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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，也是电动汽车研制核心技术之一，它直接决定电动汽车性能，本文依照异步电动机矢量控制理论，结合电动汽车实际规定，研究设计基于无速度传感器矢量控制电动汽车驱动系统。矢量控制通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，已达到直流电动机控制效果。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可行性。
核心词：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 电动汽车发呈现况 2
第2章 惯用几种驱动系统 3
2.1 驱动系统电机选取 3
2.2常用几种驱动系统 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 基于电流模型磁链预计控制系统仿真 12
4.2 基于电压模型无速度传感器矢量控制系统 14
4.3 仿真成果分析 15
第5章 结束语 19
致 谢 20
参照文献 21

第1章 绪 论
1.1 引 言
电动汽车是一种电力驱动道路交通工具，其涉及了电池电动汽车，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，并随着科技和社会进步跨越了不同步代。
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，比燃油汽车减少92%-98%，是最被看好“零污染”汽车。因而，电动汽车使用时为解决环境污染问题提供了较好一条途径。
表1-1比较了燃料汽车和电动汽车废气排放（重要成分）。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行方案》。
表 1-1 电动汽车与燃油汽车废气排放比较（g/km）
废气构成
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时速为基本平均排放系数。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中所示，重量为1 000kg老式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括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状况，意义与燃油汽车相似。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

与燃油汽车相比，电动汽车仅产生少量电磁噪声和机械噪声，在正常运营时，普通比燃油汽车低10—15dB。在表格1-4中比较了两种汽车在不同步速下噪声状况。
表1-4 燃油汽车和电动汽车在不同车速下噪声（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
从表中咱们不难发现，电动汽车比燃油汽车在环境指标上具备明显优势。
1.3 电动汽车发呈现况
随着各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种活跃期，许多技术难点逐渐得到理解决，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，但是在舒服性、输出功率大小和价格等方面较燃料汽车有一定差距。因而，对电动汽车高性能蓄电池、高效率电动机、电力变流器、驱动系统开发是将来电动汽车发展重要方向。如下几章将对电动汽车驱动系统做简要简介。
第2章 惯用几种驱动系统

当前电动汽车核心是高效、清洁和智能化运用电能驱动车辆。其核心技术涉及汽车制造技术、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 驱动系统电机选取
电动汽车驱动系统由能源供应系统、电力驱动系统和机械传动系统构成。选取最佳驱动系统是设计电动汽车核心，而电动机性能直接决定着驱动系统性能，因而电动机选取成为设计电动汽车驱动系统重要基本，当前有一系列类型电动机均可作为电动汽车驱动系统电动机，详细如下所述。
电动汽车在不同历史时期采用了不同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）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同电源供电，图2-1为她励直流电动机等效电路。当励磁绕组接到一种恒定电源时，通过调节Rf大小，可以调节励磁电流大小。

图2-1 她励直流电动机等效电路
她励直流电动机稳态运营时电压方程为：
(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，绕组采用电阻较低绕圈绕成。
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
复励直流电动机励磁绕组具备串励和并励特点，如图2-4所示。在大多数复励直流电动机运营中，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Ⅰ象限时，例如A点，电机为正向电动运营状态 （如驱动电动汽车迈进）；当工作点在第Ⅲ象限时，例如B点，电机为反向电动运营状态 （如电动汽车倒车）。电动运营状态下，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如图2-6所示。当电机运营速度不断增大，最后超过同步转速而稳定运营于B点，此时，，系统处在再生制动状态。

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。依照电机学原理，异步电动机在下述三个假定条件下：a.忽视空间和时间谐波；b.忽视磁饱和；c.忽视铁损，其稳态等效电路如图2-7所示。

