（检测技术与自动化装置专业论文）电动汽车驱动控制系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着石油资源的日益减少和人们环保意识的提高，电动汽车( e v ) 的发展越 来越受到人们的重视，我国也将其列入了重点发展之列。在电池技术未能取得根 本突破的情况下，续驶里程的不足已成为制约电动汽车发展的主要瓶颈。目前， 混合动力电动汽车已成为电动汽车行业发展的主流。电机驱动控制系统是电动汽 车三大关键技术之一，解决这一关键技术具有重要的意义。 本文首先结合电动汽车的实际情况，研究和设计了基于单片机的控制器硬件 系统，针对各部分的具体要求提供了相应的解决方案。为实现电动汽车驱动控制 系统要求快速敏捷、实时性高等特点，设计中选用了i n t e l 公司的8 0 c 1 9 6 k c1 6 位单片机作为控制系统的核心芯片。在考虑电磁干扰的基础上，采用了数字软件 滤波和光电隔离等抗干扰措施。 其次，在对原有强电回路进行分解分析的基础上，采用性能更为优良的绝缘 栅双极晶体管( i g b t ) 作为主要功率器件设计了强电主回路。i g b t 的传统驱动 保护电路存在缺陷，本文在参考有关文献的基础上，提出了更为实用的改进用法。 实验表明，在使用新方法后，i g b t 的工作更为安全可靠。 最后，根据当前的电机运行状态与控制输入，进行了系统的软件设计，在采 用p i d 控制算法后，实现了对驱动电机的安全可靠控制。在系统设计完成后，进 行了电动汽车的起动、换挡、加速等模拟测试，并对实验结果进行了分析和总结。 关键词电动汽车；驱动控制；i g b t ；单片机 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e c r e a s i n go fo i lr e s o u r c ea n dt h ei n c r e a s i n go fp e o p l e sc o n s c i o u s n e s s o fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to fe vh a sb e e nr e g a r d e dm o r ea n dm o r e i m p o r t a n tb yp e o p l ea n dw a sc l a s s e di n t ot h ei m p o r t a n ti t e m sb yo u rc o u n t r y t h e d e f i c i e n c yo ft h ee n d u r a n c em i l e a g eh a sb e c o m et h em a i no b s t a c l ew h i c hr e s t r i c t st h e d e v e l o p m e n to fe vb e c a u s et h eb a t t e r yt e c h n o l o g y h a sn o tg e tr u d i m e n t a r y b r e a k t h r o u g h n o w ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) h a sb e c o m et h em a i n s t r e a mo fe v t r a d e sd e v e l o p m e n t 一d r i v i n gc o n t r o ls y s e mo fe vi so n eo ft h r e ek e yt e c h n o l o g yo f e v ，a n di ti si m p o r t a n tt os o l v et h ek e yt e c h n o l o g y a tf i r s t ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e sa n dd e s i g n st h eh a r d w a r ec i r c u i to fd r i v i n gc o n t r o l s y s t e mb a s e do ns i n g l e c h i pa c c o r d i n g t ot h e s p e c i a l n e e d sa n dp r o v i d e st h e s o l u t i o n i no r d e rt or e a l i z et h ef l e e t n e s sa n dh i g hr e a l t i m ep e r f o r m a n c er e q u i r e db y d r i v i n gs y s t e mo f e v , 1 6b y t e - s i n g l e c h i p8 0 c 1 9 6 k ci ss e l e c t e da st h ek e yc h i p o nt h e b a s eo fc o n s i d e r a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e ，d i g i t a lf i l t e ra n dp h o t o e l e c t r i c i s