（电机与电器专业论文）混合动力车用驱动电机矢量控制系统研究.pdf

混合动力车用驱动电机矢量控制系统研究 s t u d yo nv e c m rc o n t r o ls y s t e mo fa c d r i v em o t o rf o rh e v a b s t r a c t a san o v e lt e c h n o l o g yo fa u t o m o t i v ei n d u s t r y ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l ef f m v ) ，w h i c h c a nr e d u c ea u t o m o b i l ee x h a u s ta n df i l e lc o n s u m p t i o na n do p t i m i z ee n e r g ys t r u c t u r e ，h a sa w i d e l yf o r e g r o u n da n db e c o m e saf o c u si n c r e a s i n g l y d r i v em o t o ra n d i t sc o n t r o ls y s t e ma r e t h ec o r eo f 髓v t h e yd e c i d em o s t l yo nv e h i c l e sd y n a m i cb c h a v i o u r s oi th a st h e o r e t i c a l a n dp r a c t i c a lv a l u et os t u d yo nt h e m m s p a p e rs t u d i e st h ec o n t r o ls y s t e mo fa cd r i v em o t o ru s e df o r 唧1 1 1 es y s t e m a d o p t sf i e l do r i e n t a t e dc o n t r o lt t o c ) s t r a t e g yw i t hh i g hp e r f o r m a n c ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) a sac o r e a n da na cd r i v em o t o rc o n t r o l l e rb a s e do nd s p i sd e v e l o p e d n l e m a i nt a s k sa l ei n c l u d e di n t h ep a p e ra sf o l l o w s ： f i r s t l y t h ep a p e ra n a l y z e st h ed e v e l o p m e n to f 砸v a th o m ea n da b r o a da n dc a r r i e so n c o m p a r a t i o no fs e v e r a ld r i v em o t o r s a ci n d u c t i o nm o t o ri sc h o o s e df o r 腼va n df o c t e c h n o l o g yi sp r o p o s e dt od e v e l o pt h ep r o j e c ta c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n t so fm v d r i v e r s e c o n d l y , w i t ht h ed y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo fa s y n c h r o n o u sm o t o r , t h ep a p e rs e t s u pac u r r e n tm o d e lt oc a l c u l a t er o t o rf l u xp o s i t i o nt od e c o u p l ec o m p o n e n t sb e t w e e nt o r q u e a n dm a g n e t i cf i e l do fs t a t o rw i n d i n gc u r r e n t n es t r u c t u r ed i a g r a mo fv e c t o rc o n t r o ls y s t e m o fh e vd r i v em o t o ri sg i v e nc o m b i n i n gv e c t o rc o n t r o lt h e o r yw i t hs v p mt e c h n i q u e l a s t l y ，am a i nc i r c u i ti sd e s i g n e da i m i n ga ta5 k wa ci n d u c t i o nm o t o r ms y s t e m c o n t r o lc i r c u i t sa r ed e s i g n e da r o u n dt 】m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pa n dm a d eu po fc u r r e n t ，v o l t a g e ， s p e e de t ed e t e c t i o nm o d u l e sa n dc a n c o m m u n i c a t i o nm o d u l e 叨赡s o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n b ya s s e m b l yl a n g u a g ei sd e b u g g e do nt h ec c s 2 ) ep l a t f o r m af u l l