（车辆工程专业论文）电动汽车用永磁同步电动机驱动系统的模糊控制仿真.pdf

中文摘要 摘要 为了保护人类赖以生存的环境，汽车的绿色技术已成为当今世界的热门话题。 特别是当前石油资源面临枯竭，促使绿色汽车的开发研究成为世界汽车工业发展 的方向。电动机驱动系统是电动汽车的关键技术之一，解决这一关键技术具有重 要的意义。 本文对b j d 6 1 0 0 e v 电动汽车驱动系统进行模糊控制并仿真。建立电动汽车 动力学模型和永磁同步电动机的数学模型。根据其数学模型和电动汽车运行性能 要求，设计模糊控制器，建立仿真模型。对电动汽车用永磁同步电动机进行模糊 控制，根据电动机参数对电动汽车进行仿真。研究电动汽车驱动系统的性能，包 括电动汽车最大转矩转速输出能力、稳态运行能力、变车速及变路况的运行能力 等。 首先，分析研究电动汽车用动力蓄电池的放电特性，驱动电动机的机械特性， 建立电动汽车行驶动力学模型。 其次，分析电动汽车对驱动系统的技术要求和常见的控制方法。研究电动机 性能参数对电动机本身和对电动汽车性能的影响。 再次，以电动汽车行驶时的车速与电动机的转速之间的偏差e 以及偏差变化 率e c 作为系统的输入变量，以模糊p i d 控制器的 ，、 ，、 d 作为系统的输出 变量。对输入变量、输出变量模糊化，设置输入变量、输出变量的论域，确定输 入变量e 、e c 和输出变量 ，、 ，、 。的隶属函数。确定模糊控制规则，根据 m a m d a n i 模糊推理方法发计模糊p i d 控制器。 最后，建立电动汽车用永磁同步电动机仿真的数学模型模。根据数学模型， 在m a t l a b s i m u l i n k 下建立电动机模型和电动机测量模型。并建立逆变器、 d q 到a b e 转换器仿真模型和模糊p i d 控制器仿真模型。从而建立电动汽车驱动系 统仿真模型。对电动机的动、稳态特性和电动汽车在不同运行工况下的性能进行 了仿真，其中包括电动机的输出转速和转矩特性，电动汽车最大转矩转速输出能 力、稳态运行区域、变车速及变路况的运行特性等。从而验证该模糊控制系统下 永磁同步电动机所驱动的电动汽车性能。 关键词：电动汽车驱动系统永磁同步电动机模糊控制仿真 英文摘要 a b s t r a c t i no r d e rt o p r o t e c tt h ee n v i r o n m e n tt h a tt h e m a n k i n dr e l i e so n , n o w a d a y st h e a u t o m o t i v eg r e e n t e c h n i q u eh a sb e c o m et h e h o ti s s u eo ft h ew o r l d e s p e c i a l l yt h e c u r r e n tp e t r o l e u mr e s o u r c e sf a c et od r yu p ，s ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h e g r e e n a u t o m o b i l eh a sb e c o m et h em a i nd i r e c t i o no f t h ew o r l d t h em o t o rd r i v i n gs y s t e m i st h eo n eo ft h ea u t o m o t i v ek e yt e c h n i q u e s ，s oi t i s p r o f o u n dt o s o l v et h i s k e y t e c h n i q u e i nt h i sa r t i c l e ，t h e f u z z yc o n t r o la n ds i m u l a t i o nh a sb e e ns t u d i e db yt h ed r i v i n g s y s t e mo f t h ee l e c t r i c a lv e h i c l eb j d 6 1 0 0 一e v t h ed y n a m i c sm o d e lo ft h ee l e c t r i c a l v e h i c l ea n dt h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) a r ee s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt o t h em a t h e m a t i c sm o d e la n dt h ep e r f o r m a n c e r e q u e s t so ft h ee l e c t r i c a lv e h i c l e ，t h ef u z z yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d ，a n dt h es i m u l a t i o n m o d e li se s t a b l i s h