o l a t i o ni sa d o p t e d s e c o n d l y , o nt h eb a s eo fa n a l y s et oo r i g i n a lh i g hv o l t a g ec i r c u i t ，t h en e wh i g h v o l t a g ec i r c u i ti sd e s i g n e da n di g b ti sr e g a r d e da st h em a i nc o m p p o n e n ，t h en e w a l t e r a t i v eu s a g ei sa d v a n c e do nt h eb a s eo f r e l a t i v el i t e r a t u r eb e c a u s eo f t h ed e f i c i e n c y o fi o b t t r a d i t i o n a ld r i v i n gc i r c u i t t h ep e r f o r m a n c eo fi g b tb e c o m e sm o r er e l i a b l e a f t e ru s i n gt h en e wm e t h o d f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h er u n n i n gs t a t eo fm o t o ra n dc o n t r o li n p u t ，t h es o f t w a r e o fs y s t e mi sd e s i g n e d t h ed r i v em o t o rh a sb e e nc o n t r o l l e ds a f e l ya n dr e l i a b l ya f t e r t h ep i dc o n t r o la l g o r i t h mw a sa d o p t e d a f t e rt h ed e s i g nc o m p l e t e d ，t h es i m u l a t i o n t e s ti ns t a r t u p ，c h a n g i n gs h e l v e s ，s p e e d u po fe va r ec a r r i e do u ta n dt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d k e y w o r d se v ；d r i v e rc o n t r o l ；i g b t ；s i n g l e c h i p 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：量差：叠 日期 关于论文使用授权的说明 ”i 、t - ) 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：壑麦堡 导师签名：日期：鲤：查! 三 第1 章绪论 1 1 电动汽车的发展背景 第1 章绪论 1 1 1 能源危机 自从2 0 世纪初燃油汽车在与其他各种车辆的竞争中获胜之后，汽车工业和 交通业一直以内燃机动力为主。内燃机动力奠定了汽车工业、高速公路、石油工 业的现代化基础，改变了能源结构，大大地推进了现代工业文明，给人类社会带 来了空前的繁荣。目前，世界上各种汽车的保有量超过6 亿辆，每年新生产的各 种汽车约3 5 0 0 万辆，按平均每辆汽车年消耗l o 至1 5 桶石油与石油制品计算， 汽车的石油消耗量每年达到6 0 至7 0 亿桶，约占世界石油产量的一半以上，石油 资源的开采每年达到几十亿吨。美国每天消耗的石油有2 3 用于交通运输，其中 一半用于轿车、轻型货车和厢式货车上。根据1 9 7 6 年伦敦国际会议估计，当时 已探明的剩余的可开采储量不足1 0 0 0 亿吨。1 9 9 1 年探明的储量为1 3 5 0 亿吨，1 9 9 4 年全球已探明的石油总储量为1 4 2 8 亿吨。虽然不断有新的石油资源被发现，但 是毕竟地球的石油资源是有限的。经过长时期大规模的开采，石油资源日渐枯竭， 按科学家预测，地球上的石油资源如果按目前的消耗水平，仅仅可以维持6 0 至 t o o 年左右。能源危机曾经对世界经济的发展带来严重的影响为了争夺石油资 源，在国际上已发生众多石油资源纠纷，甚至爆发争夺石油资源的战争。2 l 世纪， 人类将面临更为严峻的石油资源短缺的挑战“1 。 随着经济和社会的发展以及人民生活水平的提高，我国的汽车保有量将会持 续上升，然而我国是一个石油资源相对匮乏的国家，1 9 9 2 年已探明的石油资源的 工业储量为4 3 亿吨，以1 9 9 1 年年开采量1 4 亿吨计算，只能开采3 0 年。实际 上，1 9 9 4 年我国己经成为石油进口国，当年进口石油2 0 0 0 万吨左右。2 0 0 0 年我 国进口石油7 0 0 0 万吨，预计2 0 0 5 年后将超过1 亿吨，相当于科威特一年的总产 量“3 。这使得我国更需要找到有效的能源解决方案，调整我国的汽车产业结构已 经势在必行。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 1 2 环境保护的现实需要 燃油汽车在消耗大量石油资源的同时，还严重污染着人类生活的自然环境。 