（车辆工程专业论文）电动汽车用串励直流电机控制原理的研究.pdf

i i i1 1 11 1 1 1 t l l l l l ll lll l l l l l l l l l l l l l l l ll l l l i y 18 8 0 3 5 6 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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 武汉理工大学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。 学位论文使用授权书 勿f 占和 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( ：批平媵导9 旦一 乏于一一 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着社会的发展和人类生活水平的提高，汽车已经由奢侈品成为人类生活中 的必需品，并使汽车产业得到了飞速发展。而且随着人类对节能环保要求的提高， 电动汽车以其节能、无污染等优点，已经成为世界各国汽车制造商竞相发展的产 业，将引领世界汽车产业的发展。目前，各大汽车制造商为了能够在未来电动汽 车领域中获得一席之地，竞相研发出多种类型的电动汽车，包括纯电动汽车、混 合动力电动汽车、燃料电池电动汽车，并且有相当一部分车型已经实现量产，且 在市场上的销量表现良好。 电动汽车的发展有赖于核心技术的发展，亦即电池、驱动电机和电控系统的 发展。直流电动机具有控制技术简单成熟，转矩转速特性较为符合理想牵引特 性的要求等特点，且由于串励直流电动机具有较大的启动转矩和过载能力，可以 满足电动汽车快速启动、加速、爬坡、频繁启停等要求，项目中选用串励直流 电动机作为驱动源，且自主研发了串励直流电动机的控制器。本文主要针对串励 直流电动机的控制原理和控制模型进行研究，并对该控制器的软硬件进行简单介 绍。 本文对现阶段电动汽车的研究现状和相关技术进行了调研，提出了电动汽车 的改装思路与电动机匹配理论。通过对直流电动机控制原理及控制方法的研究， 制定了串励直流电动机控制器的控制策略。该课题研究的串励直流电动机控制器 采用双闭环调速原理：内环采用电流负反馈构成电流环，对电枢电流和电流变化 率进行控制；外环采用转速负反馈构成转速环，对电动机转速进行调节。根据项 目中电动机的实际参数，建立了直流电动机单闭环和双闭环调速系统的仿真模 型，并根据仿真结果着重对双闭环调速系统的跟随性能与抗干扰性能进行了分 析，结果表明双闭环控制较单闭环控制存在较强的优越性，能够改善电动汽车的 启动性能。 。结合电动汽车结构和性能的特殊性，给出了电动机控制器功能的需求定义。 对电动汽车控制器进行了总体性设计分析，且对其主要硬件结构进行了设计，编 写了该控制器的电动机双闭环调速模块的程序，对其主要的软件模块进行了分 析。最后将控制器进行装车，并结合电动汽车用电动机及控制器试验标准进 行了控制器性能的测试，通过相关试验证明该控制器能够达到目标要求，充分证 明了双闭环调速控制策略的可行性和实用性。 关键字：电动汽车，串励直流电动机，仿真模型，双闭环调速，p w m 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h es o c i a ld e v e l o p m e n ta n dt h ei m p r o v e m e n to fh u m a nl i f e ，t h el u x u r yc a l h a sb e c o m ean e c e s s i t yf o rh u m a nl i f e ，a n dt h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yh a sb e e nr a p i d l y d e v e l o p e d a n da sh u m a ne n e r g ys a v i n gr e q u i r e m e n t si n c r e a s e ，t h ee l e c t r i cc a rf o ri t s e n e r g ys a v i n g ，c l e a n ，e t c ，h a sb e c o m ear a c ed e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r yo fc a r m a n u f a c t u r e r sw o r l d w i d e ，a n dw i l ll e a dt h ew o r l da u t o m