（电力电子与电力传动专业论文）带能量回馈的电动车驱动系统研究.pdf

a b s t r a c t t e c h n i q u eo ft h ee l e c t r i c a lv e h i c l e ( e c o m p r i s e sm a n ys u b j e c t ss u c h a s a u t o m o b i l et e c h n i q u e ，e l e c t r i c i t yt e c h n i q u e ，e l e c t r o n i c st e c h n i q u e ，t h ei n f o r m a t i o n t e c h n i q u ea n dt h ec h e m i s t r yt e c h n i q u ee t c i nf a c t ，i ti sc r u c i a lt ot h es u c c e s so f t h e e l e c t r i c a lv e h i c l et oc o m b i n ea l lo ft h et e c h n i q u ei na n yf i e l d t h e r ea r et w o i m p o r t a n tp a r t sw h i c hi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ee l e c t r i c a lv e h i c l e ，t h ed r i v i n g s y s t e ma n dt h ee n e r g ym a n a g e m e n t t h ed r i v i n gs y s t e ms h o u l dh a v et h ep r o p e r t yo f 1 1 i g ht o r q u ew i t hl o ws p e e da n dl o wt o r q u ew i t hh i g hs p e e da tt h es t a r t b r o a dr e i g no f t h es p e e dw h i c hc a nc o v e rt h er e i g no fc o n s t a n tt o r q u ea n dc o n s t a n tp o w e r ，f a s t r e s p o n d e n tc h a r a c t e r i s t i co ft h et o r q u e ，h i g he f f i c i e n c yf o rt h er e g e n e r a t i v eb r a k i n g ， a n dt h ea b i l i t yw o r k sd e p e n d a b l yu n d e rd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n a i m i n ga tt h ep r o p e r t yo ft h ed r i v i n gs y s t e ma n dr e q u e s to ft h er e g e n e r a t i v e b r a k i n g ，t h ef o l l o w i n g c o n t r o l s t r a t e g i e s a r e a d o p t e d ，a n dt h e c o n c l u s i o ni s d e m o n s t r a t e d f i r s t ，as e r i a lo fc o n t r o l l i n gs t r a t e g i e sa r ep u tf o r w a r di n c l u d i n gt h ec o n t r o lo ft h e a r m a t u r ev o l t a g e ，f o r e c a s t i n gc o n t r o lo ft h ea r m a t u r ec u r r e n ta n df o r w a r df e e d b a c k c o n t r o lo ft h ee x c i t a t i o n t h ep r o p e r t yo fh i g ht o r q u ew i t hl o ws p e e da n dl o wt o r q u e w i t hh i g hs p e e da r ep r o v e d s e c o n d ，t h r e ed i f f e r e n tc o n t r o l l i n gs t r a t e g i e sf o rt h er e g e n e r a t i v eb r a k i n ga r e s t a t e d ，t h em e r i ta n ds h o r t c o m i n gi sc o m p a r e d ，a n dt h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t p r o v e dt