汽车燃油所产生的有害排放物随着汽车的流动，散布在其所经过的所有地方，特 别是散播在城市近地面上空2 0 一3 0 米的空间中，这些地方正是人们主要的生活区 域，但又没有办法对这些散发的废气迸行收集和处理。因此，只有在每一辆汽车 上配备套废气处理系统，来减轻汽车排放对大气的污染。随着汽车保有量的增 加，汽车发动机的排气对大气造成的“直接污染”越来越严重，也是人们最关心 的焦点，各国都制定了严厉的法规来限制汽车排放对大气环境的污染。尽管开发 了多种多样的代用燃料，来降低对大气环境的污染，也只能有限地减少一些对大 气的污染，成为所谓“低污染”汽车，但由于汽车的保有量很大，每天所产生的 废气对大气的污染仍然是十分严重的。 我国环境监测数据表明，汽车尾气排放是城市大气污染的主要来源之一。北 京市机动车尾气排放对大气污染物中c o 、h c 、n o x 的分担率分别为6 3 4 ，7 3 5 和4 6 ，非采暖期这一分担率更高，分别为8 0 3 ，7 9 1 和5 4 8 。上海市更为 严重，分别为8 6 、9 6 和5 6 ；广州、天津、重庆等许多大中型城市也有类似情 况。目前世界上空气污染最严重的1 0 个城市中有7 个在中国。按照国家环保中 心预测，2 0 1 0 年汽车尾气排放量将占空气污染源的6 4 。显然，进一步使用传 统内燃机技术发展汽车工业将会给我国的环境保护造成巨大的压力。 1 1 3 电动汽车的k 匕较优势 电动车是以电力作为能源、由电动机驱动的机动车辆。在外形上，电动车与 传统的汽车并无显著区别，它们的主要区别在于动力和驱动系统。电动汽车与常 规燃油汽车相比具有以下优点： ( 1 ) 可使用多种能源。电动车使用二次电力能源，因而不受石油资源的限制， 可利用水能、太阳能、潮汐能、氢能、核能等可再生清洁能源高效地转化 为电能，从而极大地缓解了我国石油资源短缺的压力。 ( 2 ) 能源利用效率高。普通的内燃机效率约为3 8 ，但汽车在行驶过程中有 频繁的停车、低速行驶、等待信号灯等环节，其最终效率不过1 2 ，而电 动汽车无机器空转损失，电池的8 0 以上的能量可由电动机转为汽车的动 一2 一 第1 苹绪论 力，考虑到原油的发电效率、送配电效率、充放电效率等，其最终仍可得 到1 9 左右的能量效率。 ( 3 ) 电动汽车利用夜间大量富余电力充电，有利于电网均衡负荷，减少了能 源浪费，提高了电力系统的整体效益。 ( 4 ) 电动汽车是典型的零污染或低污染汽车，有效地改善了环境，若能大量 使用，则可极大缓解我国环境保护的压力。 ( 5 ) 噪音低。汽车的噪音、振动大小决定于发动机本身和行驶条件。常规燃 油汽车和电动车比较，虽然因汽车行驶而引起的噪音、振动无显著差别， 但对于原动机引起的部分，电动车占有绝对的优势，这有利于减小日益严 重的环境噪声污染，提高人们的生活质量。 由于以上无可比拟的优势，虽然电动汽车在完全市场化的道路上还有很多困 难，但随着电池等高新技术的日益发展，其最终必将完全取代燃油汽车，成为2 i 世纪的主要交通工具。 1 2 电动汽车的发展现状 1 2 ，1 国外电动汽车发展概况 美、曰、德、法这几个世界有名的汽车工业发达国家，到目前为止都已经研 制出家庭的实用电动车，其中包括大客车、电动轻型客车、电动轿车和电动摩托 车。下面分别予以介绍： 1 9 9 1 年美国3 大汽车公司签定协议，合作研究电动汽车用先进电池，成立先 进电池联合体，同年7 月美国电力研究院参加了美国先进电池联合体。1 9 9 2 年美 国电力研究院、克莱斯勒公司与南加州爱迪生公司共同开发5 0 辆电动货车。统 计数据表明，美国1 9 9 5 年有1 9 0 家电动汽车生产企业，共有电动汽车2 0 0 0 多辆。 福特汽车公司投资1 5 亿英磅开发电动汽车，1 9 9 3 年研制成功，分赴美国各地进 行试运行采用4 8 0 个钠硫单位电池，取代原来的铅酸蓄电池。福特公司还在德 国投资3 5 0 0 万美元，成立了欧洲研究中心，从事环保车的开发和研究，福特公 司研制的燃料电池轿车p 2 0 0 0 是以氢为燃料的电动汽车，它是用“质子交换膜” 燃料电池。通用汽车公司1 9 9 0 年在洛衫矾展出“冲击”牌电动轿车，1 9 9 4 年生 北京工业大学工学硕士学位论文 产5 0 辆。通用公司欧洲分公司还建立了一个全球代用燃料推进中，t ) ( g a p c ) ，从 事汽车燃料电池技术的开发和研究，他们在o p e l v a u x h a l l z a f i r a 轿车上装上燃料 电池，采用甲醇作为燃料。戴姆勒克莱斯勒汽车公司成功利用燃料电池技术， 制成首辆可驾驶的零污染环保汽车一“n e c a r 4 ”。该车在充足电后可连续行驶 4 5 0 k m ，最高时速可达1 4 5 k m 。 日本政府一直很重视电动汽车的发展，很早就对电动汽车的发展做出了具体 的布置和计划。1 9 9 1 年通产省制定了“第3 届电动汽车普及计划”，用于推动电 动汽车的普及与应用。东京电力公司1 9 8 8 年联合日本电池公司共同开发“i z a ” 电动汽车，体现了当时最新技术水平：空载量1 5 7 3 k g ，装有2 8 8 v 镍镉电池，4 台直流无刷电机，输出功率为l o o k w ，最高车速1 7 6 k m h ，每次充电后可以4 0 k r n h 行驶5 4 8 k m 。日产公司研制成功薄而轻的镍镉电池，用一组超薄电极配以高浓度 溶液，散热性能好、质量轻、充电时间短，6 m i n 可充至4 0 的额定容量，1 5 m i n 完全充满。