图2-7 异步电动机稳态等效电路
2.2常用几种驱动系统
当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各种高新技术综合产品。整体运营性能、经济性等一方面取决于电池系统和电机驱动控制系统。
电动汽车运营，与普通工业应用不同，不但规定电机驱动系统具备高转矩重量发。比、宽调速范畴、高可靠性，并且由于电源功率限制等，其转矩一转速特性应依照电动汽车起动、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备较上述电机系统更高能量密度和更高效率，在电动汽车中具备极好应用前景。
本章小结：通过对电动汽车几种惯用控制办法对比，可以看出在当今社会中，交流感应电动机驱动系统具备构造简朴、使用以便、运营可靠、效率较高、制造容易、成本低廉长处，在电动汽车驱动中得到广泛应用，针对现实使用状况，本文选取交流异步电动机驱动系统对电动汽车驱动系统进行设计，同步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，使其系统动态特性有了明显改进。本章一方面阐述异步电动机在三相坐标系下数学模型，然后依照坐标变换理论，得到了其在两相静止坐标系下和两相似步坐标系下数学方程，并简介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
由于异步电动机动态数学模型是一种高阶、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，经常做出如下假设：
1） 忽视铁耗对电机影响；
2） 在频率和温度变化，忽视其对绕组电阻影响；
3） 以为各绕组互感和自感都是线性，即忽视磁路饱和影响；
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，忽视空间谐波[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。电机绕组等效后三相异步电动机物理模型如图3-1所示。

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可以看出，其数学模型由于存在一种复杂6×6电感矩阵而比较复杂。通过坐标变换办法，使得变化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与之等效两相异步电动机定子绕组、，各相磁势矢量空间位置如图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α、β轴上投影是相等，则其反变换形式如下：
（3-12）
这样通过三相-两相变换就可以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表达旋转，s表达静止。如图3-3所示，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似大小同步旋转磁动势。

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数学模型
在前面坐标变换中不难看出其可以将异步电动机数学模型简化诸多，因而在对异步电动机分析常将其变换在两相坐标中分析。
1）异步电动机在两相似步旋转坐标系模型
2） 异步电机在两相静止坐标系数学模型
在坐标系中绕组都落在两根互相垂直轴上，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数学模型中一种非线性根源。上述方程是矢量控制中重要方程。
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，同步在实践中通过改进，形成了当前普遍采用矢量控制办法。其不但解决了大型电动汽车对高速领域中大转矩和大范畴内恒定输出功率运转需求，还解决了此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绕组相称于直流电机励磁绕组，相称于励磁电流，T绕组相称于伪静止绕组，相称于与转矩成正比电枢电流。上述等效关系可如图3-4所示。

图3-4 异步电动机坐标变换构造图
依照等效控制理论，可以构成直接控制矢量控制系统，如图3-5所示
图3-5 矢量控制系统原理构造图
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，如果两相似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，咱们不难从式中发现，转子磁链仅有定子电流励磁分量产生，与转矩分量无关，因而，定子电流励磁分量与转矩分量是解耦。上述方程可以将异步电机数学模型绘成图3-6构造形式，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备和直流调速系统同样动态性能，在调速过程中保持转子磁链恒定是非常重要。
依照控制方案中与否进行转子磁链反馈控制及其观测，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是一种典型转速、磁链闭环矢量控制系统，涉及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，在磁通运营过程中不检测转子磁链信号，系统构造简朴。运用转差公式，形成转差矢量控制系统，运用得到同步角速度，该方案在实际中也获得广泛应用，控制方案如图3-8所示：

图3-8 间接矢量控制方框图
但该办法更依赖于电机参数精确检测，当参数时变或不拟定期，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，都具备动态性能好、调速范畴宽长处，但动态性能受电机参数变化影响是其重要局限性之处。
本章小结：作为电动汽车驱动系统，应满足小型轻量化等规定，而异步电动机正具备这些长处，在近年来，矢量控制日益成熟，在电动汽车中得到了广泛应用。因而本章依照异步电动机在三相坐标系下数学模型和坐标变化理论，分析简介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是矩阵实验室（Matrix Laboratory）简称，是美国MathWorks公司出品商业数学软件，用于算法开发，数据可视化，数据分析以及数值计算高档技术计算语言和交互式环境，重要涉及MATLAB和Simulink两大某些。
4.1 基于电流模型磁链预计控制系统仿真
依照磁链预计办法和模型参照自适应转速预计办法，运用MATLAB/Simulink环境建立了基于电流模型磁链预计无速度传感器矢量控制系统，仿真电路图如下所示：

图4-1 基于电流模型磁链预计无速度传感器矢量控制系统
图4-1所示系统框图中重要包具有电压磁链预计子系统、电流磁链预计子系统、转速预计子系统以及电流滞环控制子系统等，详细简介如下。
（1）电流模型

