（车辆工程专业论文）基于直流无刷电机的电动汽车驱动系统起动过程研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：禾轧臣琵 y f 绰6 月f ，厂日 指导教师签名： ，年 砌 基于直流无刷电机的电动汽车驱动系统 s t u e 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着全球环保意识的增强和能源问题的突出，电动汽车已成为绿色节能环保 车辆的最主要发展方向，在2 1 世纪得到迅速发展。电机及其控制技术是电动汽车 的关键技术之一，是研究电动汽车首要解决的问题。 电机驱动系统是电动汽车的心脏，直接决定了电动汽车的性能。以直流无刷 电机( b r u s h l e s sd cm o t o r ) 为研究对象，在研究直流无刷电机结构原理和运行 特性的基础上，建立了直流无刷电机驱动系统的数学模型，分析了电动汽车驱动 系统起动过程的转矩脉动现象。为提高驱动系统的起动性能，采用速度环为外环， 电流环为内环的双闭环控制方案，对驱动系统的起动过程进行控制。 提出了一种新的控制策略，速度环采用p i d 控制算法，电流环采用电流滞 环控制算法，以满足电动汽车对驱动系统起动过程的要求。以直流无刷电机数学 模型为基础，建立了电动汽车用直流无刷电机驱动系统的仿真模型。利用 m a t l a b s i m u l i n k 对驱动系统进行了仿真研究，仿真结果表明该驱动系统具有良好 的控制性能。利用自主研发的某款电动汽车进行了实车转鼓试验，试验结果验证 了仿真模型的正确性。 以公司的电机控制专用d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为核心控制芯片， 设计开发了一套电动汽车驱动系统起动过程的试验平台。对控制系统硬件电路的 设计方案和各个功能模块的d s p 软件实现给出了详细的介绍。 以自行设计开发的直流无刷电机驱动系统试验平台为基础，对硬件和软件进 行了联合调试与试验。试验结果表明，设计的基于d s p 的直流无刷电机驱动系 统调试方便，波形稳定，运行可靠，具有良好的控制性能。 关键词：电动汽车，直流无刷电机，驱动系统，m a t l a b 仿真，d s p 2 4 0 7 基于直流无刷电机的电动汽车驱动系统起动过程研究 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee n h a n c e m e n to f g l o b a l e n v i r o n m e n t a lc o n s i d e r a t i o na n dt h e p r o m i n e n c eo fe n e r g yp r o b l e m ，e l e c t r i cv e h i c l e sh a v eb e c o m et h em o s ti m p o r t a n t t r e n df o rg r e e ne n e r g y - s a v i n gv e h i c l e s ，a n dh a v eb e e nd e v e l o p e dq u i c k l yi n2 1 s t c e n t u r y m o t o ra n di t sc o n t r o lt e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e s t h a tm u s tb es o l v e df i r s t l y m o t o rd r i v es y s t e mi st h eh e a r to ft h ee va n dd e t e r m i n e st h ep e r f o r m a n c eo ft h e e v d i r e c t l y t a k i n gt h eb l d c m a st h er e s e a r c hs u b j e c t ，a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f t h ec o n s t i t u t es t r u c t u r ea n dm o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i co fb l d c m d r i v es y s t e mo fe v ， t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es