该电池已在日产公司的未来型电动车( f e v ) 上使用，该车一次充电后， 能以7 2 k m h 的速度行驶1 6 0 k r n 。1 9 7 6 - - 1 9 9 1 年日本大发公司生产各种电动车辆 6 2 5 3 辆，成为拥有电动面包车生产线的惟一厂家，1 9 9 3 年已生产和销售1 3 0 0 辆 电动面包车。丰田公司的p r i u s 是世界上第一辆大批量生产的混合动力汽车，从 1 9 9 7 年上市，至今已经销售了1 0 万辆，占混合动力车总销量的9 0 ，代表了这 一领域的最高水平。 德国欧宝公司1 9 7 2 年开始研制电动汽车，1 9 8 1 年与a b b 公司合作改装电 动轿车。2 0 世纪8 0 年代初期奔驰生产电动大客车。奔驰公司1 9 9 7 年9 月，在法 兰克福汽车展览会上推出一款燃料电池电动汽车，该车在奔驰a 级轿车基础上改 装而成，装有燃料转换装置，可使用甲醇为燃料。 法国很早就在城市环卫部门使用电动汽车，目前巴黎已经有数百辆电动汽车 在运行，全国有数干辆电动汽车在试运行，并计划在5 年内再有一批电动汽车投 放市场。法国的电动汽车基本上采用铅酸电池，而s a f t 公司正在努力使镍铬电 池商品化。法国环境能源厅对电池的研究开发与电动汽车的试验给予了资助，地 方政府对购买电动汽车的用户提供一定数量的保证金，以鼓励电动汽车的推广。 法国的标致一雪铁龙与雷诺两大汽车公司研制的j 一5 和c 一2 5 电动货车于1 9 9 0 年 投入生产，标致1 0 6 和雪铁龙a x 电动车于1 9 9 5 年投入生产。 4 一 第1 章绪论 另外，除汽车工业发达国家外，其他国家也非常重视电动汽车的开发，并取 得了相应成效，加拿大、奥地利、瑞典、韩国等国都投入巨资研制新一代电动汽 车，以期解决能源和城市环境状况。 1 2 2 我国电动汽车的研究现状 面对世界各国开发电动汽车迅速发展的步伐，8 0 年代初我国对电动汽车就开 展了研究。“八五”期间政府把电动汽车技术研究列入“八五”科技攻关重点项 目。1 9 8 9 年初试制成功以日产“阳光”牌小轿车为基础的四座电动车，车速只有 30km h 。1 9 9 1 年试制成功“叶丰”牌五座混合驱动型电动轿车，该车使用1 1 9 kw 汽油机和铅酸电池驱动1 2kw 直流电动机，最高车速8 2km h ，一次充电 续驶里程为2 0 2km 。1 9 9 3 年7 月，首次使用镍镉、镍氢电池的电动汽车，最高 车速达1 0 0km h ，一次充电续驶里程为2 0 0km ，汽车性能有了较大进步。1 9 9 5 年上海国际汽车工业展览会上，首次集中展出了我国研制的最新水平电动汽车。 “九五”期间，国家科委也将电动汽车列入科技攻关重大项目。1 9 9 6 年在北 京国际电动汽车展览会上，展出了我国研制的yw 6 1 2 0 dd 大型电动客车。采用 三相感应电动机，电动机额定功率为1 5 0kw ，最大功率为1 7 2kw ，最高转速 可达到1 3 0 0 0r min ，最高车速为9 0km h ，续驶里程达到1 5 0km 。1 9 9 9 年国际电动汽车研讨会f evs ) 年会在北京召开，同年科技部、国家环保总局、 国家计委、国家经贸委、国家机械工业局、公安部和交通部等1 3 个部门联合发 起“空气狰化工程清洁汽车行动”计划。2 0 0 1 年4 月北京还成功举办了第三 届北京国际电动汽车暨清洁燃料汽车和汽车环保研讨会，2 0 0 2 年7 月，北京公交 线上两辆混合动力电动汽车开始运营。 “十五”期间，科技部在国家8 6 3 计划中特别设立电动汽车重大专项，将投 入2 4 亿元人民币，动员全国有关专业的技术力量协助攻关。明确提出将研究重 点放在电动汽车整车配置设计与通用控制平台、电动汽车多能源动力总成、电动 汽车新型电机与驱动系统、电动汽车动力电池及其智能管理系统、电动转向控制 及其控制系统、电动汽车电驱制动器及控制系统的研制上。2 0 0 1 年l o 月，国家 投入8 8 亿元的电动汽车专项基金正式启动，内容分5 部分：燃料电池汽车技术、 混合动力电动汽车技术、纯电动汽车技术、电动汽车共性技术研究，以及推动电 动汽车发展的运行机制、相关政策、技术标准与法规的研究。目前，我国已经成 功研制出部分电动汽车样车，如以清华大学为主研制的1 6 座电动中巴车，以及 北京工业大学工学硕士学位论文 以北京理工大学为主研制的大客车。另外，湖北东风汽车厂牵头组织的电动汽车 开发应用组，东风汽车公司、武汉工业大学、中国船舶工业总公司7 1 2 研究所等 单位联合开发的电动轿车，以盘式永磁直流电机为动力，应用i g b t 为调速控制 系统和免维护铅酸电池为能源，一次充电续驶里程为1 3 0 k i n ，最高车速9 0 k r n h ； 而郑州华联电动车辆研究所研制的电动轿车，采用交流同步电机，额定功率 1 0 k w ，过载能力4 倍；华南理工大学研制的电动轻型客车e v 6 6 3 0 ，现已经在深 圳投入试运行。北方工业大学、武汉长江电力公司、天津汽车研究所等也研制出 了自己的电动汽车样车口j 。 1 3 电动汽车行业的前景展望 普通电动汽车虽然具有低噪声、零排放、综合应用能源等突出优点，但其综 合性能仍达不至实用的要求，如价格高、一次充电续驶里程短、充电时间较长、 电池能量有限和循环寿命短，受这些因素制约，目前难以达到实用化阶段。混合 动力电动汽车有效弥补了纯电动汽车的上述不足，成为一种目前比较理想的过渡 车型。 