yd i g i t a lc o n t r o ls y s t e m i sr e a l i z e do nh e vd r i v em o t o r 田1 ed e b u g g i n gr e s u l t so fm o t o r sr e a lo p e r a t i o na r eg i v e n a n da n a l y z e di n t h ee n do ft h ep a p e r m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i sc o n t r o ls y s t e mh a sh a r a c t e r i s t i c so ff a s tr e s p o n s e ， e f f i c i e n tv o l t a g eu t i l i z a t i o na n df i n ed y n a m i cb e h a v i o u r i tc a l lm e e tt h ed y n a m i ca n ds t a t i c r e q u i r e m e n t so fh e v d r i v em o t o r i tc o n f i r m sp r a c t i c a lv a l u eo fa p p l i c a t i o no nl o w - c o s ta n d h i g h - p e r f o r m a n c ed r i v em t o rc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：h e v ；d i r v em o t o r ；v e c t o rc o n t r o l ；d s p 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期：互翌星：笪：羔 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 壶! 鱼 聊躲盔煎呜 五监年月上日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1课题研究的理论意义和应用价值 随着世界人口的增加和生活水平的提高，人类对能源的需求日益加速，对生存环境 的要求越来越高。汽车行业不仅面临着环境公害的挑战，同时也面临着能源供应日趋紧 张的矛盾。因此开发新的替代能源、提高热能转换率和节约能源被认为是解决或缓解环 境污染和保障能源供给的有效方法。在汽车行业，由于电动汽车具有保护环境，能源供 给多样化的突出优势，使得电动汽车的开发和研究成为各国开发绿色汽车的主流。电动 汽车可分为蓄电池电动汽车( b a t t e r yp o w e r e de l e c t r i cv e h i c l e ) 、燃料电池汽车口u e lc e l l e l e c t r i cv e h i c l e ) 和混合动力电动汽车( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) = 类。由于蓄电池电动汽车 受到行驶里程和充电基础设施及其速率等的制约，仍然无法替代传统的燃油汽车。而燃 料电池车价格昂贵，研制费用高，加上还没有廉价的制氢技术，因此目前还难以实用。 综合考虑汽车环保和节能的需要，混合动力电动汽车被认为是一种更现实的选择。 驱动电机控制系统包括电动机、逆变器和电子控制器，它不仅是h e v 驱动系统的 核心，也是现代电动车的关键技术，其性能的优劣很大程度上决定了车辆的动态性能， 只有研发出先进的驱动电机控制系统才能够有效促进电动车的动力性、经济性、安全性、 舒适性和可靠性等性能的提高，增加电动车相对燃油车辆的可比性。驱动电机控制系统 需要根据不同的电机选择不同的控制方案。交流异步电机机具有结构简单、坚固、价廉、 维护方便和功率密度高等突出优点。异步电机作为可逆电机，既能用于电动驱动，又能 用于发电运行。这种采用电力电子装置与异步电机结合的系统应能满足能量传递的双向 控制，对提高电动汽车的续驶里程，动力系统的动态性能和新型启动发电一体化电机的 发展有着重要的意义。 本课题研究的内容来源于长春一汽混合动力客车项目，该项目对驱动电机控制系统 的要求为：高效率、高功率密度、宽调速范围、响应速度快以及高可靠性。本文在比较 了h e v 常用的几种驱动电机之后，采用交流异步电机作为驱动电机。并且由于交流异 步电机变频调速技术具有优异的起动和调速性能、高效率、高功率因数和节能效果，以 此本课题开发出一种基于d s p 的空间矢量控制系统，控制交流异步电机作为混合动力 汽车的驱动设备之一，满足其控制系统对动态性能和静态性能的要求。开发出成本低、 性能稳定的驱动电机控制系统对降低混合动力电动汽车的总体成本具有一定的优势，对 增加车辆运行的可靠性具有实用价值。 混合动力车用驱动电机矢量控制系统研究 1 2 混合动力电动汽车及其驱动电机控制系统的研究现状 混合动力电动汽车f f i e v ) 是指由燃油发动机和电动机的组合动力作为能源的汽车， 是介于内燃机汽车和电动汽车之间的一种车型，它是一种内燃机汽车向蓄电池电动汽车 “过渡 型的车辆，同时，也是一种“独立型车辆【1 1 。与纯电动汽车和燃油汽车相比， 混合动力电动汽车具有高性能、低能耗的特点以及技术、经济和环境等方面的综合优势。 混合动力电动汽车在起动和低速行驶时，可由电池提供动力，当超过一定速度后转由内 燃机驱动，在加速和高速行驶时，可由内燃机和电动机联合驱动，正常行驶或减速刹车 时，可对电池充电，故在正常情况下，混合动力电动汽车不需通过外部电源充电或只需 较短的外部充电时间。混合动力车辆基木上不改变现有的汽车产业结构，不改变现有能 源的体系，不改变用户对汽车的使用习惯，这也是它能够迅速实现产业化的重要因素。 h e v 将存在一个较长的历史时期，并且在本世纪的运载车辆中占有重要的地位【2 j 。混合 动力电动车的研究几乎与其他两种类型的电动车同时起步，多个国家和地区都有自己的 开发计划。 1 2 1国内外混合动力电动汽车的研究现状 ( 1 _ ) 日本。