y s t e mb a s e do nb l d c mw a sb u i l ta n dt h et o r q u e r i p p l e so fb l d c m d r i v es y s t e mo fe vw a ss t u d i e dt h o r o u g h l y i no r d e rt oe n h a n c et h es t a r tp e r f o r m a n c eo fb l d c md r i v es y s t e mo fe v ，an e w c o n t r o ls t r a t e g yw a sp r o p o s e dw h e ns t a r t i n ga ne l e c t r i cv e h i c l e b a s e do nt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fb l d c m ，ad o u b l el o o pm o d e lo ft h eb l d c md r i v es y s t e m w a se s t a b l i s h e du s i n gm a t l a b s i m u l i n k ap i d c o n t r o l l e rw a su s e di nt h es p e e dl o o p ， a n dac u r r e n tc o n t r o l l e rb a s e do nh y s t e r e s i sc h a r a c t e r i s t i cw a si m p l e m e n t e di nt h e c u r r e n tl o o p t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s o b t a i n e di nt h ed r u mt e s t u s i n ga ne l e c t r i cv e h i c l ew h i c hw a sd e v e l o p e db yt h e r e s e a r c hi n s t i t u t e i tw a sf o u n dt h a tt h em o d e lw a sr i g h ta n dt h ed r i v es y s t e mh a d g o o dp e r f o m a n c e u s i n gt h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ao ft ic o m p a n y ，w h i c hi ss p e c i f i cf o rm o t o rc o n t r o l a sc o r e c o n t r o lo fs y s t e mt h ed s p ，ab l d c m d r i v es y s t e mo fe ve x p e r i m e n tp l a t f o r m i sd e v e l o p e d a tt h es a m et i m et h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r e d e s i g n e di nt h i sp a p e r t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e d t h a t ，t h eb l d c md r i v es y s t e mo fe ve x p e r i m e n t p l a t f o r md e s i g n e di nt h i sp a p e rh a v eg o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n dc a l lb ed e b u g g e d c o n v e n i e n t l ya n dh a v er e l i a b l em o v e m e n ta n ds t a b l ew a v e f o r m k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，b l d c m ，d r i v es y s t e m ，m a t l a b ，d s p 2 4 0 7 i i i 基于直流无刷电机的电动汽车驱动系统起动过程研究 i v 1 1 课题研究背景及意义1 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究意义2 1 2 电动汽车的国内外研究状况。