e d t h ef u z z yc o n t r o lh a sb e e nd o n eb yt h ep m s mi nt h ee l e c t r i c a l v e h i c l e ，t h es i m u l a t i o nh a sb e e np u tu pb yt h e e l e c t r i c a lv e h i c l ea c c o r d i n gt ot h e p a r a m e t e ro ft h em o t o r t h ep e r f o r m a n c eo ft h ed r i v i n gs y s t e mi sv a l i d a t e di nt h e e l e c t r i c a lv e h i c l e ，i ti n c l u d e st h em a x i m u m t o r q u ea n dr o t a t es p e e do u t p u ta b i l i t y , t h e s t a b l yr u n n i n ga b i l i t y , a n dt h er u n n i n ga b i l i t ya tt h ed i f f e r e n ts p e e da n dt h ed i f f e r e n t w o r kc i r c u m s t a n c ee t c f i r s to fa l l ，t h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep o w e rb a t t e r yi sa n a l y z e di nt h e e l e c t r i c a lv e h i c l e ，t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co fd r i v i n gm o t o ra l s oi sa n a l y z e d t h e d y n a m i c sm o d e l o f t h ee l e c t r i c a lv e h i c l ei se s t a b l i s h e d s e c o n d l y , t h et e c h n i q u er e q u e s ta n d t h ef a m i l i a rc o n t r o lm e t h o da r er e s e a r c h e db y t h ed r i v i n gs y s t e mo ft h ee l e c t r i c a lv e h i c l e a n di ti sr e s e a r c h e dt h a th o wt oa f f e c tt h e p e r f o r m a n c e o ft h em o t o ra n dt h ee l e c t r i c a lv e h i c l e b y t h em o t o rp e r f o r m a n c e p a r a m e t e r t h e n ，t h es y s t e mi n p u tv a r i a b l ei st h ew a r peb e t w e e nt h es p e e do f t h ee l e c t r i c a l v e h i c l ea n dt h er o t a t es p e e do ft h em o t o ra n dt h ew a r pc h a n g i n gr a t ee c ，t h es y s t e m o u t p u tv a r i a b l ei st h e 碍、磁o f t h ef u z z y p i dc o n t r o l l e r t h ei n p u ta n do u t p u t v a r i a b l e sa r ec h a n g et ot h ef u z z yq u a n t i t y , t h es t a t e m e n tf i e l do ft h ei n p u ta n do u t p u t v a r i a b l e sa r es e tu p ，t h es u b j e c t i o nf u n c t i o no ft h ei n p u tv a r i a b l ee ，e ca n dt h a to ft h e o u t p u tv 撕a b l e s 以，弼a n d 磁a r e c o n f i 蛳e d t h ef u z z yc o n t r o lm l ei sc o n f i r m e d ， a n dt h ef u z z yl o g i c a l l yp i dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ef u