h ee f f e c t t h i r d ，c o m p a r i n go nt h ec l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r ya n dt h ef o r e c a s t i n gc o n t r o l t h e o r y , t h er e s u l tp r o v e st h a tt h el a t t e ri ss u i t e df o rt h eg o l f c a rf r o mt h ep e r s p e c t i v eo f s a f e t y , p r e c i s i o n , a n dt h ep a r a m e t e ra d j u s t a b i l i t y t h ea b o v ec o n c l u s i o nc e r t i f i c a t e s t h a tt h ec o n t r o lo ft h ea r m a t u r ev o l t a g e ，f o r e c a s t i n gc o n t r o lo ft h ea r m a t u r ec u r r e n t a n df o r w a r df e e d b a c kc o n t r o lo ft h ee x c i t a t i o nn o to n l ys a t i s f i e st h ep r o p e r t yo f c o n s t a n tt o r q u ea n dc o n s t a n tp o w e r , b u ta l s om o r es t a b l ec o n t r a s t st oc o n t r o ls t r a t e g y t h ec 】a s s i c a 】p i k e yw o r d s ：d r i v i n gs y s t e m ，f o r e c a s t i n gc o n t r o lo ft h ea r m a t u r ec u r r e n t ， f o r w a r df e e d b a c kc o n t r o lo ft h ee x c i t a t i o n , r e g e n e r a t i v eb r a k i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他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。 学位论文作者签名：穗_ 压冯 签字日期：沏参年6 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞蠢堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：秀了参罗勾 导师签名： 签字日期：加薛占月 ，日 签字日期：渺占年已 月，f 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 电动汽车是指全部或部分用电能驱动电动机作为动力系统的汽车。电动汽车 包含纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车。电动汽车的特点有： 无尾气排放，具有良好的环境保护效果；噪声低，仅为传统汽车噪音的2 5 ；热效 率高，比传统燃油汽车高出近5 0 以上；排放的废热少，可有效减轻城市“热岛 效应”；可回收利用的能量多；可以改善能源结构，解决汽车的能源替代问题； 结构简单，使用维护方便等。目前世界汽车保有量约为8 亿辆，并以每年3 0 0 0 万 辆的速度递增。预计到2 0 1 0 年全球汽车保有量将达到1 0 亿辆u j 。交通能源消耗 已经成为局部环境污染和全球温室气体排放的主要来源之一【2 】。电动汽车的发展 可有效解决交通能源消耗和环境污染问题，因此电动汽车被视为抢占2 1 世纪汽 车主导地位的主要车型已是不争的事实【3 】。 电动汽车以电能为能源，通过电动机将电能转化为机械能【4 】，在运行中接近 “零排放”，发展电动汽车为解决城市环境污染提供了一条新的途径。使用电动汽 车，可以使城市干道的噪音由通常的7 5 8 0 d b 降到6 5 d b 左右，达到国家噪音控制标 准；发展电动汽车更重要的意义则在于节省燃油，对保证国家未来的能源安全与 经济安全具有重要的战略意义。同时发展电动汽车将对调整我国产业结构、提高 重点领域的创新能力和市场竞争能力，促进经济社会协调发展产生深远影响。将 会带动一系列产业发展。例如利用深夜过剩的“谷电”，提高现有电力资源的使 用效率，平衡负荷，提高电力行业的经济效益；带动动力电池及相关关键材料行 业发展；促进一系列新技术的研究、开发、产业化等产生巨大的波及效益。电动 汽车从车体到材料，从动力系统到控制系统，从动力供给到计算机应用，均将现 代新技术成果聚集于一身，成为我国实现技术跨越的重点领域之一【5 】。 1 2 国内外电动汽车发展现状 世界主要汽车生产国及企业都在加大电动车辆的研制与开发力度，电动汽 车正迅速从研制试验阶段走向商品生产及应用阶段。 