3 1 2 1 国外研究现状3 1 2 2 国内研究现状4 1 3 电动汽车驱动系统的特点及关键技术6 1 3 1 电动汽车驱动系统的特点6 1 3 2 电动汽车驱动系统的关键技术6 1 4 直流无刷电机概述及控制技术的发展状况7 1 4 1 直流无刷电机概述- 7 1 4 2 直流无刷电机控制技术的发展状况1 0 1 5 课题研究的主要内容1 2 第二章直流无刷电机的运行原理和数学模型1 3 2 1 直流无刷电动机的基本结构1 3 2 1 1 直流无刷电机本体。1 3 2 1 2 位置检测器1 4 2 1 3 逆变器和控制器1 5 2 2 直流无刷电机的运行原理1 5 2 - 3 直流无刷电机的基本公式和数学模型1 8 2 3 1 直流无刷电机的基本公式。1 9 2 3 2 直流无刷电机的数学模型2 0 2 4 直流无刷电机的转矩脉动2 1 2 4 1 转矩脉动的影响因素2 1 2 4 2 转矩脉动的解决方法。2 2 2 5 本章小结2 3 第三章直流无刷电机控制系统设计与控制技术2 4 3 1 控制系统的设计方案2 4 3 2 控制结构2 5 3 3 控制芯片的选择2 6 v 基于直流无刷电机的电动汽车驱动系统起动过程研究 3 4 控制策略2 7 3 4 1p i d 控制原理。2 7 3 4 2 电流滞环控制。3 0 3 5 控制技术3 2 3 5 1p w m 控制策略。3 2 3 5 2 对称p w m 波产生：3 2 3 5 3 电流检测3 4 3 5 4 位置检测3 4 3 5 5 转速计算。3 5 3 6 本章小结3 6 第四章直流无刷电机控制系统的m a t l a b 仿真与试验3 7 4 1m a t l a b s i r n u l i n k - - - - s i m p o w e r s y s t e m s 仿真平台介绍3 7 4 2 直流无刷电机控制系统仿真模型的建立3 7 4 2 1 直流无刷电机本体模块3 9 4 2 2 反电势模块3 9 4 2 3 转矩计算模块4 1 4 2 4 转速计算模块4 1 4 2 5 转速控制模块4 1 4 2 6 电流滞环控制模块4 2 4 2 7 电流参考模块4 2 4 2 8 电压逆变器模块4 3 4 3 仿真结果分析4 4 4 4 转鼓试验结果及分析4 6 4 5 本章小结4 8 第五章直流无刷电机驱动系统硬件设计。4 9 5 1 系统总体结构4 9 5 2 电机控制系统核心控制芯片。5 0 5 2 1d s p 2 4 0 7 芯片简介。5 0 5 2 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的事件管理器5 l 5 2 3 功率驱动芯片的选取5 2 5 3 电机驱动主电路设计5 4 5 3 1 电源转换电路5 4 5 3 2 主电路和缓冲电路5 4 5 3 3 电流信号采样电路5 5 v i 江苏大学硕士学位论文 5 3 4 位置信号采样电路。5 6 5 4 保护电路的设计5 7 5 4 1 欠压保护电路5 8 5 4 2 过流保护电路5 8 5 4 - 3 光耦隔离。5 9 5 5 本章小结6 0 第六章直流无刷电机控制系统软件设计6 1 6 1d s p 集成开发环境c c s 简介6 1 6 2 主程序的实现6 2 6 3 软件各模块详细介绍6 3 6 3 1 初始化模块。6 3 6 3 2 电机起动模块6 6 6 - 3 3 霍尔信号捕获中断模块6 7 6 3 4 d 中断服务模块6 8 6 3 5 双闭环调速控制模块2 6 8 6 4 系统的调试与试验分析6 9 6 5 本章小结7 2 第七章总结与展望7 3 7 1 总结7 3 7 2 展望7 4 致谢7 5 参考文献7 6 攻读硕士学位期间发表的学术论文8 0 v u 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早珀v 匕 燃油汽车在经过一百多年的发展之后，技术已经非常成熟了。燃油汽车使用 方便，价格合适，性能良好，但是尾气排放污染问题越来越严重。目前，全世界 拥有各类燃料汽车约6 亿辆，每年消耗燃油约7 亿吨，排放的有害物质超过2 亿吨，约占空气污染总量的6 1 t 1 1 。燃油汽车的燃料来自于石油，而石油是有限 的不可再生资源。石油作为全世界重要的化工资源，随着在内燃机内的燃烧被大 量地消耗掉。根据近年的有关石油的国际会议估计，全世界探明的石油储量在未 来5 0 年内即将消耗殆尽。 