图4-2 磁链电流模型
图4-2所示电流模型运用3s/2r变换将三相定子电流转化为两相似步旋转坐标系下电流和，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转速推算模块
图4-4转速预计子系统分别运用基于电流模型预计磁链和基于电压模型预计磁链求出偏差，再运用PI积分预计出转子速度。这里所得通过反馈到电压模型和电流模型用于计算单位矢量，从而形成一种完整回路。

图4-4 转速预计子系统
（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，将得到偏差作为滞环比较器输入，通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
此系统所包括子系统与基于电流模型无速度传感器矢量控制系统相似。由于系统中用于转速预计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 基于电压模型磁链预计无速度传感器矢量控制系统
4.3 仿真成果分析
建立了上述仿真系统电路构造后，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，并对调节器参数等系统仿真参数进行设定，对仿真成果进行分析，以拟定该控制系统性能。
（1） 基于电流模型磁链预计仿真

图4-6 定参数时实际转速和预计转速

图4-7 变参数时实际转速和预计转速

图4-8 定参数时实际转矩和预计转矩

图4-9 变参数时实际转矩和预计转矩
图4-10 定参数时三相定子电流

图4-11 定参数时定子磁链
从以上仿真成果可知，在定参数时基于电流模型磁链预计无速度传感器矢量控制系统能较好完毕加载、变速等基本控制功能。和矢量控制理论相一致，可以达到电动汽车驱动系统规定。
（2） 基于电压模型磁链预计仿真
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。仿真成果如下：

图4-12 实际转速 图4-13 预计转速

图4-14 实际转矩 图4-15 预计转矩

图4-16 三相定子电流 图4-17 定子磁链轨迹
由图示仿真成果可以看出，基于电压模型磁链预计矢量控制系统也能较好完毕加载、变速等基本控制功能。因而，电压型在电动汽车低速控制中有很大局限性。
本章小结：本章通过对异步电动机基于电压模型磁链预计矢量控制系统进行仿真，并对成果在电动汽车抱负行驶过程中进行分析，由仿真成果图可以看出，采用异步电动机矢量控制系统电动汽车满足基本实际需求，具备动态性能好、调速范畴宽长处，但同步存在局限性之处，易受电机参数影响，但其仍具备较好发展空间。

第5章 结束语

异步电机由于具备构造接单、运营可靠、维护以便等特点在当代电动汽车中广泛被运用，随着电动汽车不断发展和电力电子器件、微解决器等更新，交流电机矢量控制技术也会越来越成熟。本文重要做了如下工作：
简要简介了电动汽车背景和发呈现状；
1.分析对比了几种惯用电动汽车驱动系统，阐明选取异步电机因素；
2.通过对异步电机矢量控制原理分析，选取了适合电动汽车性能规定
异步电机矢量控制系统进行设计；
3.最后运用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。
由于自己知识水平和时间有限，对该课题并未进一步学习研究，因而在文中难免存在不当地方，但愿各位教师予以校正。
电动汽车是各个领域结合综合产物，随着其不断发展，驱动控制系统也将愈来愈以便、效率，因而，自己以为后期可以做如下工作：
（1）在矢量控制中，克服电机参数常对系统导致影响；
（2）由于基于电压模型和电流模型转子磁链观测均有一定使用范畴，可以研究一种适应能力强，使用范畴广磁链观测办法。将最大效率控制与迅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，改进系统运营稳定性和鲁棒性；
（3）运用近年来为电动汽车异步电机矢量控制而浮现专用DSP，设计系统硬件和软件某些，达到提高控制系统动态性能目。
致 谢

一方面向我毕业设计指引教师表达最诚挚谢意，教师在电气传动和电动汽车等领域拥有丰富学识，同步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，教师培养了咱们分析问题，解决问题能力，同步在论文设计和撰写中予以了咱们极大协助。另一方面，感谢在毕业设计中予以我协助朋友，同窗，谢谢你们在生活，学习中给我协助。最后，感谢天下无数父母，正式她们无私付出，才使得咱们完毕学业。
真诚感谢大学生活里所有教师，同窗，朋友和自己父母！
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