欧美国家面对原油价格的猛涨使新能源的开发利用日渐升温，大力发展电 第一章绪论 动汽车尤其是纯电动汽车已成为各国关注的焦点。目前，很多国家尤其是欧美、 日本等国都将电动汽车的研发列入政府计划。如美国政府与三大汽车公司( 克莱 斯勒、福特和通用) 合作实施的新一代汽车合作计划( p n g v ) 和大燃料电池汽车 ( f r e e d o m c a r ) 协作计划，推动美国汽车技术革命、开发新一代汽车。欧盟也制 定了电动汽车及其与能源相关的发展计划：如框架( f p ) 系列计划，欧盟燃料电池 研究发展示范计划，欧盟燃料电池巴士示范计划和欧洲电动汽车城市运输系统 计划等【6 】。日本人口密集，国土狭小，汽车保有量居全球第二位，石油几乎全部依 赖进口，因此日本十分重视电动汽车的研发，特别在开发混合动力汽车方面处于 全球领先地位。日本电动汽车的研发计划有：低公害车开发普及行动计划，日本燃 料电池展计划( j h f c ) 示范工程和专项研究计划等。 目前，日本的丰田和本田两家汽车公司已批量生产销售混合动力汽车。丰田 的p r i u s 混合动力轿车已于2 0 0 0 年开始出口北美、欧洲等2 0 多个国家，该车 综合节油率达4 0 5 。全球混合动力车的销量已达11 5 万辆，丰田汽车公司已占 有全球混合动力汽车市场9 0 的份额。丰田汽车公司还相继推出了e s t i m a 混合 动力汽车和搭载软混合动力系统的c r o w n 轿车，在普及混合动力系统的低燃 耗、低排放和改善行驶性方面走在了世界前列，并在美国市场占了主导地位。本 田汽车公司开发的混合动力汽车也投放市场，供不应求。日产汽车公司也已经于 2 0 0 6 年向美国市场销售混合动力汽车。日本还设定了在2 0 1 0 年之前在国内普及 5 万辆燃料电池汽车的目标川。 法国是最积极研制和推广电动汽车的国家之一。法国政府、法国电力公司、 标致一雪铁龙汽车公司和雷诺汽车公司共同承担开发和推广电动汽车的协议，共 同合资组建了电动汽车的电池公司。法国标致一雪铁龙汽车公司研发的电动货车 和4 座电动轿车已投入生产，雷诺汽车公司的电动轿车投放在罗切里市试验。 1 9 9 7 年，法国电动汽车产量达到2 0 0 0 辆左右。2 0 0 2 年法国政府、电力公司与汽 车公司签订协议，在2 0 个城市推广电动汽车，使全国电动汽车保有辆达到1 0 万 台。 德国政府投入大量资金用于电动汽车研发，指定奔驰汽车公司和大众汽车 公司合资成立科技开发机构，并拨款在吕根岛建立电动汽车试验基地，对6 4 辆电 动汽车及其系统工程进行长达4 年的大规模试验埔】。 此外，英国生产和使用电动汽车已有5 0 年之久，目前全国已拥有4 0 万辆电动 车。瑞士为防止环境污染，在旅游区只用电动汽车。瑞典的v o l v o 公司，意大 利的菲亚特公司等都不惜投入巨额资金 9 】，研发新一代电动汽车，力争早日实现 产业化。丹麦、奥地利、捷克、匈牙利等也都在开展电动汽车的研发工作。 2 0 世纪7 0 年代的石油危机和日益严重的环境污染使电动汽车重新获得了生 2 第一章绪论 机，世界上许多国家都开始投入大量资金开发电动汽车。我国虽然在传统汽车领 域落后于发达国家近二、三十年，失去了追赶的机会，但在电动汽车领域，与国 外的技术水平和产业化程度差距相对较小，有机会在该领域获得重要席位。我国 电动汽车的研发已具备一定的基础，一些企业在2 0 世纪9 0 年代中期就推出了电 动汽车样车。全国汽车标准化技术委员会于1 9 9 8 年新组建了电动汽车车辆标准 化分技术委员会。我国在燃料电池汽车、混合动力电动汽车、纯电动汽车等多个 领域的自主研发中不断取得突破，在电动汽车领域初步构建起自主知识产权技 术体系，有望为中国汽车工业开拓新的增长点。2 0 0 8 年北京奥运会实施“绿色战 略”，北京市政府也承诺将为奥运会提供1 0 0 0 辆中国制造的电动汽车，以满足世 界上最严格的排放标准【l0 1 。据有关专家预测，2 0 0 8 年，仅北京市场的电动汽车需 求量就将达到2 0 万4 0 万辆，市场前景十分可观。 电动汽车的前景取决于电池技术的突破。近年来，镍氢、锂离子电池相对被 看好，国外汽车公司投入大量资金进行研究，铅酸、镍镉等传统电池的改进工作也 在进行。通过“十五”期间的长足发展，几个纯电动汽车的研发团队都已经发展 成为我国新能源汽车研发领域的重要力量。我国的成功实践再一次证明了纯电动 汽车研发对新能源汽车技术创新的基础支撑作用，并且进一步展示了纯电动汽车 广阔的技术生命力。 “八五”期间，电动汽车正式列入国家攻关项目；“九五期间列入国家 重大科技产业工程项目；“十五”期间列入“8 6 3 计划”1 2 个重大专项之一。 这一科技专项经4 年研发，己完成发达国家近8 年的技术进步，而投入总量却不 到国外同期投入的5 取得了重大的成就。我国电动汽车整车水平已经进入国际 先进行列：燃料电池汽车研发取得国际前列的主要成果；混合动力客车实现载 客运行，具备小批量生产能力；纯电动客车已通过国家有关认证试验，开始批量 生产，进入道路运营并开始出口。同时，车用燃料电池发动机取得重大突破，成为 世界上少数几个掌握车用燃料电池发动机研发、制造以及测试核心技术的国家之 一；大功率车用动力蓄电池性能显著提高，形成产业基础；驱动电机技术性能先 进，整车集成化程度逐步加强；车辆电控技术异军突起，电动化汽车底盘发展迅速， 带动了传统汽车的技术进步。 “8 6 3 计划”电动汽车重大专项的实施有利于抢占新一代电动汽车关键技术 的制高点，提升我国汽车工业的国际竞争力，造就和培养一批电动汽车专业人 才，建立一支具有自主开发汽车产品能力的队伍，为振兴中国汽车工业构筑人 才高地，有利于探索适合我国能源多元化特点的交通能源动力系统特型方案，减 轻我国对石油能源的依赖程度，维护我国能源安全。通过电动汽车商业化示范运 行，为大中城市洁净交通开创道路，改善大气环境、造福于人民。 第一章绪论 1 3 电动汽车的种类 按照目前技术的发展方向或者车辆驱动原理，可以划分纯电动汽车、混合动 力汽车和燃料电池汽车三种类型。 ( 1 ) 纯电动汽车 纯电动汽车是完全由二次电池( 如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子 电池) 提供动力的汽车。纯电动汽车被认为是电动汽车发挥作用的技术基础和未 来。现在纯电池技术发展已经相当成熟，国外发达国家和我国都进行了小批量生 产。然而，纯电动汽车的缺点也较为突出，如：能量低、质量大、充电时间长、 成本高、折旧快，还容易对环境造成二次污染等。因而，纯电动汽车在应用方面 受到一定的限制。但是，纯电动汽车完全消除了车辆在运行中的废气排放，完全 使用二次能源一电能使其更符合能源持续利用战略，因而随着技术水平的进步， 纯电动汽车具有较为广阔的发展前景。 ( 2 ) 混合动力汽车 混合动力汽车是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种新 型汽车。其车载动力源有多种：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机车的发 电机组等。目前，混合动力汽车一般是指在一辆汽车中同时采用了电动机和内燃 机，再加上蓄电池的电动汽车。它采用内燃机和电动机两种动力，将现有内燃机 与一定容量的储能器件，如高性能电池或超级电容器，通过先进控制系统相结合， 提供车辆行驶所需要的动力。与纯电动汽车相比，混合动力汽车的主要优点在于： 采用复合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的输出功率，使内燃机以油耗 低、污染少的最优工况进行工作。当车辆需要大功率，而内燃机输出功率不足时， 由车载电池来进行补充；当车辆负荷减少时，富余的功率可发电给电池充电。由 于内燃机可持续工作，电池又可以不断得到充电，故其行驶和普通汽车一样。因 为有了车载电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、减速时的剩余能量，提 高能量的利用效率。在繁华市区，可关停内燃机，由电池单独驱动，实现“零 排放。有了内燃机可以十分方便地解决耗能大的空调、取暖、除霜等纯电动汽车 遇到的难题。可以利用现有的加油站加油，不必再投资新建基础设施。可让电池 保持在良好的工作状态，不发生过充、过放，延长其使用寿命，降低成本。因为 其具有投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目标、市场接受度高 的特点，从而引起各大汽车公司的关注。 但是，混合动力汽车没有从根本上摆脱交通运输对石油资源的耗用问题，同 时，在以内燃机为主提供动力时，无法有效降低车辆的环境影响。因此，从技术 角度分析，混合动力汽车是电动汽车发展过程中一段时期内的一种过渡性技术。 4 第一章绪论 ( 3 ) 燃料电池电动汽车 燃料电池汽车即以燃料电池作为动力系统的汽车。燃料电池是一种能与燃油 发动机相比的电池，可以使用包括再生燃料在内的所有含氢元素的燃料。燃料电 池车的工作原理是：作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧发生 化学反应，从而产生电能启动电动机，进而驱动汽车行驶。由于大量的纯氢难以 贮存在汽车上，而且加氢站也没有那么多，因此，汽车制造商们正试图使用汽油 或甲醇，同时在汽车上安装燃料重整装置，以便从这些物质里提取氢。但这将会 产生极少的二氧化碳和氮氧化物，总的来说，这类化学反应除了电能，就只产生 水，因此，燃料电池车被称为“真正的环保车 。从调整能源结构角度，燃料电 池汽车被认为是汽车技术发展的最终解决方案。燃料电池作为电动汽车的动力来 源，其特点主要表现在：能量转化效率高。燃料电池的能量转换效率可达6 0 8 0 ，为内燃机的2 3 倍。不污染环境。燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清 洁的水，它本身工作不产生c o 和c 0 2 ，也没有硫和微粒排出，没有高温反应，也 不生产n o 。如果使用车载的甲醇重整催化器供给氢气，仅会产生微量的c o 和较 少的c 0 2 。寿命长。燃料电池本身工作没有噪声，没有运动性，没有振动，其电 极仅作为化学反应的场所和导电的通道，本身不参与化学反应，没有损耗，寿命 长。现阶段，燃料电池的许多关键技术还处于研发试验阶段，此外，燃料电池的 理想燃料一氢，在制备、供应、储运等方面距离实现产业化，还有着大量的技术 与经济问题有待解决。 1 4 电动汽车的关键技术 电动汽车的关键技术包括汽车技术、电气技术、电子技术、通讯技术、和化 学技术等。