随着我国进入汽车消费普及期，汽车拥有量迅速增加，能源需求状况日趋严 峻。从1 9 9 3 年开始，我国从石油输出国转变成为石油进口国。据世界能源组织 统计，到2 0 1 0 年中国的石油进口总量已超过2 4 亿吨，占消耗总量的5 0 以上。 我国人口密度相对集中，大中城市汽车尾气的排放已占相当高的比例【2 1 。跟据联 合国调查，世界1 0 大污染最严重的城市有7 个在中国。近几年，随着我国汽车 保有量的快速增长，汽车尾气已成为大气污染的罪魁祸首。随着人口的增长以及 人民生活水平的提高，燃油汽车数量的进一步增加也给交通的发展带来一系列问 题。 电动汽车是2 0 世纪最伟大的2 0 项工程技术成就中前两项技术“电气化”和“汽 车 的融合产物。1 8 7 3 年，英国人罗伯特- 戴维森研制成功了世界上第一辆电动 汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，简称e v ) 。然而由于科技发展的限制，电动汽车的一些 关键技术难题一直无法解决，比如一次充电续驶里程短、充电时间长和使用不便 等问题；而与此同时，内燃机技术获得了前所未有的发展，燃油汽车的性能大大 超越了电动汽车，从此电动汽车一蹶不振。上个世纪9 0 年代以来，随着世界汽车 保有量的急剧增长和汽车工业的飞速发展，传统的燃油汽车对人类环境的污染越 来越严重，随着环境保护的呼声日益高涨，再加上石油储量日益短缺的压力，迫 基于直流无刷电机的电动汽车驱动系统起动过程研究 使人们重新考虑未来汽车的动力来源。顺应时代的发展，电动汽车再度成为世界 各国的研究热点【2 1 。 1 1 2 研究意义 电动汽车主要包括纯电动汽车e v 、混合动力汽车h e v ( h y b r i de l e c t r i c v e h i c l e ) 和燃料电池汽车f e v ( f u e le l e c t r i cv e h i c l e ) 三种形式。电动汽车以其 特有的低能耗、低噪声、能源多样化、零排放( 被称为“绿色环保汽车 ) 等突 出优点，必将成为未来的重要交通工具之一，其开发前景十分广阔【1 ，2 1 。随着现 代科技的发展，水力发电、核能发电、风力发电以及太阳能发电的利用，为人类 提供了巨大的电能。各种高性能蓄电池和高效率电机的不断出现，使得电动汽车 成为最主要的选择。发展电动汽车被公认为解决未来能源与环境问题的最有效的 措施之一，在世界范围内得到各国政府、企业和科研机构的高度重视【2 1 。电动汽 车相对于二燃油汽车，并不仅仅在于单纯的动力源的更替；相反，电气化技术应为 汽车技术的全面进步发挥更为积极的作用，在提高汽车操纵稳定性、安全性、动 力性方面具有令人瞩目的潜力【3 】。 电动汽车的研究与发展越来越受到人们重视。车用电机的驱动控制既是关键 技术又是共性技术。电动汽车用驱动电机的性能要求主要体现在低速大扭矩、调 速范围宽、过载能力大、大功率、小体积等方面；同时与普通工业用驱动电机相 比，还应该具备适应恶劣的工作环境、成本低廉等特点，因此车用电机驱动系统 的开发技术与生产技术难度更高【3 1 。永磁直流无刷电机由于满足以上的特点要 求，被广泛应用于电动汽车的驱动系统。但是，永磁直流无刷电机存在电磁密度 不均匀、电流频繁换相等问题，具有较大的转矩脉动，尤其足低速起动场合下转 矩脉动更为明显，起动电流峰值过大，造成电动汽车在起动过程中存在较严重的 振动和噪声现象，甚至会烧毁电机，这在很大程度上制约了电动汽车的应用和发 展。电动汽车用直流无刷电机的起动控制是制约电动汽车商业化发展的主要瓶 颈。从产品的市场来看，随着电动汽车市场份额的扩大和直流无刷电机具有优越 的性能等诸多因素，研究电机起动控制系统，解决瓶颈问题意义非常重大，具有 很大的市场潜力和发展空间。 江苏大学硕士学位论文 1 2 电动汽车的国内外研究状况 1 2 1 国外研究现状 随着石油燃料供需矛盾的日益加重和环境保护的要求，世界各国对电动汽车 的发展愈加重视。目前电动汽车的开发被很多国家列入政府的长期规划。世界各 国向电动汽车产业投入巨资，重点放在了电动汽车的电池、电机控制器、电子差 速器等关键部件的研发与生产上。截止至1 1 9 9 8 年底，全世界有9 个大型汽车公司 的1 0 余种电动汽车投入小规模生产【乒7 】。美国通用汽车公司开发的蓄电池纯电动 汽车e v l 使用永磁同步电机驱动，最高时速可达1 2 8 k m h ，从0 9 6 k m h 的加速时 间为9 s ，一次充电可行驶1 4 4 k m ，通用汽车公司后续推出的i m p a c t 电动车一次 充电续驶里程达至l j l 9 0 k m ；2 0 0 2 年1 月7 日，通用汽车公司在北美国际汽车展上， 又展出了一款高科技环保型燃料电池概念车“自主魔力 ( a u t o n o m y ) ，被认 为代表了电动汽车未来的发展趋势。