） 电流滞环控制模块
将给定电流和电机定子电流进行比较，将得到偏差作为滞环比较器输入，经过其输出来控制功率器件通断。
4.2 基于电压模型无速度传感器矢量控制系统
此系统所包含子系统和基于电流模型无速度传感器矢量控制系统相同。因为系统中用于转速估量电压模型和电流模型被独立出来。其仿真电路图以下所表示：

图4-5 基于电压模型磁链估量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异步电动机进行仿真，并对调整器参数等系统仿真参数进行设定，对仿真结果进行分析，以确定该控制系统性能。
（1） 基于电流模型磁链估量仿真

图4-6 定参数时实际转速和估量转速

图4-7 变参数时实际转速和估量转速

图4-8 定参数时实际转矩和估量转矩

图4-9 变参数时实际转矩和估量转矩
图4-10 定参数时三相定子电流

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量无速度传感器矢量控制系统能很好完成加载、变速等基础控制功效。和矢量控制理论相一致，能够达成电动汽车驱动系统要求。
（2） 基于电压模型磁链估量仿真
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负载。仿真结果以下：

图4-12 实际转速 图4-13 估量转速

图4-14 实际转矩 图4-15 估量转矩

图4-16 三相定子电流 图4-17 定子磁链轨迹
由图示仿真结果能够看出，基于电压模型磁链估量矢量控制系统也能很好完成加载、变速等基础控制功效。所以，电压型在电动汽车低速控制中有很大不足。
本章小结：本章经过对异步电动机基于电压模型磁链估量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，由仿真结果图能够看出，采取异步电动机矢量控制系统电动汽车满足基础实际需求，含有动态性能好、调速范围宽优点，但同时存在不足之处，易受电机参数影响，但其仍含有很好发展空间。

第5章 结束语

异步电机因为含有结构接单、运行可靠、维护方便等特点在现代电动汽车中广泛被利用，伴随电动汽车不停发展和电力电子器件、微处理器等更新，交流电机矢量控制技术也会越来越成熟。本文关键做了以下工作：
简明介绍了电动汽车背景和发展现实状况；
1.分析对比了多个常见电动汽车驱动系统，说明选择异步电机原因；
2.经过对异步电机矢量控制原理分析，选择了适合电动汽车性能要求
异步电机矢量控制系统进行设计；
3.最终利用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可行性。
因为自己知识水平和时间有限，对该课题并未深入学习研究，所以在文中难免存在不妥地方，期望各位老师给校正。
电动汽车是各个领域结合综合产物，伴随其不停发展，驱动控制系统也将愈来愈方便、效率，所以，自己认为后期能够做以下工作：
（1）在矢量控制中，克服电机参数常对系统造成影响；
（2）因为基于电压模型和电流模型转子磁链观察全部有一定使用范围，能够研究一个适应能力强，使用范围广磁链观察方法。将最大效率控制和快速响应控制有机结合，克服变频调速系统效率优化对动态响应性能影响，改善系统运行稳定性和鲁棒性；
（3）利用多年来为电动汽车异步电机矢量控制而出现专用DSP，设计系统硬件和软件部分，达成提升控制系统动态性能目标。
致 谢

首先向我毕业设计指导老师表示最真挚谢意，老师在电气传动和电动汽车等领域拥有丰富学识，同时还在不停学习多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，处理问题能力，同时在论文设计和撰写中给了我们极大帮助。其次，感谢在毕业设计中给我帮助好友，同学，谢谢你们在生活，学习中给我帮助。最终，感谢天下无数父母，正式她们无私付出，才使得我们完成学业。
真诚感谢大学生活里全部老师，同学，好友和自己父母！
参考文件
[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,,(3):9-12
[2]邹国棠 程明.电动汽车新型驱动技术[M].机械工业出版社，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，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，8月
[5]王步来.电动汽车异步电机系统开发策略[J].微电机,,(3):36-38
[6]王文森，李永东，王光辉等.基于PI自适应法无速度传感器异步电动机矢量控制系统[J]电工技术学报，,(2): 1-6
[7]史国生.交直流调速系统[M].北京：北京工业出版社，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应用.北京：清华大学出版社，10月
[9]高景德 王祥珩 李发海.交流电机及其系统分析[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,
[11]徐国凯 赵秀春 苏航.电动汽车驱动和控制[M].北京：电子工业出版社，6月
[12]吴加加.燃料电池汽车异步电机控制方法研究[C].北京
[13] J.Wang,Z.Y.Liu,H.Chen,R.Pei.Output feedback Control to Constrained Systems via Moving Horizon Stategy[J]自动化学报.,33（11）：1176-1181
[14]C.W.Scherer,P.Gahinet,and M. Chilali.Multi-objective output-feedback control via LMI optimization[J].IEEE Trans.Automat.Contr.42:896-911,1997
[15]S.Boyd,L.EI Ghaoui,E.Feron,and V.Balakishnan.Linear Mstrix Inequalities in Systems and Control Theory[M].SIAM,Philadelphia,1994
[16]徐中领，李桥梁.交流感应电机无速度传感器矢量控制系统设计[J]安徽电气工程职业拄术学院学报。(3):29-32
[17]万沛霖.电动汽车关键技术[M].北京理工大学出版社,北京:1998