尽管电源技术至关重要，但电力驱动1 1 ，能量管理系统和系统的优 化也同样重要，事实上，如果没有很好的能量管理和系统优化，电动汽车难以达 到成功。 电力驱动子系统的主要任务是把电能转换为机械能，使汽车能克服阻力运 行。另外现代电机的高转矩、低转速和恒功率、高转速的工作范围可以通过电子 控制来获得【l2 1 ，使得电动汽车的驱动系统设计更加灵活多样u3 l 。对电机驱动系 统的要求如下：恒功率输出和高功率密度；在汽车起步和爬坡时具有低速一高转 矩的输出特性；具有较大的转速范围足以覆盖恒转矩和恒功率区；快速的转矩响 应特征；在转矩转速特性的较宽范围内具有高的效率；再生制动时的能量回收 效率高；坚固，能在不同的工作条件下可靠地工作；成本低。 目前推广电动汽车的主要障碍是一个充电的续驶里程和初始价格，而电动汽 第一章绪论 车的能源系统是引起这些问题的主要原因。在目前以及不久的将来，能源系统是 电动起车实现市场化的关键4 1 。对能源系统的要求如下：高的比能量和能量密 度；高的比功率和功率密度；快速充电和深放电的能力；寿命长；自放电率下， 充电效率高；安全性好且成本低廉；免维修；对环境无危害，可回收性好。 由于电动汽车的车载能量有限，其续驶里程远远达不到燃油车的水平，能量 管理系统( 动力总成控制系统) 的目的就是要最大限度地利用有限地车载能量，增 加续驶里程。能量管理系统采集从各个子系统输入的信息【1 5 1 ，来实现以下基本 功能：优化系统的能量分配；预测电动汽车电源的剩余能量和还能继续行驶的里 程数；提供最佳的驾驶模式和驱动力矩；再生制动时，合理地调整再生能量；诊 断系统地故障，并能做故障处理。 电动汽车的再生制动是指：电动汽车的驱动电机以发电机的模式运行，消耗 电动车的动能，提供制动力矩使汽车制动，同时发出的电能被回收到蓄能元件中。 电动汽车再生制动性能直接受限于两方面的因素：( 1 ) 电机本身的性能包括机械 效率、电机效率、额定发电功率等。( 2 ) 电动汽车的蓄能装置( 包括蓄电池、超级 电容等) 的性能和运行状态。 而电机允许发出的电功率除了受限于电机自身性能外，还受限于车载储能装 置的最大允许充电电流及充电功率。即发电功率不能大于储能装置允许充电功率 及线路损耗之和，发电电流不得大于储能装置最大允许充电电流。否则，有可能 损坏储能元件，或因传输线路发热量过大，导致线路烧坏或者系统过热，从而引 发其它一些问题。 鉴于上述情况，要实现最多的能量回收是非常复杂的系统，需要多个部件的 协调运作，包括电机、储能元件，液压制动系统，驾驶状况，汽车运行条件等。 各个国家在电动汽车再生制动方面作了大量的研究，首先从回馈能量的吸收及储 能元件上分为纯化学电池，超级电容，飞轮电池；从制动力的分配上可以分为机 械结构的调压方式【l6 i ，如比例阀；电控阀门的调节方式，用电磁阀调节液压力 的建立；纯粹的软件控制电机的制动力【l7 1 。 1 5 本文所作的工作 本文以应用于高尔夫球车( 电动四轮车) 的电动汽车为主要研究对象，控制电 机为直流他励电动机。这种类型的电动车所用电机输出功率低，额定转速低，主 要在休闲娱乐场所应用。本文得主要工作如下： 1 在仿真软件m a t l a b s i m u l i n k 环境下，建立整个电动车驱动系统和能量回 馈控制策略的仿真模型，对整车的控制策略和性能作仿真研究。 6 第一章绪论 2 分析了应用于高尔夫球车的电枢电压控制、电枢电流预测控制、励磁电流 前馈控制、励磁温度补偿控制、回馈制动控制、以及加速踏板给定等的工作原理 和工作特性。 3 对带电枢电流预测控制的电枢电压控制( 恒磁通) 策略与带电枢电流预测控 制和励磁电流前馈控制的电枢电压控制策略进行了理论分析和仿真比较，从电动 汽车要求的转速一转矩关系、转速功率关系等角度证明带电枢电流预测控制和励 磁电流前馈控制的电枢电压控制策略的优越性。 4 研究经典p i 控制方法与带电枢电流预测控制和励磁电流前馈控制的电枢 电压控制策略在电动汽车( 高尔夫球车) 中的应用比较，证明了带电枢电流预测控 制和励磁电流前馈控制的电枢电压控制策略有如下优点：控制简便，容易实现， 实用性强；安全性好；舒适度好；针对系统某些参数不确定性( 转动惯量的改变) ， 有较好的适应性。 5 分析了三种能量回馈控制策略，对各种能量回馈控制策略进行了仿真比较 优缺点。并通过仿真数据波形与实验数据波形进行比较，验证了方案的正确性。 第二章他励直流电动机控制理论基础 第二章他励直流电动机控制理论基础 2 1 直流电动机的基本工作原理 设备中常用的电动机主要分两类：一类是驱动电机，一类是控制电机。驱动 电机是设备的主要动力源，包括各种类型的交、直流电动机。交流异步电动机较 其它类型的电动机结构简单，价格便宜，运行可靠，维护方便，某些设备或者辅 助用电动机在不要求调速时可采用该类型电动机：如果要求调节转速，则可选用 直流电动机、整流子式电动机或电磁调速异步电动机( 滑差电动机) 。控制电机又 称特种电动机，常见的有步进电动机、伺服电动机、测速发电机等，这些电机不 是作为动力来使用的，它的主要任务是转换和传递控制信号，能量的传递是次要 的。 直流电动机是将直流电能转换为机械能的旋转机械。它与交流电动机( 如三 相异步电动机) 相比，虽然因结构比较复杂、生产成本较高、故障较多等不利因 素，目前已不如交流电动机应用普遍，但由于它具有优良的调速性能和较大的起 动转矩，仍然得到广泛应用引。下面就直流电动机的工作原理、直流电动机的 分类做一简单介绍。 