随后福特公司和克莱斯勒公司也相继推出了 自己的混合动力电动汽车。2 0 1 0 年1 2 月2 0 日，在第八届广州国际车展上，通用汽 车公司带来了两款纯电动车赛欧电动概念车和雪佛兰v o l t 电动车。 欧洲国家也都推出了自己的计划来推动本国电动汽车产业的发展。1 9 9 7 年 法国雷诺公司推出装备永磁直流无刷电机的标致1 0 6 电动汽车；法国标致公司的 i o n 电动汽车亮相2 0 0 9 年法兰克福车展，此款电动汽车采用永磁同步电机驱动， 最高时速可达1 6 0 k m h 。目前法国有多种电动汽车上路行驶，充电站的建设也能 满足电动汽车充电的要求，初步形成了一套完整的体系。德国政府联合奔驰汽车 公司和宝马汽车公司成立科技开发机构来开发电动汽车。德国大众汽车公司在第 1 8 届国际电动汽车展会上推出的电动汽车在1 2 s 内可从0 加速到1 0 0 k m h ，最高 车速1 4 0 k m h 。德国宝马公司在法兰克福车展发布一款双门混合动力跑车 b m w v i s i o ne f f i c i e n td y n a m i c sc o n c e p t ，其电力驱动部分由前后两台永磁直 流电机构成，后置电机输出转矩高达2 9 0 n - m ；此外瑞典的富豪汽车公司，意大 利的菲亚特公司都投入了大量的人力、物力来研发新一代电动汽车。 日本是最早研发电动汽车的国家之一，在混合动力汽车开发方面处于领先地 位。日产汽车公司1 9 9 8 年在日本和美国销售的a l t r a 电动车采用感应电机，循 环寿命长，可反复使用1 2 0 0 次，续驶里程1 2 4 k m ；1 9 9 7 年1 2 月，丰田汽车公司首 3 基于直流无斥l j 电机的电动汽车驱动系统起动过程研究 先在日本市场上推出了世界上第一款批量生产的混合动力轿车p r i u s 。2 0 0 3 年1 月5 日，丰田公司在美国底特律召开的北美国际车展上展出了一款混合动力s u v 概念车“s u h v 。2 0 1 0 年1 1 月1 8 日，丰田汽车公司亮相在研小型电动汽车， 为即将在日本国内和欧洲市场上市进行预演。 图1 - 1 和图1 2 分别是国外汽车公司生产的电动汽车。 图1 - 1 福特电动汽车 f i g 1 1e l e c t r i cv e h i c l em a d eb yf o r d 1 2 2 国内研究现状 图1 - 2 标致电动汽车 f i g 1 2e l e c t r i cv e h i c l em a d eb yp e u g e o t 我国具有廉价的劳动力以及原材料市场，我国发展电动汽车具有广阔的市场 前景。2 0 0 1 年9 月，科技部将电动汽车项目正式列入国家“十五8 6 3 计划。项目 提出的目标是：要提高我国电动汽车及相关领域的技术创新能力，培育一支具有 汽车产品自主研发能力的队伍，并充分利用社会各方面的科技资源，在国际竞争 中抢占电动汽车技术制高点，促进我国汽车工业实现跨越式发展。到2 0 0 9 年，我 国电动汽车领域己形成约1 8 0 0 项专利，并开发出了多款电动汽车样车。目前，共 有4 8 个型号的电动汽车获得机动车新产品公告，其中，上汽集团、东风汽车公司、 比亚迪汽车公司、奇瑞汽车公司、长安汽车公司等企业的插电式和油电混合动力 汽车已具备上市销售的条件。电动汽车在我国正在进入快速发展新阶段【8 】。 我国政府大力支持电动汽车的发展，科技部在国家的“8 6 3 ”计划中特别设 立了电动汽车“三纵三横研究开发布局：“三纵”是指电池、电机和控制系统 的关键零部件；“三横是指纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车的整车 i 8 l 。近几年来，我国已经研制出了以直流无刷电机为主要驱动电机的样车，主要 包括：上汽集团、东风汽车公司、比亚迪汽车公司、北京清华新能源汽车工程中 心、万向集团公司等单位研制开发的纯电动汽车；华南理工大学、北京理工大学、 4 江苏大学硕士学位论文 北京工业大学、同济大学、江苏大学等也研制出了自己的电动汽车样车。东风汽 车公司是国内最早开展电动汽车研发的汽车企业之一，开发了游览车、多功能车、 工业专用车和高尔夫球车等4 大系列、近2 0 个品种的纯电动车，东风纯电动轿车 ( e q 7 1 6 0 e v ) 、纯电动富康轿车( e q 7 1 4 0 e v ) 、纯电动客车( e q 6 6 9 0 e v ) 等已 经上市。到2 0 1 0 年，东风电动车公司实现纯电动销售5 0 0 0 辆的年产销量。