尽管电动汽车在完全市场化的道路上还面临着这样那样的困难，但随着能源 危机和环境污染的全球性两大突出问题日益严重，研究和发展电动汽车将成为不 可逆转的历史潮流。我们相信，随着各种高新技术的不断发展，电动汽车技术必 将取得突破性的进展，电动汽车将在2l 世纪迎来自己产业化的春天。 值得指出的是我国汽车工业较发达国家落后，但电动汽车技术与其他国家 比较就不明显，可以说是处于同起跑线上，有些技术还有优势，比如驱动电机 和控制技术方面。随着国家“十五”8 6 3 电动汽车重大科技专项的正式启动，全 国将掀起研究和开发电动汽车的热潮，产业化步伐将明显加快，我国汽车工业开 始面临由传统汽车向电动汽车转型的关键时期。只要我们下定决心，抓住历史的 机遇，对我国汽车工业的发展战略和技术路线进行重大调整，并给予相应支持， 就有可能在世界汽车工业新一轮的竞争中占领制高点，提高我国汽车工业的竞争 力，实现我国汽车工业的跨越式发展。 一6 一 第1 章绪论 1 4 课题研究的内容与意义 混合辅助动力电动汽车课题组由北京工业大学电子信息与控制工程学院、环 境与能源工程学院、机械工程与应用电子技术学院等组成学科梯队，与北京世纪 千网电池公司、北京客车总厂等企业联合组成。课题得到了北京市的大力支持， 是北京市教委“电动汽车技术研究与开发”及“c a n o p e n 现场总线与电动汽车综 合监控系统”科研基金项目。 驱动电机及其控制技术是电动汽车三大关键技术之一。目前国内进行的电动 汽车研究主要是针对电动小轿车及电动大客车，对于中等容量的电动小客车研究 的不多。本课题针对小客车的特点，在原有i 型纯电动汽车的基础上提出混合辅 助动力电动汽车的技术路线，并对控制与功率驱动单元进行重新设计，争取在 2 0 0 6 年提出产业化方案，在为2 0 0 8 年北京的“绿色奥运”做出自己的贡献的同时， 也加速电动汽车产业化的步伐。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章电动汽车驱动控制系统的主流技术 2 1 电动汽车的基本结构 电动汽车由电动机驱动，其动力源来源于蓄电池。电动汽车的一次充电续驶 里程与蓄电池容量有关，而蓄电池容量受诸多因素的制约，是有限的。如果希望 提高电动汽车的一次充电续驶里程，就要尽可能地节约蓄电池的能量。从这个角 度出发，要求电动汽车的基本结构适合以下几点： ( 1 ) 保证行驶安全性，采用低重心和免维护一体型蓄电池，并将其放在车身 中后部的底板下。 ( 2 ) 为了减轻车架重量，提高刚度，将大断面主车架设计成纵直车架。 ( 3 ) 为了车厢内部具有最大限度的乘员空间，最小限度的紧缩机械空间而采 取将乘员空间与驱动系统动力源等完全分开的处置，将电动机、高压电气 系统集中配置在车身前部，利用这些技术，既实现了各个部件的高效率利 用的配置，又突出了电动汽车本身特性的要求。 在满足以上结构特点的基础上，电动汽车的主要部分可以划分为电力驱动、 主能源和辅助控制等三个子系统。其中，电力驱动子系统又由电控系统、电机、 机械传动系统和驱动车轮等部分组成；主能源子系统由主电源和能量管理系统构 成，能量管理系统是实现能源利用监控、能量再生、协调控制等功能的关键部件； 而辅助控制子系统主要是为电动汽车提供控制电源，具有辅助电源控制、动力转 向、充电控制、空气调节等功能。 一8 一 第2 章电动汽车驱动控制系统的主流技术 图2 - 1 电动汽车基本结构 f i g u r e2 - 1 t h eb a s i cs t r u c t u r eo f e v 2 2 电动汽车对驱动控制系统的基本要求 电动汽车通过电机控制器驱动电机，电机将电能转换为机械能来驱动汽车。 电动汽车对驱动控制系统的基本要求如下： ( 1 ) 足够大的起动转矩以满足电动汽车快速启动、加速、爬坡、频繁启停的 要求，通常电机的过载系数应达3 4 。 ( 2 ) 电机的调速范围大，一般在2 5 1 0 0 最大转速范围内，近似有小转矩、恒 功率的输出特性，满足电动汽车最高车速和公路巡航行驶工况的要求。 ( 3 ) 比功率大，以最大功率计时，般应达( 1 1 2 5 ) k w k g 。 ( 4 ) 具有良好的效率特性，在较宽的转速转矩范围内，获得最优的效率，提高一次 充电后的持续行驶里程，一般要求在典型的驾驶循环区，获得8 5 9 3 的 效率。 ( 5 ) 再生制动时的能量回收率高。 ( 6 )快速的转矩响应特性，在各种车速范围内能快速而柔和地控制驱动和制动 转矩：在多电机系统中，要求电机可控性高、稳态精度和动态特性好。 ( 7 ) 具有良好的环境适应性，在不同的工作条件下能可靠地工作。 ( 8 ) 单位功率系统成本低，目前电气驱动系统的成本约为$ l o k w , 其目标要达到 $ 4 k w 。 ( 9 ) 维护简单，工作噪声低。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 3 驱动电机及其控制方法 2 3 1 普通直流电机的脉宽调制 2 0 世纪9 0 年代前开发的电动汽车通常采用直流电机驱动系统。直流驱动系 统有成本低、易于平滑调速、控制器简单、控制相对成熟等优点。但由于直流电 机在运行过程中需要电刷和机械换向器换向，效率和转速均低于交流感应电机。 直流电机可以用作电动机，也可以用作发电机。当电动汽车在起动、加速和恒速 运行时，电机处于电动状态，实现电能到机械能的变换，驱动车辆前进。当电动 汽车减速或制动时，要求直流电机处在发电制动状态，即处于再生制动状态，给 蓄电池充电，实现机械能到电能的转换。 