o t i v ei n d u s t r y c u r r e n t l y , t h e m a j o rc a rm a n u f a c t u r e r si nt h ef u t u r ei no r d e rt oo b t a i nap l a c ei nt h ee l e c t r i cc a r i n d u s t r y , h a v ed e v e l o p e dav a r i e t yo fc o m p e t i n gt y p e so fe l e c t r i cv e h i c l e s ，i n c l u d i n g p u r ee l e c t r i cv e h i c l e s ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ，f u e le e l le l e c t r i cv e h i c l e s ，a n da c o n s i d e r a b l ep a r to ft h em o d e lh a sb e e nf u l f i l l e dm a s sp r o d u c t i o n ，a n dp e r f o r m e dw e l l i nt h em a r k e t t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e s d e p e n d s o nt h ed e v e l o p m e n to fc o r e t e c h n o l o g i e s ，n a m e l yb a t t e r i e s ，e l e c t r i cv e h i c l em o t o rd r i v i n ga n dc o n t r o lt e c h n o l o g y a st h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fd cm o t o rh a sm a t u r e d , t h et o r q u ea n ds p e e d c h a r a c t e r i s t i c sa r em o r ei nl i n ew i t ht h e r e q u i r e m e n t s o ft h ei d e a lt r a c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h es e r i e se x c i t e dd cm o t o r sw i t hl a r g es t a r t i n gt o r q u ea n d o v e r l o a dc a p a c i t y , m e e tt h ee l e c t r i cc a rf a s ts t a r t , a c c e l e r a t i o n ，c l i m b i n g ，f r e q u e n ts t a r t a n ds t o p ，t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e st h ec o n t r o lp r i n c i p l eo ft h es e r i e se x c i t e dd c m o t o r ，a n dh a v eab r i e fi n t r o d u c t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o l l e r b a s e do nt h es t a t u so ft h ep r i n c i p l eo fm o t o ra n dr e l a t e dt e c h n i c a lc o n t r o l l e r s ， c o m b i n i n gr e s e a r c ht o p i c so ft h ea c t u a ls i t u a t i o n ，t h ei d e a so fm o d i f i c a t i o no f e l e c t r i c v e h i c l e sa n dt h em o t o rm a t c h i n gt h e o r yw a sp u tf o r w a r d t h r o u g ha n a l y s i so f w o r k i n gp r i n c i