清华大 学成立的北京清华新能源汽车工程中心承担了国家“8 6 3 项目燃料电池城 市客车整车技术的研究开发和北京市科委有关电动汽车的研究课题，目前已经研 制出1 6 座中巴环保燃料电池轻型客车，客车在2 0 0 8 年北京奥运会期间已经投入运 行。万向集团公司从1 9 9 9 年开始涉足电动汽车领域，目前已经研制出了纯电动轿 车和纯电动公交车，运行总里程已经超过了1 5 0 0 0 0 k i n 。其纯电动轿车采用永磁 直流电机驱动，最高时速为1 2 6 k m h ，经济时速下最大续驶里程为3 8 0 k m ：纯电 动公交车最高时速为9 0 k m h ，经济时速下的最大续驶里程为2 8 0 k m 。2 0 0 6 年4 月， 万向集团公司研制的纯电动汽车在杭州开始示范运行。2 0 均年1 1 月5 日，第二十 五届世界电动车大会在深圳召开，上汽集团展出最新研制的荣威3 5 0 纯电动轿车、 上海牌p l u g i n 燃料电池电动轿车和申沃牌纯电动城市客车三款“零排放 电动汽 车。2 0 1 0 年5 月至1 0 月，1 3 0 0 余辆电动汽车在2 0 1 0 上海世博会上集中示范运行， 助力低碳世博的实现。这批代表国内先进水平的电动车辆，反映了我国电动汽车 产业化工作的最新进展，检验了电动汽车产品的可靠性和技术成熟度，为今后我 国电动汽车产业化工作夯实基础。 图1 3 和图1 4 分别是国内汽车公司生产的电动汽车。 擎”。4 ”4 ”锈 乒 图1 3 上汽荣威e 1 纯电动汽车图1 4 比亚迪f 3 0 m 纯电动汽车 f i g 1 3e l e c t r i cv e h i c l ee 1m a d eb ys gf i g 1 - 4e l e c t r i cv e h i c l ef 3 0 mm a d eb yb y d 5 基于直流无用j 电机的电动汽车驱动系统起动过程研究 1 3 电动汽车驱动系统的特点及关键技术 1 3 1 电动汽车驱动系统的特点 ( 1 ) 效率高 尽管内燃机技术经过一个多世纪的发展已经相当成熟，但对燃油的能量转换 效率却非常低。电动汽车采用电机驱动系统，电池能量的8 0 以上能够转化为汽 车的行驶驱动力【9 1 。而且，电动汽车在制动时具有回收制动能量的能力，这更加 提高了电动汽车的能量使用效率。 ( 2 ) 环境污染低 电动汽车在行驶过程中不排放尾气，具有零排放、零污染的优点。即使以全 部能量都归结为火力发电的状况计算，与燃油汽车相比较，它的废气排放量也会 大幅减少。 ( 3 ) 控制性能好 电动汽车采用电机代替了传统的机械内燃机，因此通过电气化系统可非常方 便地控制动力系统，从而提高了电动汽车的安全性和可控性。 ( 4 ) 噪声低 汽车振动和噪声的主要来源是发动机的振动和噪声，与内燃机汽车相比，电 动汽车使用电机驱动，明显减小了电机所产生的振动和噪声，这使得电动汽车运 行时的噪卢比燃油汽车减小了很多。 1 3 2 电动汽车驱动系统的关键技术 电动汽车作为汽车、机械、电子、计算机、信息技术、能源等多种高新技术 的集成，是典型的高新技术产品。目i j ，研制和开发电动汽车的关键技术主要有 电池技术、电机控制、整车控制、车身和底盘设计以及能量管理技术等，其中前 2 项是电动汽车发展的技术瓶颈。 ( 1 ) 电动汽车用蓄电池 电池是电动汽车的动力源泉，也是制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车 用电池的主要性能指标是比能量( e ) 、能量密度( 幺) 、比功率( p ) 、循 6 江苏大学硕士学位论文 环寿命( l ) 和成本( c ) 等。要使电动汽车可以与燃油汽车相竞争，关键就是 要开发出比能量高、比功率大、循环寿命长的高效动力电池【1 0 】。 ( 2 ) 电机及其控制技术 电机及其驱动系统是电动汽车的心脏，它是研究电动汽车首先要解决的问 题。国外在这方面技术比较成熟，而我国电动汽车还处于起步阶段，与国外相比 还存在较大的差距。电动汽车要求电机具有恒功率输出和高功率密度的特点。在 汽车起步和爬坡时具有低速大转矩特性以及汽车巡航时具有高速恒功率特性，具 有较大的转速范围，快速的转矩响应特性；在转矩转速特性的较宽范围内具有 高的效率；电机坚固，能在不同的条件下可靠的工作，成本低【1 0 ，1 1 】。目前电动汽 车主要的驱动系统包括直流驱动系统和交流驱动系统。直流驱动系统主要是直流 电机的斩波调速系统；交流驱动系统包括永磁同步电机的变频调速系统和开关磁 阻电机的调速系统等。由于直流电机在低速时转矩很高且容易控制f 1 1 】，所以早期 的电动汽车都采用直流电机驱动系统，但直流电机的换相器和电刷需要定期维 护。