z z yi l l a t i o nm e t h o d 重庆大学硕士学位论文 o tm a m d a n i f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nm a t h e m a t i c sm o d e l o ft h ep m s mi nt h ee l e c t d c a lv e h i c l ei s e s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt o t h em a t h e m a t i c sm o d e l ，t h em o t o rm o d e la n dt h em e a s u r e m o d e lo ft h em o t o ra r ee s t a b l i s h e di nm a t l a b s i m u l i n k a n dt h es i m u l a t i o n m o d e lo ft h ei n v e r t e r , a b et od qc o n v e r t e ra n dt h ef u z z yp i dc o n t r o l l e ra l es e tu p t h e n t h ed r i v i n gs y s t e ms i m u l a t i o nm o d e lo ft h ee l e c t r i c a lv e h i c l ei se s t a b l i s h e d ，a n di ti s s i m u l a t e dt h a tt h ed y n a m i ca n dt h es t a b l yr u n n i n go ft h em o t o rw h e nt h ee l e c t r i c a l v e h i c l er i ma tt h ed i f f e r e n tw o r kc i r c u m s t a n c e ，i n c l u d i n gt h eo u t p u tt o r q u ea n dr o t a t e s p e e d c h a r a c t e r i s t i c so ft h em o t o r ，t h em a x i m u mo u t p u tt o r q u ea b i l i t y , t h e s t a b l y r u n n i n gd i s t r i c t ，t h e d i f f e r e n t s p e e da n dt h e d i f f e r e n t r u n n i n g w o r kc i r c u m s t a n c e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r i c a lv e h i c l ee t c i no r d e rt ov a l i d a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h e e l e c t r i c a lv e h i c l ew h e nt h ed r i v i n gs y s t e mo ft h ep m s mi sc o n t r o ll e db yf u z z yl o g i c a l c o n t r 0 1s y s t e m k e y w o r d s ： e l e c t r i c a l v e h i c l e ，d r i v i n gs y s t e m ，p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r , f u z z yc o n t r o l ，s i m d a t i o n 1 绪论 1 绪论 1 i 研究背景及意义 汽车自1 8 8 6 年诞生以来，应用越来越广泛，技术不断发展，已经成为衡量一 个国家物质生活和科学技术发展水平的重要标志，汽车工业己经成为世界经济和 各国经济发展的支柱产业。汽车带给人们方便、快捷和舒适的现代生活的同时， 也带来了日益增多的交通安全问题、日趋严重的环境污染和潜在的能源危机。汽 车的发展时刻面临着安全、环保和节能三大主题。世界各国政府和科技工作者都 在探索新途径，一方面控制汽车污染物的排放降低油耗，世界各大汽车公司均积 极研发和应用排放新技术，如三元催化器、废气再循环、柴油机废气烟雾微粒过 滤装置等，另一方面推进各种汽车清洁技术的开发和应用，各种超低排放汽车不 断面世，如电动汽车、清洁燃料汽车等。电动汽车由于具有低排放甚至零排放、 低噪声和节能等优点，成为当今汽车研究、开发和推广应用的熟点之一f l 】。 现代电动汽车是融合了电力、电子、机械控制以及化工技术等多种高新技术 的综合产品，是2 l 世纪清洁有效的城市交通工具。它以电力为动力，可以解决石 油资源闩渐枯竭的问题。作为清洁、节能的新型交通工具，电动车具有无与伦比 的优势，是唯一可以做到“零排放”的车辆。