p l ea n dc o n t r o lm e t h o d so fc o n t r o l l e r , f o r m u l a t es e r i e se x c i t e dd c m o t o rc o n t r o l l e rw i t ht h ec o n t r o ls t r a t e g yo fd o u b l ec l o s e dl o o p u s ec u r r e n tn e g a t i v e f e e d b a c kt oc o n t r o lt h ea r m a t u r ec u r r e n t u s et h es p e e df e e d b a c kl o o pt oc o n t r o l m o t o rs p e e d u s i n gs i m u l i n ki nm a t l a be s t a b l i s h e sm o t o rc o n t r o ls i m u l a t i o nm o d e l ， c a r r i e so nt h es i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h es i m u l a t i o nm o d e lb yr e p e a t e dr e v i s i o nc o n t r o l s t r a t e g yt os p e e da n ds t a b l ep e r f o r m a n c e ，a c c o r dw i t ht h ei d e a lo f t r a c t i o n w i t ht h es p e c i a ls t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo fe l e c t r i cv e h i c l e s ，t h ep a p e rh a s g i v e nt h ef u n c t i o nd e f i n i t i o nf o rm o t o rc o n t r o l l e r t h eo v e r a l ld e s i g na n ds t r u c t u r eo f i t sm a i nh a r d w a r ed e s i g no ft h ee l e c t r i cv e h i c l ec o n t r o l l e rh a sb e e nd e s c r i b e d m a i n l y c o m p l e t e dt h ep r o g r a mp r e p a r a t i o no ft h ed u a l p ir e g u l a t i o no ft h ec o n t r o l l e ra n di t s n 武汉理工大学硕士学位论文 m a i ns o r w a l em o d u l e sa l ea n a l y z e d f i n a l l y , t h ec o n t r o l l e ra r ei o a d e d ，a n dc o m b i n e d w i t ht h e ”e l e c t r i cv e h i c l em o t o ra n dc o n t r o l l e r , ”t h ep e r f o r m a n c et e s ts t a n d a r df o r t e s t i n gt h ec o n t r o l l e r , t h er e l e v a n te x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l l e rc a n a c h i e v et h ed e s i r e d ，f u l l yp r o v e dt h a tt h ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a l i t yo ft h ed o u b l el o o p s p e e dc o n t r o ls t r a t e g y k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，s e r i e sw o u n dm o t o r , s i m u l a t i o nm o d e l ，d o u b l ec l o s e d l o o ps