如今，永磁直流无刷电机的驱动系统获得了广泛的应用。 1 4 直流无刷电机概述及控制技术的发展状况 1 4 1 直流无刷电机概述 直流无刷电机( b r u s h l e s sd cm o t o r ，b l d c m ) 是随着微电子技术、电力电 子技术、永磁材料、数字信号处理技术以及控制理论等的快速发展，在普通的有 刷直流电机的基础之上产生并迅速发展起来的。1 9 3 4 年出现了采用电子管线路 代替机械滑动接触的无换相器直流电机。1 9 5 5 年，美国d h a r r i s o n 等人首次申 请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电机的诞生。电子 换相的直流无刷电机真正进入实用阶段是在1 9 7 8 年，原联邦德国m a n n e s m a n n 公司的i n d r a m a t 分部推出m a c 系列永磁直流无刷电机及其驱动系统。 1 9 8 3 年，日本住友公司推出第3 代高能n d f e b 稀土永磁后，各国竞相研制，直 流无刷电机的发展步伐不断加快【1 2 d 4 1 。我国稀土储量丰富，占全球储量的8 0 ， 所以在发展直流无刷电机上有着得天独厚的优势。早在1 9 6 5 年，我国就研制成 功了永磁式直流无刷稳速电机，并应用于第一颗人造卫星及回收装置的记录仪中。 7 f 基于直流无刷电机的电动汽车驱动系统起动过程研究 进入九十年代以来，随着电力电子技术的；之展，许多高性能半导体功率播件， 从小功率晶闸管到大功率晶体管g t o 、m o s f e t 、i g b t 等新型开关器件的，巫用， 以及对功率开关器件控制驱动技术的进展，特别是近年来智能功率模块( i p m ) 的出现，使得直流无刷电机的驱动愈加简单，一方面，随着专用控制集成电路( 例 如m c 3 3 0 3 3 ) 的批量生产，价格大幅度下降，使直流无刷电机的应用更方便、 推广普及更容易；另外一方面，高速微处理器( m c u ) 和数字信号处理器( d s p ) 的出现，使得处理能力、运行速度飞速提高，提高了直流无刷电机驱动系统的性 能，使得直流无刷电机的高端应用也越来越广泛【1 5 】。同时，永磁材料的性能不 断提高和完善，特别是钕铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善，加上永磁 电机研究和开发经验的逐步成熟，永磁直流无刷电机的应用和开发进入一个新的“ 阶段。 ( i ) 设计手段不断完善 随着计算机技术的发展以及电磁场数值计算、优化设计和仿真技术的不断完 善，形成了以电磁场数值计算、等效磁路求解、场路结合求解等一整套分析研究 方法和一系列计算机辅助设计手段。 ( 2 ) 分数槽技术应用日益增多 分数槽绕组技术在永磁无刷电机中的应用已逐渐增多。如在电动自行车电机 中采用三相、四十极、三十六槽。 ( 3 ) 无槽、无铁心结构电机 无铁心无刷电机的出现是采用新材料、新工艺的结果。电枢采用耐热性能优 越的材料制成刚性整体，可以在高温及高速情况下长期稳定运行；由于电枢无铁 心，电感小，完全消除了铁心中的磁滞损耗和涡流损耗，消除了由齿槽效应带来 的转矩脉动，具有优异的控制性能，运行效率高、温升低、转速范围广；电机的 电枢中无齿槽且采用全塑封结构，负载动行时，噪声及振动都很低。 ( 4 ) 工艺不断革新 在电机制造方面，通过对传统工艺的不断革新，出现了分割型定子铁心结构和 连续绕线工艺方法，采用多极集中绕组，减少绕组端部长度，以适应生产自动化， 使产品向低成本、低价格方向发展；同时出现了适应不同性能参数永磁材料的瓦型、 环型表面粘接结构和各种不同类型的嵌入式磁体结构等新的转子磁路结构。 8 江苏大学硕士学位论文 为了满足各种应用领域的需要，目前已经开发出各种类型的直流无刷电机， 取得了很多发明专利，如盘式电机，具有两个轴向的气隙，在小容量的情况下， 这种电机容易做到低震动、低噪声、低转矩脉动、高效率和高功率密度；无槽电 机，定子铁芯无齿槽，只有磁轭，定子绕组直接固定在定子铁芯上；双动力直流 无刷电机，三相对称绕组的首端和末端都通过引线引出电机机体外，并将绕组匝 数加倍，实现双速，输出双动力：新型混合励磁直流无刷电机，采用定子上设励 磁线圈，转子上设铁磁极( 调磁磁极) 及永磁磁极两种磁极的结构，解决了永磁 直流无刷电机调磁的困难，调磁( 增磁) 作用明显，有效地提高了电机转矩及转 速的调节性能；内置控制器直流无刷电机，将外配的控制器，改进了结构与性能， 直接安装在电机里面，形成了机、电、控制一体化的直流无刷电机。其他新型产 品还包括：直流无刷直线电机、直流无刷有限转角电机、直流无刷力矩电机、电 磁型超微型电机、低惯量直流无刷电机等【1 6 。