电动汽车直流电机驱动系统中的直流电机通常采用串励电机和他励电机。当 电动汽车制动和减速时，一般采用再生制动。再生制动是利用直流电机可以从电 动机运行状态平滑地转换到发电机运行状态这一特性。此时，电机转矩方向与转 速方向相反，电机吸收机械能，把机械能转化为电能储存起来，可节省能量。直 流电机的控制器采用的是斩波控制器( 又称电压斩波器) ，它是直流电源和负载 电机之间的一个周期性通断的开关控制装置，它的作用是通过改变供给直流电机 的电压，来控制电机的转速和转矩。 在调节电枢电压的直流调速系统中，为了获得可调的直流电压，也可利用电 力电子元件的可控性能，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成极性 可变大小可调的直流电压，用于实现直流电动机电枢端电压的平滑调节，构成直 流脉宽调速系统。其主电路采用脉宽调制式变换器，简称p 咖变换器。 脉宽调制器内一般使用全控电力晶体管作为可控电子元件。当其接通时，直 流电流给电动机供电；当其断开时，电流被切断，电机的储能经二极管续流，电 枢两端电压接近为零。如果其按照某固定频率开闭而改变周期内的接通时间时， 控制脉冲宽度相应改变，从而改变了电动机两端平均电压，达到调速的目的“1 。 一般的八位或十六位单片机就可满足控制要求。 2 3 2 交流电机极其控制系统 2 0 世纪9 0 年代后，交流电机驱动系统的研制和开发有了新的突破。相比直 一1 0 一 第2 苹电动汽车驱动控制系统的主流技术 流电机，交流电机体积小、质量轻、效率高、调速范围宽、可靠性高、价格便宜、 维修简单方便，在电动汽车上得到了广泛应用。感应交流电机在电动汽车上应用 时，完成车辆的起动、加速和恒速运行，当电动汽车减速或制动时，电机处在发 电制动状态，给电池充电，实现机械能到电能的转换。感应交流电机在电动汽车 上应用时，完成车辆的起动、加速和恒速运行，当电动汽车减速或制动时，电机 处在发电制动状态，给电池充电，实现机械能到电能的转换。在电动汽车上，由 功率半导体器件构成的p w m 功率逆变器把蓄电池电源提供的直流电变换为频率 和幅值都可以调节的交流电。1 。三相感应电机逆变器的控制方法主要有v f 控制 法、转差频率控制法、矢量控制法和直接转矩控制法。其中，后两种控制方式目 前处于主流的地位。这两种控制方法的原理如下所述： 1 矢量控制法 矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定予电流矢量，根据 磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制 异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的 电流分量( 励磁电流) 和产生转矩的电流分量( 转矩电流) 分别加以控制，并同时控 制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量 控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器 矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。 基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行u f = 恒定控制的基础上， 通过检测异步电动机的实际速度n ，并得到对应的控制频率f ，然后根据希望得 到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对通用变频器的输出频 率f 进行控制的。基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是，可以消除动 态过程中转矩电流的波动，从而提高了通用变频器的动态性能。早期的矢量控制 通用变频器基本上都是采用基于转差频率控制的矢量控制方式”“。 无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。它的基 本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照转矩计算公式分别对作为基本 控制量的励磁电流( 或者磁通) 和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组 上的电压的频率使励磁电流( 或者磁通) 和转矩电流的指令值和检测值达到一致， 并输出转矩，从而实现矢量控制。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速 北京- 业人学工学硕士学位论文 范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控 制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要 准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器， 并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效 果。