p e e da d j u s t m e n t ，p w m l f，、m，、 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章引言l 1 1 课题背景及选题意义1 1 2国内外电动汽车技术研发现状2 1 2 1驱动电动机的研发现状3 1 2 2 电动机控制系统的研发现状4 1 2 3 动力电池的研发现状5 1 3 本论文研究内容5 第2 章电动汽车的改装设计与电机动力匹配理论7 2 1电动汽车的改装设计7 2 1 1电动汽车性能指标的提出7 2 1 2 车型选择8 2 1 3电动汽车改装设计思路9 2 2 电动汽车动力性能分析1 0 2 2 1 电动汽车行驶方程1o 2 2 2 电动汽车动力性能指标1 1 2 3 电动汽车电动机匹配理论1 2 2 3 1电动机功率的选择。1 3 2 3 2 电机动转速的选择1 3 2 3 3 电动机转矩的选择1 4 2 3 4 电动机选型。1 4 2 4 本章小结1 5 第3 章直流电动机控制理论基础l6 3 1 直流电动机工作原理及调速方式1 6 3 1 1 直流电动机的工作原理1 6 3 1 2 直流电动机的调速方式及脉宽调制技术1 7 3 2串励直流电动机的运行特性及数学模型1 9 3 2 1串励直流电动机的运行特性，1 9 3 2 2 串励直流电动机的数学模型2 l 3 3 直流电动机调速系统的静动态指标2 3 3 3 1 系统静态性能指标2 3 3 3 2 系统动态性能指标2 3 3 4 转速、电流双闭环直流调速系统的工作原理2 6 3 4 1 双闭环直流调速系统工作原理分析2 6 3 4 2 直流电动机启动过程2 8 3 5 本章小结毒2 9 i i i v 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章串励直流电机双闭环调速系统的建模与仿真3 0 4 1 模拟p i d 的控制原理3 0 4 2 数字p i d 控制原理3 2 4 2 1 位置式p i d 算法3 2 4 2 2 增量式p i d 算法3 3 4 3p i d 控制器参数整定3 4 4 3 1凑试法3 4 4 3 2 临界比例法3 4 4 4 串励直流电机调速系统模型的建立与仿真分析3 5 4 4 1 双闭环直流电机调速系统模型的建立。3 6 4 4 2 双闭环调速系统的跟随性能分析3 8 4 4 3 双闭环调速系统的抗干扰性分析4 2 4 5 本章小结4 3 第5 章串励直流电机控制系统软硬件设计与分析。4 4 5 1串励直流电机控制器功能定义4 4 5 1 1电气指标4 4 5 1 2 保护功能4 5 5 1 3 运行功能4 6 5 1 4 通讯功能4 6 5 1 5 诊断功能4 6 5 2 控制器的总体设计4 7 5 3串励直流电动机控制系统硬件设计4 8 5 3 1三角波调制电路4 9 5 3 2 保护电路5 0 5 3 3电动机驱动模块51 5 4 串励直流电动机控制系统软件设计5 1 5 4 1电动机控制模块5 2 5 4 2 控制器保护模块5 3 5 4 3 踏板管理模块5 4 5 4 4a d 转换模块5 6 5 5 控制器实车试验5 6 5 6 本章小结5 8 第6 章本文总结与展望5 9 6 1 本文总结5 9 6 2 研究展望5 9 致谢6 1 参考文献，6 2 攻读硕士期间发表的论文6 5 v 第1 章引言 1 1 课题背景及选题意义 随着全球经济的不断发展，汽车产业已经成为国民经济的龙头产业，并带动 着各大产业链的发展，且成为衡量一个国家工业和科技发展水平的重要标志。然 而，汽车产业的快速发展也加速了能源的消耗，并且产生了严重的环境污染问题， 阻碍着人类社会的可持续发展。据统计，目前全球汽车的保有量已经达到8 亿辆， 一年要消耗2 5 0 亿桶石油，占世界能源消耗总量的7 5 i l j 。从技术层面上解决环 境污染与能源短缺的问题，就是要引领人类社会走低碳经济的道路。在汽车工业 领域，努力研发节能汽车与新能源汽车，走节能环保之路是可行的措施之一。 在近几十年的时间内，随着世界科学技术的全球化，各国汽车工业都已得到 了飞速发展，汽车的性能也得到了大幅度提升。但是，汽车产业的快速发展给人 们生活质量带来提升的同时，却在大量地消耗人类赖以生存的石油能源，使人类 面临严峻的能源危机问题，且产生了环境污染问题，给人类带来了极大的危害。 于是，节能环保型的电动汽车再次成为人们关注和研究的焦点，并得到了各国政 府的逐步重视，促使电动汽车技术得到了快速发展。 当今的电动汽车技术已经可以同燃油汽车技术在某些方面相媲美，甚至比燃 油汽车更优秀。电动汽车技术是电控、电动机和电池各方面技术共同发展的产物， 集中了机、电、化等各科学领域的最新科研成果。 