它在行驶过程中没有污染，热辐射 低，噪音小，不消耗汽油，可应用多种能源，结构简单，使用维修方便，因此受 到世界各国的欢迎。 开发高性能、无污染的电动汽车得到各国政府、汽车制造商、科研院所的高 度重视，纷纷制定电动汽车研制计划，掀起全球范围内的电动汽车开发热潮。各 种电动汽车频频涌现，并迅速推上市场。 电动汽车的研制和开发对我国具有更为重要的意义。我国机动车排放引起的 环境污染日趋严重，极大地影响着人们的生活质量。我国是一个多煤少油的国家， 自1 9 9 4 年起，中国己成为纯石油进口国【2 j 。同时，电动汽车的发展可迅速缩短我 国与发达国家在重要工业支柱产业汽车工业的差距，并可带动一系列相关产 业和技术的发展。因此电动汽车的研究开发得到我国政府的高度重视。“八五”期 间，国家科委、计委分别组织了电动汽车开发及有关关键技术的攻关工作：“九五” 期间，国家科委又将电动汽车列为“九五”重大科技产业工程项目予以实旋，并 制订了电动汽车发展目标。 电动汽车的关键问题是一次充电续驶里程和价格，目前在车载蓄电池技术未能突 破的条件下，电动汽车的驱动系统是实现电动汽车基本性能和解决这一关键问题 重庆大学硕士学位论文 的重要因素。这要求电动汽车驱动系统应具有尽可能高的转矩密度、良好的转矩 控制能力、高的运行可靠性及在整个电动汽车调速范围内具有尽可能高的效率。 电动汽车这一驱动功能的实现涉及电动机、电力电子、微处理器、蓄电池等多学 科技术领域，是赶超世界汽车行业先进水平的关键。因此，对电动汽车驱动系统 的研究开发具有重要的社会意义和工程实际意义。 电动汽车的整体运行性能、经济效率等，首先取决于电动机驱动系统、控制 系统及电源系统。电动汽车的电动机驱动系统为电动汽车提供所需的动力，一般 由控制器、功率变换器、电动机、变速器与驱动轴等几个主要部分组成。高效率、 高性能的电动机驱动控制技术是其关键技术之一。驱动系统是电动汽车研究丌发 重点，驱动系统主要研究驱动电动机及其控制，并以电动机为中心展开，所用电 动机包括直流有刷电动机、交流感应电动机、开关磁阻电动机、无刷直流电动机 及永磁同步电动机。其一p 永磁同步电动机系统具有最高的效率、高的功率密度和 转矩密度、较好的弱磁扩速能力、较低的振动噪声等性能特点，具有电动汽车驱 动的最优综合指标【3 】。电动机与合理的控制策略相配合，才能得到良好的电动机驱 动性能，驱动系统的控制策略除通常的矢量控制及直接转矩控制外，还采用内模 控制 4 1 、自适应滑模控制【5 】、新型鲁棒性动态偏转矩控制( n o v e ld y n a m i cy a w - m o m e n t c o n t r 0 1 ) 6 1 、神经网络控制【7 l 和模糊控制等。因此系统地研究并开发出高水平的永磁 同步电动机驱动控制系统，对提高我国电动汽车驱动系统水平，对我国电动汽车 的实用化和产业化具有重要意义。 1 2 国内外电动汽车的研究概况 电动汽车是全部或部分由电能驱动电动机行驶，且满足道路安全法规要求的 车辆。与其他汽车相比最大的优点是污染小、噪声低、不依赖于石油资源，同时 具有更快更精确的转矩控制能力。电动汽车由随车的能源为电动机提供电能，电 动机在调速控制器的控制下，驱动传动轴、驱动桥，进而驱动车轮。电动汽车包 括纯电动汽车p e v ( p t i r ee l e c t r i cv e h i c l e ) 、混合动力电动汽车h e y ( h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e ) 和燃料电池汽车( f c e v ) ( f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ) 。 1 2 1 电动汽车的开发 电动汽车但以蓄电池为动力源，续驶里程较短，其一次充电续驶里程不能与 内燃机汽车次加油续驶里程相比，而且蓄电池充电时间较长。因此针对电动汽 车本身的弱点，应开发适应不同领域的电动汽车。 1 2 1 1 混合动力电动汽车( h e v ) 的开发 混合动力电动汽车是内燃机和电动机动力并存的电动汽车，它有串联动力型 2 1 绪论 ( s h v ) 、并联动力型( p t t v ) 及丰田动力型( t h s ) 三种形式，都具有极少的可控制的空 气污染，有相当的续驶里程，能够满足人们的环境要求及续驶里程要求【8 】。 1 9 9 3 年9 月美国总统克林顿与美国通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司总裁 共同提出了美国“新一代汽车合作伙伴计划”( 简称p n g v 计划) ，旨在开发新一 代高效节能汽车。迄今为止已开发出多种形式的混合动力电动汽车，如f o r d 公 司的p m d i g y 混合动力电动汽车，总质量减少了5 0 ，燃油经济性达到了 7 0 m p g ，d a i m l e r c h r y s l e r 公司的e s x 3 混合动力电动汽车，重量减少了4 6 ，燃油 经济性达到了7 2 m p g ，g m 公司的p r e c e p t 混合动力电动汽车总质量减少了4 5 ，性 能提高了3 5 ，燃油经济性达到了8 0 m p g 。