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨 识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之 前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的 有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制“”3 。除了上述的无传 感器矢量控制、转矩矢量控制和可提高异步电动机转矩控制性能的技术外，目前 的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等， 以提高异步电动机应用性能的技术。为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区 域获得较理想的平滑转速，应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调整 ( a vr ) 控制技术的控制方式，已实用化并取得良好的效果。 2 直接转矩控制法 直接转矩控制也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思想是以转 矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。和矢量控制不同，直接转矩控制不采用 解耦的方式，从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压 和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所 得差值，实现磁链和转矩的直接控制。 直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子 坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩。采 用离散的两点式调节器( b a n d b a n d 控制) ，把转矩测定值与转矩给定值做比较， 使转矩波动限制在一定的容差范围内。容差的大小由频率调节器来控制，并产生 pw m 脉宽调制信号，直接对逆交器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的 转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取 决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化， 即不需要模仿直流电动机的控制。由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算 和为解耦而简化异步电动机数学模型，没有通常的pw m 脉宽调制信号发生器， 所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且 一1 2 第2 章电动汽车驱动控制系统的主流技术 无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式“”“1 。 与矢量控制方式比较，直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，它采用离 散的电压空间矢量和六边形磁链空间矢量概念。只要知道定子电阻就可以把它观 测出来，因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影 响的问题。直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。与矢量控制方法不同， 它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量， 对转矩的直接控制或直接控制转矩，既直接又简化。 2 3 3 永磁电机驱动控制系统 永磁电机是一种高性能的电机。具有高的“功率质量”比，比其它类型的 电机有更高的效率和转矩，而且极限转速和制动性能优于其它类型的电机，更加 适合作为电动汽车的驱动电机。但是永磁材料受温度影响大，在大电流负载时可 导致材料磁性能下降，恒功率控制困难。电动汽车用永磁电机主要有永磁无刷直 流电机和永磁交流同步电机两大类。 1 永磁无刷直流电机控制技术 永磁无刷直流电机是在直流电机的转子上装置永久磁铁，不再用电刷和换向 器为转子输入励磁电流，工作时，直接将方波电流输入无刷直流电机的定子中， 控制其运转。永磁无刷直流电机起动转矩大、过载能力强、体积小、效率高、控 制方便，非常适合电动车的运行特性。 永磁无刷直流电机不采用机械式换向器和电刷，而是由固态逆变器和轴位置 检测器组成电子换向器。位置传感器用来检测转子在运动过程中的位置，并将位 置信号转换为电信号，保证各相绕组的正确换流。永磁无刷直流电机常采用电流 斩波控制，控制系统由桥式变换器、p w m 控制电路、电机转轴位置检测器和方 波永磁直流电机等几部分组成。 2 永磁同步电机控制技术 永磁同步电机是指正弦波永磁电机，转子上装有永久磁体，一方面可形成很 强的气隙磁场，另一方面转子部分没有热源，不需要冷却装置。此电机有较高的 能量密度，惯性低，响应快，适用于电动车辆驱动系统，有极好的应用前景。 永磁同步电机低速时常采用矢量控制，包括气隙磁场定向、转子磁链定向、定子 磁链定向”“，。其中电动车用中小容量电机常用转子磁链定向控制，高速时用弱 北京工业大学工学硕士学位论文 磁控制。 转子磁链定向的矢量控制是感应电机转子磁链定向控制的推广。