图2 1 是直流电动机工作原理的示意图。若在a b 之间外加一个直流电压， a 接电源正极，b 接负极，则线圈中有电流流过。当线圈处于图2 1 所示位置时， 有效边a b 在n 极下，c d 在s 极上，两边中的电流方向为a 专b ，c d 。由安培定 律可知，a b 边和c d 边所受的电磁力为：f = b i l ，式中，为导线中的电流，单位 为安。根据左手定则知，两个力的方向相反，形成电磁转矩，驱使线圈逆时针方 向旋转。当线圈转过1 8 0 。时，c d 边处于n 极下，a b 边处于s 极上。由于换向器的作 用，使两有效边中电流的方向与原来相反，变为d c ，b 专a ，这就使得两极 面下的有效边中电流的方向保持不变，因而其受力方向，电磁转矩方向都不变 引。由此可见，正是由于直流电动机采用了换向器结构，使电枢线圈中受到的 电磁转矩保持不变，在这个电磁转矩作用下使电枢按逆时针方向旋转。这时电动 机可作为原动机带动生产机械旋转，即由电动机向机械负载输出机械功率1 。 第二章他励直流电动机控制理论基础 图2 一l 直流电动机工作原理 直流电动机的一些基本方程式总结如下： 当存在磁场而且电枢绕组中有电流时，电枢电流和磁场相互作用而产生电磁 力矩t 2 1 1 ，电磁力矩方向和电枢转动方向一致。 t = k r 9 乞 ( 2 一1 ) 其中群是转矩常数( 对于已制成的电动机是固定的) ，缈为励磁磁通量，厶为 通过电枢绕组的电流。电磁转矩的方向与转速一致，其大小只决定于伊和乞，而 与转速无关。 当转子( 电枢) 转动起来之后，电枢绕组必然会切割磁感线，导线中必然会产 生一个电动势e 。 e = k e p 刀 ( 2 2 ) 其中k f 为电势常数( 对于已制成的电动机是固定的) ，”为转速。感应电动势 的方向与电枢电流方向相反，所以要向电枢中输入电流，必须要有u e 。 电枢电压平衡公式如式2 3 所示： u = e + 乞兄 ( 2 3 ) 其中u 为电枢绕组端电压，l 为电枢绕组端电流，兄为电枢回路电阻。 根据式2 1 ，式2 2 ，式2 3 可得：电动机转速 刀：三：u - i ：o ：旦一旦( 2 4 ) 刀= 一= 一= 一一 i z - 斗l k e 9k e 9k e 咖k e k t 扩 、 2 2 他励直流电动机的调速和回馈制动 他励直流电动机与交流异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维修也不 方便，但是在调速性能上有其独特的优点，直流电动机能无级调速，机械传动机 构比较简单瞄】。因此，对调速要求高的设备，均采用直流电动机。 由直流电动机的转速公式( 2 4 ) 可知，r ，缈和u 中的任意一个值，都可使 转速改变【2 3 1 。改变电枢电路中外电阻的方法也可以进行调速。但其缺点是耗电 多，调速范围小，且只能进行有级调速，故这种方法口前已较少采用。常用的对 直流电动机调速的方法有调磁法和调压法j 。 9 第二章他励直流电动机控制理论基础 ( 1 ) 调磁法 即改变磁通量缈。当保持电源电压u 为额定值时，调节尺，改变励磁电流， 以改变磁通量，如图2 2 所示。由公式( 2 - 4 ) 可知，在一定负载下，9 愈小，则玎愈 高。由于电动机在额定状态运行时，它的磁路己接近饱和，所以通常都是减小磁 通，将转速往上调。调速的过程是：当电压u 保持恒定时，减小磁通9 。由于机 械惯性，转速不立即发生变化，于是反电动势就减小，l 随之增加。由于l 增 加的影响超过伊减小的影响，所以转矩也就增加。如果阻转矩乃未变，则t 转速n 上升。随着，z 的升高，反电动势e 增大，l 和丁也随着减小，直到t = 互时 为止。但这时转速己比原来升高了。 这种调速方法的局限是转速只能升高，即调速后的转速要超过额定转速。因 为电机不允许超速太多，因此限制了它的调速范围。在实际上作中，这种方法常 作为电压调速的一种补充手段。 图2 2 改变电动机磁通调速 ( 2 ) 调压法 即改变电压u 。当保持他励电动机的励磁电流，为额定值时，降低电枢电 压u ，则由公式( 2 4 ) 可见，在一定负载下，u 愈低，则，z 愈低。由于改变电枢电 压只能向小于电动机额定电压的方向改变，所以转速将下调。 由于调速时磁通不变，如在一定的额定电流下调速i z 5 ，则电动机的输出转 矩便是一定的( 恒转矩调速) 。这种调速方法的缺点是调压需用专门的设备，投资 较高。近年来由于采用了单片机和d s p 的p w m 信号对电动机进行调压和调速， 使这种方法得到了广泛应用1 2 6 。 回馈制动又称为再生制动，如果电动机在电动状态的运行中，由于某种因素 使电动机的转速高于理想空载转速时，此时感应电动势e u ，所以电枢电流 ，r fpr r l = = 红= 一兰匕，与原来的方向相反，因为磁通量缈未变，所以电磁转矩 k k 随着乞方向的变向而变向，而对电动机起制动作用，这时，工作机械带动电动机 发电，把机械能变成电能，向电源馈送。在降低电动机电枢电压方法来降低速度 的过程中，便会出现回馈制动状态 2 7 1 。同样，电动机在弱磁状态用增加磁通中 的方法来减速时，也能获得过渡的回馈制动状态，来实现迅速减速的目的。 1 0 第二章他励直流电动机控制理论基础 2 3 他励直流电动机的控制 近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化2 8 1 。