电动汽车所使用的电能可以通过多种形式的能量获得，且能量来源丰富，便 于获取，最重要的是减少了对石油资源的利用，有利于减小能源危机，同时，电 能的获取还减少了环境污染。据统计，行驶同样的里程，电动汽车所消耗电能所 产生的污染量比燃油车产生的污染量低得多，这里的污染量是指电能全部由煤炭 或原油获得所产生的空气污染。尤其是在获取电能的同时，还可以对污染物进行 集中处理，而燃油车在行驶的过程中是做不到这一点的。 电动汽车由于使用电动机作为驱动源，而电动机在工作时噪声极低，不会造 成环境污染。燃油车工作时使用发动机作为驱动源，再与其他传动机构进行连接， 工作时会产生较大的噪声，严重影响着人类的生存环境。 基于电动汽车在能源利用与环境保护等方面的优越性，各国已把电动汽车作 为发展本国汽车工业的主打趋势。电动汽车的发展对各国电动机、电力电子、电 池等行业提出了严峻的挑战，同时又是各行业发展壮大的机遇。 武汉理工大学硕士学位论文 本论文在研究e 系列微型电动汽车所用串励直流电动机控制器的基础上， 通过分析其结构和原理，从如何提高该控制器的调速性能入手，利用现代控制理 论的研究方法和数字p i d 控制技术，设计出一种调速性能理想，满足电动汽车 调速性能的控制器，并将应用于所开发的e 系列微型电动汽车上。该课题研究 的电动机控制器采用双闭环直流调速原理，能够很好的实现其调速性能，具有较 好的稳定性，能够满足电动汽车起步、匀速、加速和减速时的性能要求，且具备 完善的保护功能。 1 2 国内外电动汽车技术研发现状 在丹麦首都哥本哈根举行的联合国气候变化峰会上，各国政府首脑已经强烈 地意识到环保的重要性，全球变暖已经成为不争的事实。如何从根本上解决能源 危机和环境污染以及全球变暖的问题已经被提到当前议程。电动汽车在此国际环 境下应运而生，成为各国汽车厂商和研发机构的研究焦点。 美国政府对电动汽车的研发注入了相当大的精力，使电动汽车的研发领域有 了高额的资金来源，为电动汽车核心技术的研发提供了保证。美国的三大汽车公 司认识到电动汽车领域发展的广阔性，分别利用本公司较强的科研能力和先进的 汽车生产制造条件，对电动汽车的关键技术进行联合攻关，并得到了飞速发展。 与此同时，美国还充分利用本国在各大行业领域的优势，分工研发出电动汽车所 需的功能单元，使电动汽车技术在行业领域中处于领先地位。美国对电动汽车产 业制定了一系列的发展计划包括：f r e e d o mc a r 计划、p n g v 计划、e v 电池利 用研究项目、氢研究发展计划、公共汽车氢燃料演示项目、2 亿美元代用燃料示 范项目、a v p 计划、绿色校车示范项卧。 日本作为工业发达国家，对石油资源的消耗较多，致使环境污染严重，为此， 日本政府和本国各大汽车制造商十分重视电动汽车的研发。日本两大汽车制造公 司丰田与本田在上世纪9 0 年代就在电动汽车领域有了较好的发展，并处于领先 地位。并且为普及环保车型，日本政府于2 0 0 9 年就实施了“绿色税制 ，对一些 特定车型免除税赋。 近日，德国政府为了发展本国电动汽车技术，提高德国在全球汽车产业中的 技术优势，组织本国各大汽车制造商、研究所与产业界等相关人员共同启动了“国 家电动汽车计划”。根据该计划，各大科研机构将分别研发电动汽车的关键技术， 包括电控驱动单元、电动机单元、电池、基础设施建设、材料的回收及利用等几 个方面。 2 武汉理工大学硕士学位论文 现阶段，各国都在加大对电动汽车产业的关注和研发力度，希望能够在电动 汽车领域中处于领先地位。发展电动汽车产业为我国在汽车领域能够与其他国家 相齐并进提供了一个很好的机遇，且对我国的各电力电子、电池、电动机等产业 都是一个更大的挑战。科技部为了响应国家节能减排政策的落实，专门制定电动 汽车重大专项，旨在通过国家政策的引导作用，指引我国电动汽车能够科学有效 地发展。 1 2 1 驱动电动机的研发现状 驱动电动机作为电动汽车的核心部件之一，起着能量转换的重要作用。作为 电动汽车的驱动系统，驱动电机有着自己特殊的要求：低速恒转矩，高速恒功率； 电动汽车与普通汽车一样也有加速时间和爬坡能力要求，较长时间保持较大的启 动转矩，使电动汽车具有良好的启动与加速性能，从而获得在启动、爬坡与加速 等所需的转矩与功率，且驱动电动机应在较宽的工作范围内要求高效运行：电动 汽车也应能够在比较恶劣的环境下长期安全工作，且耐高温与潮湿的性能较强； 电气系统与控制系统的安全性应符合国家有关电动汽车安全性能的规定。 1 ) 直流有刷电动机 由于直流有刷电动机调速比较方便，输出转矩控制特性良好，且控制技术比 较成熟等而得到广泛应用。但是直流有刷电动机仍然存在着比较大的缺陷，就是 电动机带有电刷和换向器，结构较复杂，在长时间运行后，将会受到严重磨损， 需要经常维护，并且电动机在工作时将会产生一定的电磁作用，会对其他电器的 正常运行带来不利。由于直流有刷电动机的控制技术比较成熟，目前一些电动汽 车的驱动仍然使用直流有刷电动机。 