p n g v 项目在h e v 性能仿真、汽车集 成动力模块等技术领域取得了显著成就。 在国内，在混合动力电动汽车动力系统的自动控制方面刚刚起步，包括控制 算法的研究和控制器的开发，还未有完整的系统。在混合动力混合方式和控制策 略研究、参数匹配方面的研究也刚刚起步，函待体系的完善。 1 2 1 2 微型电动汽车( m i n ie l e c t r i cc a l ) 的开发 交通数据及研究表明，城市载客汽车有8 2 的时间只乘载1 2 个乘客。为满 足乘客的短程往返需要和充分利用有限资源且满足买主的价格要求，微型电动汽 车成了继混合动力电动汽车后的又一开发热点。这种电动汽车一般为两人车，具 有较小的最高时速和续驶里程、很小的体积和重量、较低的价格，很适合发达国 家人们购物、娱乐、短程上下班乘车的要求。如日本尼桑公司生产的h y p e r m i n i e v 时速只有6 0 k m h ，续驶里程为1 3 0k m ，整车长2 5 m ：美国生产的e l e c t r i l i t e 电动 汽车长2 7 5n l ，最高时速4 0 k m h ，续驶里程为5 0 m i l e 3 5 k m h ，售价只有3 0 0 0 美元， z e b r a 生产m o d e lz 5 0 电动汽车和美国福特公司生产的f o r de c o s t o r 电动汽车也都 是两人乘客车。 1 2 1 3 城市公共交通电动汽车的开发 城市公共交通客车的往返行驶为电动汽车的实用运营提供了广阔的前景，电 动汽车的短续驶里程缺陷在城市公共交通领域己不成问题。美国s a n t ab a r b a r a 市 早在1 9 9 6 年己有全美最大的电动公共客车运营业务，共有1 4 辆电动公共客车在 线行驶；美国田纳西州c h a t t a n o o g a 市的a v s 汽车制造股份有艰公司承造的2 2 辆电 动公共客车早己向全球征订定单，美国纽约市也将有混合动力大客车行驶在街道 上。我国开发制造的电动汽车也主要用于公共交通，如远望公司制造的y w 6 1 2 0 d d 大型电动客车，湖：i t , - - 汽所研究的e q 6 6 9 0 电动客车、清华大学开发的e v 6 5 8 0 轻 型电动客车和华南理工大学的e v 6 6 3 0 电动轻型客车等。 1 2 1 4 电动货车及轻型卡车( p i c k u pt r u c k ) 的开发 电动货车及轻型卡车是电动汽车开发的又一热点，它满足于短程运输及较小 重庆大学硕士学位论文 范围的货物搬运，在发达国家有较大的开发和使用市场。如c h r y s l e r 公司制造的 e p i c 电动汽车( m i n iv a n ) ，e c o e l e t r i c 公司d e s e r tl i t h n i n g 轻型卡车，福特公司制造 的1 9 9 8f o r dr a n g e re v 轻型卡车及b a tb a t t e r ya u t o m a t e dt r a n s p o r t a t i o n 生产的 e r p 轻型卡车等。 表l 一1 部分电动汽车的有关性能指标 t a b l e1 1t h er e l e v a n tp a r a m e t e ri n d e xo f s o m ee l e c t r i c a lv e h i c l e 整备 电动机功率 最大电续驶 _ 厂商及型号质量 类型 ( k w ) 速度 电池充电 类型 压里程 方式 ( k g )( k m h )( v )( k m ) v r l 3 1 29 5 感应 a g m e v 11 3 5 0i m1 0 21 2 9 n i m 3 4 31 3 0感应 h 纯 f o r dv r l i m8 59 63 1 29 7感应 电 r a n g e re va 动 h o n d a e vn i m 1 6 2 0p m s m4 91 3 02 8 81 9 0 接触 汽 p l u sh t o y o t an i m 变 1 5 4 0p m s m5 01 2 52 8 82 0 0 接触 r a v 4 e vh n i s s a na l t r al i i o 1 7 3 0p m s m6 21 2 03 4 51 9 0感应 e vn r e n a u u 1 4 6 6d c m2 09 5n i c d1 1 48 0 接触 c l i o 1 _ o y o t ap m s mn i m 1 2 4 03 0 “31 6 02 8 8 混合p 砌u s i c eh 动力p m s mn j m 电动 h o n d a i n s i g h t 8 2 0l o ，5 21 1 4 & i c eh 汽车p mv r l d o d g ee s x 2 1 0 2 21 5 ，5 53 0 0 & j c ea 燃d a i m l e r - c h r y s l l m5 51 4 5f c3 3 04 5 0 料e r n e c a r5 电 f o r d2 0 0 0 h f c3 3 4 0i m6 71 2 8f c2 5 51 6 0 池 h o n d af c x v 3 7 5 0p m s m6 01 3 0 f c1 7 7 汽 车 g m e v l3 0 3 0l m1 0 0f c 3 0 0 注：1 ) 空格为内容不详：2 ) l m 一感应电动机，p m s m 一永磁同步电动机，d c m 一直流 电动机，i c e 内燃机；3 ) v r l a 一阀控铅酸电池，n i h m 一镍氢电池，l i - i o n 锂离子 电池，f c 燃料电池 4 1 绪论 1 2 2 电动汽车的发展现状 电动汽车起源于十九世纪中叶，其后产生了内燃机汽车，形成了电动汽车与 内燃机汽车并存的局面。