随着计算 机进入控制领域，以及新型的电力电子功率源器件的不断出现，使采用全控型的 开关功率器件进行脉宽调制矧( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，简称p w m ) 控制方式已 成为绝对主流。 2 3 1 直流电动机的半桥p w m 调压调速系统 由上述公式( 2 4 ) 可知，直流电动机的转速控制方法可以分为两类：调节励磁 磁通的励磁控制方法和调节电枢电压的电枢控制方法。图2 3 是利用开关管对直 流电动机进行p w m 调速控制的原理图和电动机两端电压波形图，其中q 】和q 2 管 采用互补信号控制。在图2 3 中，当开关管m o s f e tq ，的栅极输入高电平时， 开关管q 2 导通，直流电动机电枢绕组两端有电压玑。t 。秒后，q 2 栅极输入变为 低电平，开关管q 2 截止，电动机电枢两端电压为0 ，此时电枢电流经m o s f e tq l 管内的续流二极管续流，从而使电流连续。再经t ：秒后，q 2 栅极输入重新变为 高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电 动机电枢绕组两端的电压波形如图2 4 所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均 值为： 眈；攀竽：争u ：口u ( 2 5 ) f l 十f 2 式中：口一占空比，口= 昌。占空比口表示了在一个周期丁里，开关管导通的 二f 时间与周期丁的比值。口的变化范围为0 口1 。由公式( 2 5 ) 可知，当电源电压 u 。不变的情况下，电枢的端电压的平均值取决于占空比口的大小，改变口值 就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是p w m 调速原理。 在p w m 调速时，占空比m 1 口的值是一个重要的参数。以下3 种方法都可以改 变占空比的值。 ( 1 ) 定宽调频法 这种方法是保持t 不变，只改变乞，这样使周期r 也随之改变。 ( 2 ) 调宽定频法 这种方法是保持厶不变，只改变t ，这样使周期丁也随之改变。 ( 3 ) 定频调宽法 这种方法是保持周期r ，而同时改变t 和岛。 前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期，当控制脉冲的频率与系统 的固有频率接近时，将会引起振荡【3 n ，因此这两种方法用得很少。目前，在直 第二章他励直流电动机控制理论基础 流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。 图2 - 3 半桥p w m 调速控制原理图 1 - t l t ， _ ( a ) 驱动脉冲波形 ( b ) 电动机两端电压波形 图2 - 4 互补的两路p w m 驱动脉冲u g l 和u 9 2 波形及电动机两端电压波形 2 3 2 直流电动机h 型桥式可逆p w m 系统 可逆p w m 变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式可逆( 亦称h 型) 电路 3 2 1 ，如图2 5 所示。这时电动机m 两端电压u 。的极性随开关器件驱动电压 极性的变化而改变。 双极性控制可逆p w l v l 变换器的四个驱动电压的波形如图2 - 6 ( a ) 所示，他们的 关系是，= u 。= - v , 2 = 一q 3 ，在一个开关周期内，当0 f t l 时，u _ 曰= 虬，电 枢电流沿回路1 流通；当t 。t t 时，驱动电压反向，0 沿回路2 续流， 占= u s 。 因此u 。r 在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名称的由来。 图2 - 6 ( b ) 也绘出了双极式控制时输出的电压和电流波形。相当于一般负载的情 况，脉动电流始终为正；，相当于轻载的情况，电流可以在正负之间脉动，其 平均值仍为正，等于负载电流。在不同的情况下，器件的导通、电流的方向与回 路都和有制动电流通路的不可逆f w m 变换器 3 】相似。电动机的正反转则体现在驱 下 动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，t 。 ，则u b 的平均值为正， z 个 电动机正转，反之则反转；如果正负脉冲相等，t l = ，平均输出电压为0 ，则 z 电动机停止。图2 - 6 ( a ) 和2 - 6 ( b ) 所示波形都是电动机正转时的情况。 双极式控制可逆p w m 变换器的输出平均电压为 ， 丁一f ， u d = 告u 一 u s = ( 等一1 ) u ( 2 - 6 ) 1 2 第二章他励直流电动机控制理论基础 令p ：t _ l 为p w m 的占空比，定义y = 为p w m 电压系数，则双极式控制 ， u ， 的可逆变换器中y = 2 p 一1 。 调速时，p 的可调范围为0 l ，相应的7 = - 1 + 1 。当p 时，7 为正， 二 11 电动机正转；当p 妄时，厂为负，电动机反转；当p = 寺时，7 = 0 ，电动机停 止。