2 ) 交流感应电动机 交流感应电动机由于没有直流有刷电动机上安装的电刷与换向器等部件，使 其结构得到了简化，运行更可靠，维修更方便。随着现代控制理论的快速发展， 矢量控制逐渐应用于交流感应电动机的控制器上，使感应电动机的调速范围更 广，响应更快，可控性更稳定，已得到广泛的使用，但是交流感应电动机在高速 旋转时，转子发热量大，所以必须保证足够的冷却，否则，会严重影响电动机运 行功能。交流感应电动机虽然结构简单，价格便宜，但是控制系统比较复杂，致 使总体价格比直流电动机高。 3 ) 永磁电动机 ，永磁电动机根据感应反电动势波形的不同分为永磁同步电动机与无刷直流 电动机，永磁同步电动机产生的反电动势为正弦波，无刷直流电动机反电动势为 3 武汉理工大学硕士学位论文 方波。永磁电动机采用永磁体作为转子，无需励磁电流，减小了损耗；没有换向 装置与电刷，使电动机结构得到简化：另外电枢绕组缠绕在定子上，散热得到了 改善。但是永磁材料的在受温度，过载电流的影响时，其性能会受到较大的影响， 将会降低电动机的运行效率。另外永磁材料的价格昂贵，限制了永磁电动机的发 展。随着永磁材料价格的不断下降和电动机控制技术的发展，无刷直流电动机的 应用将会更加普及【3 】。 4 ) 开关磁阻电动机 开关磁阻电动机是近几年刚出现的驱动电机，由于其显著的优点，已经在电 动汽车领域获得了应用。开关磁阻电动机的转子上没有其他类型电动机所具有的 滑环、线圈等部件，结构简单，易于维修，可靠性较高。该类型的电动机转子上 没有永磁体，其性能不会受温度的影响，并且开关磁阻电机的输出转速转矩特性 较好，调速性能优良，因此更能满足电动汽车启动、加速、匀速、减速与停车等 工况的要求。但由于开关磁阻电动机为双凸极结构，转矩波动较大，会产生较强 的噪音，并且控制系统比较复杂，成本较高，使其在电动汽车中的广泛应用受到 限制。 由表1 1 可以看出，目前电动汽车上使用的电动机形式主要为感应电动机、 永磁同步电动机、直流有刷电动机等。 表1 1 国内外部分大型汽车公司已试产电动汽车的驱动电动机使用情况 1 2 2电动机控制系统的研发现状 电动汽车电控系统随着自动控制技术的发展一直在不断的改进。早期，直流 电动机调速系统主要是采用电枢回路串电阻调速与弱磁调速等方式，由于其属于 能量损耗型的控制方式，且属于有级调速，现在已经被直流斩波技术所取代。直 流斩波技术是通过产生相应控制信号改变功率开关管的通断状态，改变施加到电 动机电枢两端的电压，进而改变电动机输出转矩的大小，达到改变转速的目的。 目前，对于交流感应电动机采用的控制方式主要有直接转矩控制、矢量控制 和变频变压控制等方式。对于开关磁阻电动机的控制一般采用角度位置控制与电 4 武汉理工大学硕士学位论文 流斩波控制等方式。随着科学技术的发展与应用，近几年来，科学家们探索出一 些先进的控制方法都适用于电动机驱动，主要包括自适应控制、模糊控制、神经 网络控制、鲁棒控制、非耦合控制、模型参考自适应控制等 4 1 。 电动机控制技术早期主要采用模拟控制，但由于模拟控制的控制系统较复 杂，且控制精度较低，已经逐步被淘汰。随着工程控制系统复杂度的提高与控制 要求的提升，普通的单片机控制系统已经不能够满足控制要求，应运而生的是电 动机驱动专用模块，采用数字微处理控制器，具有功能强大、控制简单、低功耗 等优点，被广泛应用于控制精度要求较高的控制系统中。 1 2 3 动力电池的研发现状 目前电动汽车上所应用的电池存在着比能量小、充电时间长、寿命短、成本 较高等缺点，严重制约着电动汽车产业的发展。电动汽车上应用最多的电池是铅 酸蓄电池、锂离子电池、镍氢电池与燃料电池等类型。随着锂离子动力电池技术 的快速发展，其性能得到了很大提高，为电动汽车的发展与普及提供了可能。 电动汽车所需电源系统的能量比较高，目前为止没有一种单体电池的能量和 功率能够满足电动汽车的需要，电动汽车上电池都是成组使用的，由于电池在制 造过程中并不能保证完全相同，即一致性存在缺陷，动力电池在成组应用到电动 汽车中时，各单体电池连接部分也会存在一些差异，此外环境温度的差异也会影 响单体电池的性能。由于以上各种原因，使得动力电池组在成组使用的过程中， 使用寿命受到严重影响，导致比单体电池的寿命短几倍甚至更多。因此需要通过 专门的控制系统对每一单体电池进行监管，尽量提高动力电池组的寿命。目前电 动汽车用动力电池的各方面性能都已经得到相当高的提升，基本上能够满足电动 汽车的需求，且部分电池的生产已经通过了权威认证机构的检测。 1 3 本论文研究内容 电动机控制器技术的发展在一定程度上决定了电动汽车的性能，研发出调速 性能稳定，具有良好的动态性能且具有完善的保护功能的控制器是各大电控厂商 的当务之急。 