二十世纪初，随着电动机汽车起动机的问世及其后内燃 机汽车性能的更加完善和改进，电动汽车由于其有限的续驶里程和较差的运行性 能而逐渐为内燃机汽车所代替，电动汽车的应用仅限于很少的领域，但对其的研 究开发并没有停止。特别是近来，人们赖以生存的城市空气污染日趋严重，同时 石油资源同趋枯竭，电动汽车的研究开发又在全世界范围内展开，并取得惊人的 成就。 电动汽车的发展需要解决两个关键技术，即能量存储系统和动力驱动系统。 能量存储系统包括蓄电池和能量管理系统，动力驱动系统包括驱动电动机和驱动 控制系统。自从电动汽车诞生以来，人们一直在不断地研究高能量密度的蓄电池、 准确高效的能量管理系统、性能优良的电动机和高效率的驱动控制系统。随着科 学技术的不断发展，在许多方面取得了显著的成就，表1 1 是目前已生产的部分电 动汽车的性能指标。 目前，电动汽车一次充电的行驶里程短、初始价格高、充电时间长是使用受 到限制的主要障碍。纯电动汽车续驶里程有限，但可以实现零排放，在特定区域 运行时有其自身优势。 现代电动汽车是融合电力、电子、机械、控制技术、材料科学以及化工技术 甚至航天技术等各种高新技术的综合产品。电动汽车的总体目标是生产出在性能 和价格上都能与燃油汽车媲美的适合于各种用途的交通工具。也就是说电动汽车 必须能提供现有燃油汽车所具有的动力性、安全性和无故障驾驶 9 1 。电动汽车将朝 着能源利用高效、安全舒适、操纵简便、结构合理、维护极少的方向发展。 1 8 3 7 年在苏格兰的阿泊丁，罗泊特戴维森( r o b e r td a v i d s o n ) 首次演示了电力 驱动f l “。1 8 8 1 年法国电气工程师古斯塔夫特鲁夫( g u s t a v et r o u v e ) 肯l j 作了一辆电 动三轮车，首次把可充电铅酸电池和直流电动机用于汽车，这是世界上最早的电 动汽车】。从2 0 世际6 0 年代到8 0 年代的这一段时间里，电动汽车经历了从开始 的直流驱动到先进高效的交流驱动的发展过程。2 0 世纪8 0 年代以来，由于人们对 日益严重的环境( 大气) 污染，能源短缺等问题引起了高度重视，以及现代电力电 子技术、微电子技术、电动机及其驱动技术和新材料技术的迅速发展，电动汽车 受到了世界各国的普遍关注。9 0 年代以来，环境污染和能源危机的加剧直接导致 了电动汽车发展的新高潮，一方面，美国、日本、德国、法国等发达国家，都投 入大量的人力、物力研究开发电动汽车，另一方面，许多国家和地区出台了越来 越严格的汽车尾气排放标准、政策法规，鼓励使用电动汽车。 我国也是研制电动汽车技术较早的国家，上个世纪2 0 年代在上海就出现了蓄 重庆大学硕士学位论文 电池车，直到本世纪7 0 年代末，由于诸多原因未能坚持下来。进入8 0 年代，随 着囤民经济的飞速发展，意识到汽车带来的环境污染的严重性和潜在的能源危机， 我国的电动汽车研究便丌始起步。1 9 9 1 年和1 9 9 5 年电动汽车技术项目先后列入国 家“八五”和“九五”重大科技攻关计划，在“十五”国家8 6 3 计划中，科技部 特别设立了电动汽车重大专项【1 2 】。现今电动汽车的丌发、研究势头也越来越高， 国家在资金和政策上给予支持，己进入有组织、有领导的全面研究_ 丌发阶段。其 中以电动客车为主，并具有一定的水平。如清华大学的e v 6 5 8 0 中型电动客车，最 高时速达8 0 k m h ，续驶里程为1 2 0 k m ( 4 0 k m a 恒速) ；远望电动大客车y w 6 1 2 0 d d 最大时速达9 0 k m h ，续驶里程达1 5 0 k m ，最大爬坡度为0 0 8 ，加速时间为 2 0 s ( 0 4 0 k m ，h ) ；郑州华联制造的z k 6 8 2 0 h g 1 电动轻型客车最高时速为9 5 k r r d h ， 续驶里程为9 0 k m ，爬坡度为0 2 1 ；河北长安胜利汽车股份有限公司生产的 s l 6 7 0 0 d d 电动客车时速为8 0 k m h ，满载续驶里程为8 0k m ，加速时间为2 5 s ( 0 8 0 k m m ) ，1 5s ( 0 5 0 k m h ) ；上海科峰电动小巴( 6 座) 最高时速为8 0 k m h ，续驶 里程达1 2 0 k m ，爬坡度为0 2 2 。 可以看出，同国外电动汽车水平相比，我国尽管有一定的差距，但远小于内 燃机汽车的差距。国外电动汽车主要是轿车，而国内主要是客车，其原因可能是 现阶段国内外得汽车产业结构和消费结构的差异构成的。