1 8 1 。 直流无刷电机按照其工作特性可以分为两大类：1 ) 正弦波同步电机，具有 同步电机的各种运行特性；2 ) 方波同步电机，具有有刷直流电机的各种运行特 性【1 6 1 。本课题讨论的是方波直流无刷电机。 直流无刷电机相比较于普通的直流电机，两者在电机本体和换相装置上均有 所差别。首先，在直流无刷电机中磁场是旋转的，电枢绕组是固定的，而普通直 流电机正好相反；其次，由于以上的结构决定，在直流无刷电机中，利用转子位 置传感器和电子换相电路代替了普通电机中的机械换相器和电刷，起到了与机械 换相装置相类似的作用，同时实现了无接触换相。由于不再使用机械式的换相装 置，消除了机械摩擦，所以，可以提高电机的运行精度和可靠性，这也提高了电 机的寿命和运行效率。取消了电刷，使得电机运行时不再产生电火花，可以减少 电磁干扰，减小噪声。 永磁直流无刷电动机的优点是效率高，起动转矩大，过载能力强，高速操作 性能好，无电刷，结构简单牢固，免维护或少维护，体积小，质量轻，但会产生 转矩脉动，电流损耗大，工作噪声大。随着永磁直流无刷电机成本下降，控制技 术更加成熟，该类电机将是最受欢迎的驱动电机【1 4 - 1 6 1 。 9 基于直流无刷电机的电动汽车驱动系统起动过程研究 1 4 2 直流无刷电机控制技术的发展状况 近几年国内外的许多专家、学者在直流无刷电机控制技术的研究方面倾注了 不少心血，也取得了不小的成绩。 ( 1 ) 无位置传感器技术 近几年来，永磁直流无刷电机的无位置传感器控制一直是较热门的课题，无位 置传感器的传动系统对于提高系统的可靠性和对环境的适应性具有更重要的意 义，为国内外学术界高度重视，成为近年来研究的热点。与直接检测法相比，省 去了位置传感器，简化了电动机本体结构，提高了检测的精度，取得了良好的效 果【1 9 】。反电动势法是最常见和应用最广泛的方法，实现方法多用“端电压法 和“相电压法 ，即利用直流无刷电机的端电压或相电压检测反电动势的过零点 或换相点来实施换相。文献 2 0 1 依靠检测浮空相的端电压得到反电动势过零点， 然后延时3 0 。( 电角度) 的时间进行换相。文献 a l l n 提出了一种利用反电势三 次谐波检测转子位置的新方法，该方法调速范围更宽，实现简单，不需要深度滤 波，但当电机转速较低时，反电势幅值较小，很难通过反电动势检测来获得正确 的位置信号。为此，文献 2 2 1 提出了通过检测反并联在浮空相开关管上的续流二 极管的电流状态来判断转子位置的方法。该方法能够弥补反电动势检测法在低速 下的不足，扩大了电机的调速范围，但本质上还是基于测量反电动势。文献 2 3 1 利用磁链计算方法通过测量到的绕组电压、电流信息以及相应的电机参数，使用 定子电压方程计算出磁链，利用磁链和转子位置之间的固定关系，估算出目前转 子所处的位置，该方法需要精确的转子初始位置。当前比较成熟而可行的方法多 集中于电机在中高速区域运行时，能够对转子位置较准确的估计。 ( 2 ) 控制策略 近几年来，结合现代控制理论，提出了很多新型的电机控制方法，如p i d 控 制、模糊控制、变结构控制、神经网络控制等【2 4 】。从控制系统的成本、维护性、 可靠性等方面来考虑，p i d 控制简便易于实现，变结构控制由于具有响应速度快、 对控制对象参数变化及外部扰动不灵敏、物理实现简单等优点，直流无刷电机的 位置伺服大都采用变结构控制。智能控制是控制理论发展的高级阶段，一般包括 模糊控制、神经网络控制、专家系统等。由于智能控制无需对象的精确数学漠型， 1 0 江苏大学硕士学位论文 并具有较强的鲁棒性，因而许多学者将智能控制方法引入了电机控制系统的研究 2 4 2 5 1 。其中，经典p i d 控制与模糊算法结合所组成的模糊p d 控制、人工神经 元网络和模糊控制相结合的复合控制以及人工神经元网络与数字滤波相结合的 自适应控制等控制策略代表着当前智能控制的研究方向。 ( 3 ) 转矩脉动抑制 永磁直流无刷电机存在电磁密度不均匀、电流换相等问题，运转时具有较大 的转矩脉动，尤其是低速场合下转矩脉动更为明显，这在很大程度上制约了在高 性能运动控制系统中的应用。转矩脉动产生的原因主要有：齿槽效应和磁通畸变 引起的转矩脉动；电磁因素引起的转矩脉动；换相电流引起的转矩脉动。其中换 相电流引起的转矩脉动为最主要的影响因素【捌。对于电流换相引起的转矩脉动， 各高校以及科研机构展开了深入的研究，提出了各种抑制或削弱转矩脉动的方 法。文献 2 7 3 0 1 分析了电机换相转矩脉动产生的原因，指出换相转矩脉动不仅与 电机绕组电流有关，还与换相时相绕组反电势瞬时值、换相位置角、绕组参数等 因素有关，并通过数值计算结果说明了各因素对换相转矩脉动的影响程度