本文基于研究项目中所用控制器，对串励直流电动机的控制原理进行了研 究，并对部分软硬件进行了设计，主要包括以下内容： ( 1 ) 研究了电动汽车的改装设计思路，提出了电动汽车的性能指标，并在 此基础上选择了m c 6 3 2 0 微车作为改装原型；从电动汽车动力学出发分析了电动 机的匹配理论；根据电动机匹配理论编写了v b 程序，以便于电机的选型及电动 5 武汉理工大学硕士学位论文 汽车动力性能的分析，最后根据分析选择了电动机类型及型号。 ( 2 ) 分析直流电动机的工作原理及调速方式，并针对脉宽调制技术( p w m ) 进行了研究；对串励直流电动机的运行特性进行详细介绍；分析了直流电动机调 速系统的静动态指标：根据串励直流电动机动态原理图建立其数学模型；提出采 用双闭环直流调速系统( 即内环采用电流环，外环采用转速环) 对串励直流电动 机进行控制，且着重分析了直流电动机双闭环调速系统启动阶段电流与转速的变 化情况。 ( 3 ) 分析了模拟p i d 控制与数字p i d 控制原理及参数的整定原则，接着结 合直流电动机双闭环调速系统的基本工作原理和脉宽调速原理，调用工程计算与 分析软件m a t l a b 中s i m u l i n k 工具箱和s i m p o w e r s y s t e m s 中的基本模块，建立了 直流电动机的单闭环和双闭环直流调速控制系统的仿真模型；应用仿真模型着重 对电动机调速系统的跟随性能与抗干扰性能进行了分析，仿真结果证实了双闭环 控制的优越性，能改善电动汽车的启动性能。 ( 4 ) 结合电动汽车的特性，给出了直流电动机控制器的需求定义；在充分 了解双闭环直流调速系统的基础上，设计了硬件电路的关键模块，且对电动机控 制模块中的双闭环调速部分进行了软件编程；结合电动汽车用电动机及控制器 试验标准进行了实车试验，验证了所采用控制策略的有效性和控制器设计的合理 性。 通过本文的研究，能对直流调速系统的研究提供一些参考，具有一定的理论 价值。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电动汽车的改装设计与电机动力匹配理论 电动汽车的设计主要有改装设计和全新设计两种方法。改装设计电动汽车 时，燃油汽车中原来安装发动机以及相关组件的部位由电动机、电机驱动控制器 和电池所替代，由于采用现有燃油汽车的底盘，对于小批量生产而言，这种方法 。比较经济。而且，在电动汽车开发的初期，可以集中精力来开发电动汽车用电池 和电动机控制系统等。电动汽车的心脏是它的驱动电机，其性能必须符合汽车的 动力性需求。对电动汽车电机进行匹配设计，不仅能够优化电动汽车的动力性能， 还能提高系统效率、延长电动汽车的续驶里程，对提高整车的动力性能和经济性 能具有重要的现实意义。 2 1 电动汽车的改装设计 2 1 1电动汽车性能指标的提出 我们的设计目标是开发一种微型纯电动汽车，它能够适用于城市短距离的交 通需要，可以作为通勤者上下班的代步工具，也能为非通勤者的短距离慢速交通 提供便利。为了能够设计出实用的电动汽车，必须解决如下的问题： ( 1 ) 汽车适当的续驶里程。 ( 2 ) 汽车合适的加速度。 ( 3 ) 驾驶于城市工况的最高速度要求。 微型纯电动汽车作为通勤者的代步工具时，汽车一次性行驶距离要求不高， 汽车停放位置相对固定，可以在家里或者工作单位对动力电池进行充电。 根据某地城市交通的状况的统计，在上班高峰期一个小时内，城市主干道乘 车( 公交车、出租车除外) 去工作单位的人数，及每辆车的人数统计结果如表2 1 所示。 表2 1 早晨高峰期- - d 时车内人数n 1 总车数 1 7 6 7 车内总人数2 2 2 8 平均每辆车内人数 i 2 6 车内1 人所占百分比 7 6 7 车内l 到2 人所占百分比 9 8 2 从统计结果中可以看出，车内载有1 至2 人的情况超过9 8 。因此，我们设 计的微型纯电动汽车采用2 座式。进一步考察汽车在一天内行驶速度的变化和行 7 武汉理工大学硕士学位论文 驶里程，反映对车辆动力性能和续驶里程的要求。图2 1 为国外某城市的一个典 型统计结果【l l 】，分析统计数据，提出微型电动汽车的性能指标如表2 2 所示。 1 0 0 8 0 暑6 0 型4 0 嫂 2 0 0 2 时闻h 46 图2 - 1 某日内车速统计表 表2 2 电动汽车的性能指标 变量性能指标 承载人数2 人 最高速度 8 0 k m h 平均速度3 5k m h 高速爬坡性能3 5 0 k m h 高速爬坡性能6 4 0 k m h 一次充电续驶里程8 0 k m 2 1 2 车型选择 基于对电动汽车性能指标要求的分析，我们选择了m c 6 3 2 0 微型车作为原型 车进行改装。