发展各种类型的电动城 市客车、电动短途客车和各种电动出租车，是当前我国电动汽车的主要发展方向。 1 3 电动汽车驱动系统的研究概况 目前，围绕电动汽车的续驶里程、性能、使用寿命、方便舒适性，世界各国 进行了大量的研究工作，主要基于电动汽车能量管理技术、整车控制技术、驱动 技术、蓄电池制造检测及充电技术、车体技术等。能量管理技术主要包括电动汽 车的集中能量管理系统【1 3 】及二次能量管理单元( s e s u ) ”。整车控制技术主要包括 能够考虑电动汽车的负载特性并充分利用电动汽车转矩快速精确控制特性而引出 的电动汽车的新型控制策略【l 1 。车体技术主要包括车体的优化设计、车底盘的设 计及空间利用的优化设计等【16 】。蓄电池技术包括电动汽车用新型蓄电池的研究开 发f 1 7 】、蓄电池质量的检n t l 们。充电技术则围绕蓄电池的快速安全充电【2 0 川而展 开。目前，电池技术未得突破的背景下，电动机驱动技术是电动汽车技术的主要 热点，目的是提高电动汽车的驱动性能、续驶里程以及行驶方便性、可靠性等。 驱动技术以驱动电动机为中心，辅以各种新型控制技术而展开。 1 3 1 电动汽车驱动系统研究 驱动系统是电动汽车研究和开发的重点，按驱动电动机个数分为单电动机系 6 1 绪论 统及多电动机系统。对多数公路行驶场合，单电动机配合减速器和差速器驱动车 轮是电动汽车驱动的普遍选择。国内几乎所有电动汽车及国外除电动轿车外的其 他电动汽车大都为单电动机驱动。而驱动系统研究的重点是各种类型的驱动电动 机及其控制系统，并以电动机为中心展开，所用电动机包括直流有刷电动机、交 流感应电动机、开关磁阻电动机、无刷直流电动机及永磁同步电动机。 1 3 1 1 直流有刷电动机( d c m l 可以是电励磁或永磁，采用斩波器控制，控制简单、技术成熟，但由于存在 电刷和换向器，使其高速性能及运行可靠性受到影响。目前在电动汽车上的应用 正趋于减少，这方面的研究也己经很少，但仍有一些电动汽车采用有刷直流电动 机驱动系统。如日本东京大学的u o t 电动汽车采用直流串励电动机，意大利菲亚 特公司的9 0 0 e e 2 电动汽车用直流它励电动机驱动，日本马自达汽车公司的 b a n g o 电动汽车则采用直流并励电动机。 1 3 1 2 感应电动机( i m ) 美国制造的电动汽车普遍采用感应电动机驱动，如通用汽车公司生产的 i m p a c t 和e v l 电动汽车等。国内也大多采用感应电动机作为电动汽车驱动电动 机，如胜利s l 6 7 0 0 d d 电动客车，郑州华联z k 6 8 2 0 h g 一1 电动轻型客车等。其结 构简单、可靠性高，但控制复杂，易受其参数及负载变化的影口向。电动汽车用感 应电动机系统的研究主要涉及其控制方面，主要采用矢量控制，目前也涉及到模 糊逻辑控制捌 2 3 1 、具有串联铁耗模型的矢量控制及最大效率控制等 2 5 l 。 1 3 1 3 开关磁阻电动机( s r m l 结构及控制简单、出力大，但电动机噪声高，转矩脉动严重，在电动汽车驱 动系统中有利有弊，目前在电动汽车方面的应用较少。重庆电动机厂生产过电动 轿车专用开关磁阻电动机，而华中理工大学也正致力于电动汽车用开关磁阻电动 机的开发。 1 3 1 4 无刷直流电动机( b d c m ) 具有转矩、功率密度大的优点，因此在各国电动汽车驱动中都有所应用。在 国内，b d c m 驱动的电动汽车较多，如清华e v 6 5 8 0 电动汽车，深圳明华复合电 动中巴等。b d c m 的研究重点在于其位置检测、换向、及其控制主要表现在换 向逻辑的分析和确定 2 6 】、脉动转矩的削弱田l 、无位置传躲系统 2 8 - - 3 1 l 、新型控制策 略。控制策略的研究包括变结构控制、模糊p i d 控制口2 】及各种全局优化方法与模 糊控制相结合的控制方法，用于一般伺服驱动的计算机仿真等。 1 3 1 5 永磁同步电动机( p m s m ) 因其良好的性能得到国内外电动汽车界的广泛重视，并己在日本得到了普遍 应用，日本新研制的电动汽车大都采用永磁同步电动机驱动。在国内，在电动汽 重庆大学硕士学位论文 车方面的应用与研究较少。 为更好地适应电动汽车的驱动要求，众多学者还致力于混合励磁电动机及双 转子电动机的研究开发。如b r i a nj c ，等研究的永磁及磁阻混合励磁同步电动机， m z i z u rr 等提出的永磁及磁滞混合励磁的同步电动机【3 引，k a t s u n o r in 等研究的永 磁和电励磁混合励磁的同步电动机，北京理工大学则采用电励磁和永磁混合励磁 的有刷直流电动机。为实现单电动机双轮驱动要求，出现轴向和径向磁场双转子 电动机的研究。驱动控制系统应能根据车辆的运行要求做出迅速反应，有智能控 制作用，又要有进行故障诊断及各种保护的功能，还要对外界、车内具有抗电磁 干扰的功能。 1 3 2 电动汽车驱动系统研究现状 直流电动机和交流电动机在电动汽车上都有应用。由于直流电动机结构简单， 具有优良的电磁转矩控制特性，它是最早用于电动车上的电动机。因交流电动机 具有体积小、结构简单、比功率大、重量轻、可控性好、加速性能好、效率商、 使用维护便利等优点，交流驱动系统在电动汽车中也开始使用，特别是随着交流 电动机控制技术以及大功率电子器件的发展，九十年代以来交流驱动系统在电动 汽车上的应用逐渐增多 9 , 3 4 3 5 1 。