根据控制目 标的不同，矢量控制又可以有零直轴电流控制、功率因数为1 的控制、恒磁链控 制、最大转矩电流比控制、最大输出功率控制等。 永磁同步电机转子为永磁体，无法调节，必须通过调节定子电流，增加定子 电流直轴去磁分量来削弱磁场，提高转速。采用弱磁控制调速可以使电机保持较 宽的恒功率范围，满足电动车负载要求。 2 3 4 开关磁阻电机驱动控制系统 开关磁阻电机( s r m ) 是英国于1 9 8 3 年首次正式推出的，经过十几年的研制 开发，现已成为现代电动汽车交流驱动的又一个新支，它是由磁阻电机和开关电 路控制器组成的机电一体化新型牵引电机。它具有可控相数多、实现四象限控制 方便、成本低、效率高等优点。开关磁阻电机转子上无绕组，适合用于频繁正反 转及冲击的负载。功率电路采用的功率开关元件较少，电路较简单。功率元件与 电机绕组串联，不易发生短路，因此成本较低，工作可靠，控制电路较简单，能 够实现宽调速、低速大转矩和制动能量反馈等特性。整个系统效率高，起动转矩 大，电流小o ”。 由于开关磁阻电机具有高度的非线性，因此它的驱动系统较复杂。它的控制 系统包括功率变换器、控制器和位置检测器等。 2 3 5 多态电机驱动控制系统 多态电机驱动系统中的多态电动机是我国哈尔滨工业大学主持开发和研制 的一种专用电动机。该电动机集混合式步进电动机与异步电动机结构特点于一身 通过专用驱动控制器，使电动机在低速时按混合式步进电动机方式驱动运行；高 速时则按异步电动机方式驱动运行，从而发挥步进电动机低速大转矩和异步电动 机高速高效率的作用，大大提高多态电机驱动系统的高低速综合效率和瞬时功率 密度，控制性能优异，在电动汽车领域有着极其潜在的应用前景。 一1 4 一 第2 章电动汽车驱动控制系统的主流技术 2 4 本课题中驱动电机与控制方法的选择 直流电机控制简单，通过脉宽调制( p w m ) 控制方式实现电机端电压的直 流斩波控制，实现电机的无极变速，调速性能优良，因而广泛应用于我国工业控 制领域中。随着近年来电力电子技术的迅速发展，尤其是i g b t 、i p m 等智能功 率模块的出现，给直流电机调速控制系统注入了新的生命力。本次课题设计建立 在原i 型电动汽车的基础上，从尽量利用现有资源，降低研究与开发成本的角度 出发，我们依然选择了直流他励电机作为本次系统设计的驱动电机，并相应选择 了p w m 的脉宽调制方法，实现对驱动电机的调速控制。 2 5 本章小结 本章的前半部分介绍了电动汽车的基本结构以及电动汽车对驱动控制系统 的基本要求。由于电动汽车车载能量有限，因而使得电动汽车的结构有别于一般 的燃油汽车，尽量减少汽车本身的重量以及各种阻力，以最大限度的提高电动汽 车的续驶里程。驱动控制单元是电动汽车区别于燃油汽车的关键部分，它的设计 性能的优劣直接关系到汽车的安全驾驶与舒适度。在后半部分，着重分析比较了 目前国内外各种驱动电机与控制方法的优缺点，为本次设计驱动电机与控制方法 的选择提供了依据。最后，在分析比较的基础上，重点结合本次设计的实验平台 与现有条件，确定了系统的驱动电机与控制方式。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章系统整体硬件设计 3 1 驱动控制系统整体结构 驱动控制系统的主要任务是采集与电机运行相关的控制输入信号，如档位信 号、危险限制信号、加速踏板、刹车等，以及部分运行参数，如电机的转速和温 度、功率器件的温度、回路的电压和电流信号等，通过采用合理的控制算法处理 这些信号，调节控制主回路接触器以及驱动单元中功率元件( i g b t ) 的通断来实 现对汽车运行方向、速度的调节、以及刹车制动过程中的能量回收控制。 本次系统设计的驱动电机为4 5 千瓦直流他励电动机，驱动电源为北京世纪 千网公司提供的水平铅布蓄电池组。每节蓄电池额定电压为1 2 伏，共有1 8 节电 池串联。电池组最高电压为2 3 0 伏，一般放电至1 8 0 伏后即应停止，否则有损害 电池的危险。强电回路的通断由五个接触器完成，其中两个( e 1 、e 4 ) 用于主回 路，分别接在电源的正负两极，两个( e 2 、e 3 ) 用于励磁电流的换向，一个( e 5 ) 用于电枢电流的通断。控制系统的微处理器采用8 0 c 1 9 6 k c 单片机，它的主频可 运行到2 0 m h z ，具有丰富的外部接口资源与较高的可靠性。鉴于逻辑处理( 强电 回路接触器控制) 的特殊重要性，本系统采用了可编程逻辑处理器件( x c 9 5 7 2 ) 与处理器管理相结合的工作模式以实现安全逻辑控制这样一方面消除了单片机 程序跑飞的潜在危险( 当然较少出现，但对安全威胁极大，不能允许) ，同时能 方便的实现逻辑的在系统更改。系统的整体结构框图与强电回路结构框图分别如 图3 一l 和图3 - 2 所示。 一1 6 第3 章系统整体硬件设计 图3 1 系统整体结构框图 f i g u r e3 - 1d i a g r a mo f w h o l es y s t e m 图3 - 2 强电回路结构框图 f i g u r e3 - 2d i a g r a mo fh i g hv o l t a g ec i r c u i t 1 7 北京工业大学工学硕士学位论文 3 2 控制单元硬件设计 3 2 1 嵌入式微处理器8 0 c 1 9 6 k c 控制系统的核心芯片采用i n t e l 公司的m c s 9 6 系列单片机8 0 c 1 9 6 k c t 2 6 彤】。 m c s 9