但电动机停止时电枢电压并不等于0 ，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压， 因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为0 ，不产生平均转矩，徒然增大 电动机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍有高 频微震电流2 0 1 ，从而消除了正反向时的静摩擦死区，起着所谓动力润滑的作用。 图2 - 5 桥式可逆p w m 变换器 i u 4 k n k d 形 及形及 一 丁 t i u 3 t i f 1 r 了 夕夕。 1 y夕r 1 3 、妇弋 4 ( a ) 驱动电压波形 ( b ) 电机两端输出电压和电流波形 图2 - 6 双极式控制桥式可逆p w m 变换器驱动电压、输出电压和电流 第三章电动车控制策略研究 第三章电动车控制策略研究 3 1 带电枢电流预测控制和励磁电流前馈控制的电枢电压控制策略 3 1 1 电枢电压控制 从第二章的直流电动机的调速方法得知，对于直流电动机的调速可以有调压 法和调磁法。其中调压法通过连续调节输出的直流电压，实现电动机平稳的无极 调速。电枢电压控制方法即采用直流电动机的半桥p w m 调压调速原理，通过连续 调节输出电压进而实现对转速的有效控制。 由式( 2 5 ) 可知，如果输入直流电压为u 。，则输出到电动机的电压为 = 口以，其中口为p w m 的占空比。又由电机运行方程式：u = k e 缈+ 厶兄， 故有下式： a u , = k e ( o n + l 兄 ( 3 - 1 ) 式3 1 中占空比口的给定是通过硬件上采集加速踏板的电压信号经d s p 的a d 转 换后，由内部的标定程序计算出对应输出的p w m 占空比。 图3 - 1 加速踏板的硬件原理图 在图3 一l 中，p o th i g hs a m p l i n g 端口采集加速器输入的最大电压值，p o tw i p e r i i l 端口采集当前加速器的电压值，这两个端口都直接于d s p 的a d 转换口相连， 1 4 第三章电动车控制策略研究 用于计算当前加速器对应得输出p w m 占空比。 从加速踏板采集的0 5v 的信号是经过软件标定程序的转换得到相对踏板位 置的百分比( 加速器百分比) 。 加速器百分比是根据当前加速器的值计算出的，其活动范围为设定的加速器 空档范围( 下死区) 到加速器最大阈值( 上死区) ，考虑到加速器两端线形度比较差， 本文中将加速器的下死区电压定为1 v ，上死区电压定为4 v 。上述两个参数允许 用户由手抄器自行设置。加速器百分比具体计算方法如下： ( 1 ) 如果当前加速器的值小于加速器下死区，则加速器百分比为0 。 ( 2 ) 如果当前加速器的值大于加速器下死区，小于加速器上死区，则 加速器百分比= 盖差篓垩曩鼍罢糯，。 c 3 - 2 ， ( 3 ) 如果当前加速器的值大于加速器上死区，则百分比为1 0 0 。 d s p 输出的p w m 是通过软件上加速器特性图来实现的。加速器特性图也就 是定义了车辆对加速器的响应，改变加速率特性( 用占空比来表示，范围为 2 0 8 0 ) 可以改变控制器输出对于加速器输入的响应。其值为5 0 时，施加 加速器的值输出响应呈线性关系。低于5 0 的设定值，在较小的加速器施加区域， 相对于5 0 的加速器特性减少控制器输出，这样就增强了慢速控制。高于5 0 的 值，在较小的加速器施加区域增加控制器输出，这样就产生了高速、灵敏的感觉。 控 制 器 输 毽 墨 鼍 盘 分 比 嬲愿器瓶动范围内分笼 图3 - 2 加速器特性曲线图 为了能够满足不同用户要求和加速器的特性，根据加速器的调节来获取不同 比例的p w m 输出值，也就是根据相同的加速器输入在不同的加速器最大值参数 控制下获得不同速度的电机控制。可以根据加速器百分比、加速器特性图、最大 速度和最小速度来计算p w m 百分比，改变上述任意一项参数就可以改变相对于 加速器输入的控制器输出和加速器的响应。控制器输出是由速度参数定义的一个 范围百分比( 最大速度和最小速度设置之间的范围) ，一旦加速器超过标称空档范 第三章电动车控制策略研究 围( 下死区) ，控制器输出将开始增加到最小速度设定值之上。当加速器输入增加， 控制器输出持续变大；当加速器进入上死区( 穿过加速器最大阈值) ，控制器输出 将达到最大值，最大值是由最大速度参数来决定。增加最小速度值会增加施加的 加速器，并且会将曲线图向上移动。本代步车中最小速度设置为0 ，最大速度 设定值为1 0 0 ，分别对应速度为o r r a i n 和2 8 0 0 r m i n 。加速器特性图为5 0 ， 这样施加在半程加速器时产生5 0 的p w m 输出；减少最高速度设定将会限制加 速度特性图的最大值。将最高速度减少为9 0 ，最小速度仍为0 ，p w m 输出 缩减为9 0 。对各条曲线的计算方法如下： ( 1 ) 当加速器百分比= o 时： p w m 的百分比= 最小速度对应的p w m 百分比 ( 3 3 ) ( 2 ) 当加速器百分比s5 0 时： p w m 的百分比：最小速度对应的p w m 百分比+ 塑堕婺木加速器百分比 a u ( 3 4 ) ( 3 ) 当5 0 加速器百分比1 0 0 时， p w m 的百分比= 最小速度对应的p w m 百分l v , + j j n 速率特性】+