从世界各国来看，电动机驱动系统的研究开发，大 体上形成了两大主流倾向，一是以美、欧为主的感应电动机派，二是以r 本为主 的永磁同步电动机派。两种类型的电动机各有优点，感应电动机牢固，便宜、噪 声小、技术成熟，而永磁同步电动机体积较小、重量较轻、效率较高，而且低速 大功率时最明显l j 。 为使电动机满足性能要求，减轻重量，降低研制费用，缩短开发周期，在设 计时运用优化设计1 3 7 q 9 l 矛有限元计算4 川等现代设计方法，并开发了许多模拟软件， 进行仿真研究f 4 卜4 ”。与此同时，开发了一些新结构的电动机，如轴向磁场式永磁 无刷电动机，结构紧凑，可以减轻电动汽车的自重；反向双转予电动机( a d t r ) ， 分为感应式和永磁同步式，在无差速器时可实现车轮的转矩分配，此时只需一个 逆变器就可达到无差速器传动的目的。 永磁同步电动机的高效、高控制精度、低振动噪声、通过合理设计转子磁路 结构所能达到的较高的弱磁性及磁阻转矩的可利用性，使其在电动汽车特别是高 档电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，无论在电动机本体还是其控制上，都 取得了很大的成就。这些研究主要表现在不同应用场合逆变器供电永磁同步电动 机的极数选择1 4 5 ，外转子直接驱动永磁同步电动机减少转矩脉动的磁极形状优化， 考虑饱和影响电动汽车用内置永磁同步电动机参数模型的建立和分析：大多则对 永磁同步电动机的功率特性、弱磁能力进行分析【4 “。在控制上，除通常的矢量控 1 绪论 制及直接转矩控制外，还采用内模控制【4 1 、自适应滑模控制【5 】、新型鲁棒性动态偏 转矩控伟r j ( n o v e ld y n a m i cy a w m o m e n tc o n t r 0 1 ) 1 6 及神经网络控制1 7 】等，笔者采用模糊 控制。 良好的电动机与合理的控制策略相配合，才能得到良好的电动机驱动性能。 在保证电动机最高转速的前提下，降低永磁同步电动机的转折转速有利于降低电 动机的功率等级。实际上，降低电动机的转折转速，即扩大电动机的弱磁调速范 围，有助于提高电动机的低速转矩，这对低速大转矩高速小转矩的电动汽车驱动 具有特别重要的意义。它可在保证电动汽车驱动性能的前提下，降低逆变器及蓄 电池容量，从而降低电动汽车的制造成本，或在逆变器及蓄电池容量保持不变的 条件下，提高电动汽车性能( 起动加速能力、低速爬坡能力及续驶里程) 。针对一般 伺服驱动永磁同步电动机弱磁扩速的分析，对电动汽车驱动同样有意义| 4 。实际 上，为满足电动汽车不同程度要求的低速爬坡、快速起动和加速性能，需不同大 小的电动机馈电电流。结合电动汽车驱动电动机的运行实际，在几组大电流供电 时电动机的功率转速特性曲线，提供了电动汽车用永磁同步电动机的设计参数。 永磁同步电动机参数不同，电动机具有不同的高低速驱动能力，对电动汽车 的续驶里程有重要影响，应根据电动汽车的不同应用目的和场合，合理选择驱动 电动机参数。计算机数字仿真对驱动系统的设计、制造及调试具有重要意义。永 磁同步电动机用于一般伺服驱动系统的计算机数字仿真已有较多研究1 4 1 4 8 1 , 但用 于电动汽车驱动的永磁同步电动机的研究并不多。为验证电动机及其控制系统的 运行特性，应对电动汽车永磁同步电动机驱动系统进行仿真。 9 重庆大学硕士学位论文 1 4 本文的研究目的和主要内容 为了保护人类赖以生存的环境，汽车的绿色技术已成为当今世界的热门话题。 特别是当前石油资源面临枯竭，促使绿色汽车的开发研究成为世界汽车发展的主 流。电动机驱动系统是电动汽车的关键技术之一，解决这一关键技术意义深远。 本文对b j d 6 10 0 e v 电动汽车驱动系统进行模糊控制并仿真。建立电动汽车 动力学模型和永磁同步电动机的数学模型。根据其数学模型、电动汽车的行驶动 力学模型、蓄电池的放电特性、永磁同步电动机的机械特性和电动汽车用电动机 的运行性能要求，设计模糊控制器，建立仿真模型。对电动汽车用永磁同步电动 机进行模糊控制，根据电动机参数对电动汽车进行仿真。验证电动汽车驱动系统 的性能，包括电动汽车最大转矩转速输出能力、稳态运行能力、变车速及变路况 的运行能力等。主要包括以下几个部分： 第一部分，分析本课题的研究背景及意义，国内外电动汽车的研究概况，电 动汽车驱动系统的研究及其研究现状。 第二部分，分析研究电动汽车用电动机的运行要求，电动汽车用动力蓄电池 的放电特性，驱动电动机的机械特性，建立电动汽车行驶动力学模型，为其控制 系统的研究打下基础。 第三部分，分析电动汽车对驱动系统的技术要求，电动机控制规律和常见的 控制方法。研究电动机性能参数对电动机本身和对电动汽车性能的影响，从而确 定电动汽车驱动电动机的性能参数。 第四部分，以电动汽车行驶时的车速与电动机的转速之间的偏差e 以及偏差 变化率e c 作为系统的输入变量，以模糊p i d 控制器的 ，、五，、 。作为系统的输 出变量，计算出永磁同步电动机的交轴给定电流i t 0 ，以实现电动汽车驱动系统的 模糊控制。对输入变量、输出变量模糊化，设置输入变量、输出变量的论域，确 定输入变量e 、e c 和输出变量 p 、 ，、 d 的隶属函