原车的性能参数见表2 3 所示 表2 31 1 1 3 6 3 2 0 微型汽车性能参数表 项目参数 最高车速 1 6 0 k m h 最大爬坡度 2 0 最小转弯半径l o m 汽车长 3 1 9 5 m m 汽车宽 1 6 7 0 m m 汽车高1 5 3 5 m m 轴距2 0 5 0 m m 最小离地间隙 1 6 0 m m 整车整备质量s 3 0 k g 乘员人数 4 人 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 电动汽车改装设计思路 传统的燃油汽车用液态的汽油或柴油作为燃料，由内燃机驱动，而电动汽车 采用蓄电池作为能量源，由电动机来驱动，因此，两者的驱动系统在结构上有较 大的差异，其驱动示意图分别见图2 - 2 和图2 3 所示。 图2 - 2 传统汽车驱动系统示意图 图2 - 3电动汽车驱动系统示意图 对比图2 - 2 与图2 3 可知，燃油汽车与电动汽车的最大区别在于动力系统和 能源供应系统的不同。改装时，最主要的改动是将燃油汽车的内燃机和油箱用匹 配的蓄电池、电动机、电机驱动控制器及相关设备来代替。其改装工艺流程一般 可用图2 4 来表示。首先选择一辆与所设计的电动汽车在载客量或载货量相近似 的内燃机汽车，并且要求这辆汽车外形应具有低空气阻力系数的流线型造型。 图2 - 4电动汽车改装设计的工艺流程图 改装时，首先根据电动汽车设计性能要求和待改装车型的特点，设计电动汽 车电机驱动系统、储能装置的结构形式及整车布置。然后，拆除原发动机控制及 其相关电路，保留原车蓄电池；原车照明、车身电器及配电系统保持不变；保留 变速器和离合器，主要是为了提高汽车的起动转矩，克服电动机不能反转的欠缺， 使汽车能实现倒档。接下来，安装各个部件调试、测试、运行。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2电动汽车动力性能分析 2 2 1电动汽车行驶方程 根据汽车动力学原理，汽车的动力性指标可以从汽车在水平路面匀速行驶、 加速行驶和在一定坡路上行驶时的驱动力一行驶阻力关系式导出，下面首先分析 汽车行驶时的受力情况。 1 ) 驱动力 对与纯电动汽车而言，驱动电机输出的电磁转矩乙经机械传动系统传至驱 动轮并使之对地面产生一个圆周力昂，此时地面与驱动轮所产生的反作用力互 驱使汽车行驶，e 称为汽车的驱动力。 e = f o = 1式( 2 - 1 ) 式中，z 为作用于驱动轮的转矩；，为车轮半径。 根据动力学原理，作用在驱动轮上的转矩为： z2 丽g 2 x n 。9 5 4 9 吾 ，式( 2 2 ) i t ) 6 0 ( “吩 ， 风u i 二7 式中，霉为驱动轮获得的功率( k w ) sn t 为驱动轮的转速( r m i n ) 。 当功率一定时，作用在驱动轮上的转矩和驱动轮的转速成反比。驱动轮的驱 动特性通常用驱动轮上获得的驱动转矩与车速之间的函数关系来表示。 汽车车速，与驱动轮转速n i t 的关系式为： ，：3 6 0 0 2 t r 珥，- ：o 3 7 7 惕， 式( “2 - 3 ) 1 0 0 06 0，= 一一见，- = u j ，拧， n lj i j 驱动轮的驱动特性为： z ：3 6 0 0 竺， 式( 2 4 ) 式中，p 为驱动电机输出的功率；，7 为电动汽车机械传动系统的效率。 因此，当驱动轮获得的功率恒定不变时，电动汽车的行驶速度与驱动转矩成 反比，即汽车的行驶速度越高，驱动轮可获得的驱动转矩就越小。 2 ) 行驶阻力 汽车行驶时的总阻力为： f = e + 弓+ 巧+ 巧 式( 2 - 5 ) 式中，e 为空气阻力；e 为滚动阻力；曩为坡度阻力；弓为加速阻力。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) 行驶方程和驱动条件 汽车行驶方程是研究汽车动力性的基本依据。汽车行驶过程中，驱动力总是 与行驶阻力平衡，汽车的行驶方程为： 正= e + 弓+ 巧+ c 式( 2 6 ) 要使汽车在路面上行驶，必须使驱动力大于或等于行驶过程中所遇到的道路 阻力和空气阻力，但当驱动力增大到使驱动轮在地面上滑转时，增加驱动轮的转 矩只能使驱动轮加速滑转，因此驱动电机产生的最大转矩不能使驱动力大于附着 力乃。 在硬路面上，附着力与驱动轮对地面的法向力兄成反比，即= v z 缈， 其中伊为附着系数，轮胎为普通轮胎时，取附着系数9 = o m 8 。对前轮驱动的 汽车其附着力： 喝妒= 譬掣 式( 2 们 式中，b 为质心至前轴的距离；唿质心高。 所以，汽车能够行驶的驱动力e 必须大于行驶阻力但小于附着力，即汽车行 驶的驱动条件 e + 乃+ 互+ c 巧5 式( 2 - 8 ) 2 2 2电动汽车动力性能指标 电动汽车的动力性的评价指标与燃油车相同，主要由三个指标来评定：最高 车速、加速时间和最大爬坡度。 电动汽车行驶过程中的总阻力可用下式表示： f = m g c o s t t f + m g s i n