日本政府出于对能源危机和环境保护的关注及占领未来世界汽车市场的考 虑，十分重视电动汽车的研发，特别是在开发混合动力电动汽车方面遥遥领先。近几年 来，日本政府先后实施了低公害车开发普及行动计划、j h f c 示范工程和专项研究计划 等。在1 9 9 7 年日木就率先进入混合动力汽车商业生产，现在技术已经完全成熟，进入 大批量生产，产销量逐年增加，现在混合动力汽车已经开始成为发展的主流【4 j 。 目前，世界上能够批量产销混合动力汽车的企业，只有日本的丰田和本田两家汽车 公司。1 9 9 7 年1 2 月，丰田汽车公司首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 。该轿车现在已经在全世界2 0 多个国家上市销售。目前推出的产 品已经是多次改进后的第二代产品，其生产工艺更为成熟。丰田的第三代p r i u s 也将 将于2 0 0 9 年上市。p r i u s 车型是目前为止市场上卖的最好，而且是销路最广的混合动 力车型。有关统计数据显示，丰田汽车公司已占有全球混合动力汽车市场9 0 的份额。 继p r i u s 混合动力轿车之后，丰田汽车公司还推出了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i 丰田汽车公司在普及混合动力系统的低燃耗、低排 放和改进行驶性能方面已经走在了世界的前列。此外，本田汽车公司开发的i n s i g h t 混合 动力电动汽车也已投放市场，供不应求。2 0 0 2 年4 月，本田汽车公司在美国市场上投放 了c i v i c 混合动力汽车，该车采用了并联模式，在发动机与变速箱之间加入了电动发电 大连理工大学硕士学位论文 机【l l 】。日产汽车公司也于2 0 0 6 年向美国市场销售了a l t i m a 牌混合动力汽车，这是其于 2 0 0 2 年与丰田汽车公司签署联合生产混合动力汽车协议的第一个产品l 儿。 ( 2 ) 美国。上世纪9 0 年代开始，美国加强了政府和企业之间的技术合作与联合并以 混合动力电动汽车为重点对象，由能源部牵头，包括运输部和国防部，斥巨资组织各大 汽车公司和有关部门积极开展混合动力电动汽车的研究工作。美国能源部与三大汽车公 司于1 9 9 3 年签订了混合动力电动汽车开发合同，进行为期5 年的研制开发工作，并于 1 9 9 8 年北美国际汽车展上展出了样车。在此基础上，现已推出三款混合动力概念车g m p r e c e p t 、f o r dp r o d i g y 、d a i m l e rc h r y s l e rd o d g ee s x 3 。虽然三家公司都完成了与政府的 合作计划，并获得了“新一代汽车合作伙伴计划 ( 简称p n g v 计划) 的资金补助，但是 在产业化方面比来自日本的同行逊色不少，三大汽车公司仅仅小批量生产、销售过纯电 动汽车，而混合动力和燃料电池电动汽车目前还未能实现产业化，来自日本的混合动力 电动汽车在美国市场上占据了主导地位l l j 。 ( 3 ) 欧洲。欧洲各国也正在积极进行混合动力电动汽车的开发、研制及推广方面的工 作。欧洲各大汽车厂商已经开始争先恐后地推出本公司研制的混合动力汽车，如法国 p s a 集团先后推出了贝灵格型和x s a r a 型混合动力汽车，雷诺汽车公司2 0 0 3 年已经上 市的k a n g o o 混合动力卡车，甚至德国的西门子和博世( b o s c h ) 等著名零部件公司也积 极与大汽车公司联手开发混合动力汽车技术。瑞典沃尔沃公司也开发出基于沃尔沃f l 6 卡车改装的混合动力电动汽车，最高时速可达9 0 k m 。德国己有几十辆混合动力大客车 在斯图加特和威塞尔市运行。德国公司生产的并联式混合动力电动车d u o 己小批量生 产。德国汽车工业准备实施新的排放标准和节能要求，将不允许百公里油耗超过5 升的 轿车上路，这也促使人们更多地把希望寄托在混合动力汽车上。 最近欧洲六大汽车公司联合就混合动力汽车技术进行了研讨和综合评述，认为其技 术成果有望使混合动力汽车的成本接近于传统汽车，使用户买得起，生产厂商也有利可 图。专家普遍评价混合动力汽车是世纪初汽车产业界的一场革命，只有混合动力汽车才 能满足世纪之初对汽车的环保与节能要求【5 】。 ( 4 ) 中国。与世界其他国家一样，电动汽车研发工作在我国也正在如火如荼的进行着。 “十五 期间，国家从维护我国能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争力、实现 我国汽车工业的跨越式发展的战略高度考虑，设立“电动汽车重大科技专项，通过组 织企业、高等院校和科研机构，集中国家、地方、企业、高校、科研院所等方面的力量 进行联合攻关。为此，从2 0 0 1 年1 0 月启动电动汽车重大科技专项以来，我国以燃料电 池、混合动力和纯电动汽车为“三纵”，多能源动力总成控制、驱动电机和动力蓄电池 为“三横”，形成了“三纵三横 的开发格局，国家共计拨款8 8 亿元作为这一重大科 混合动力车用驱动电机矢量控制系统研究 技专项的经费。目前看，该格局已经初步显成果。在纯电动、混合动力和燃料电池汽车 的整车集成技术、动力系统集成技术以及动力总成关键零部件技术方面取得重要技术突 破，同时也在专利战略和技术标准平台建设方面为自主知识产权新能源汽车产业化奠定 了良好的基础。继“十五”电动汽车重大专项之后，科技部又启动了“十一五”节能与 新能源汽车重大项目，预计投入会更多。预计“十一五”末期国内的混合动力汽车形成 产业化，到“十二五 出现产业化的高潮【6 j 。 目前我国各大汽车集团都在进行混合动力电动汽车研发，多数以混合动力电动客车 为主，这种研发方向符合我国国情，有利于我国电动汽车的研究发展，一汽、东风、长 安、奇瑞等汽车公司对此都投入了较大的人力、物力。各车型均已完成功能样车开发。 2 0 0 3 年11 月8 日，湖北省启动武汉电动汽车试验示范运行工作，先后投入6 辆由东风 电动车辆股份有限公司研制的混合动力客车，已累计运行1 4 万k m ，载客1 5 万人次； 混合动力轿车按e c e 城市工况与基本车型进行的对比试验显示，其燃料经济性提高4 0 左右，达到了节油的目的。长安汽车公司采用同轴i s g 轻度混合方案，成功开发了第二 轮功能样车和第三轮性能样车，并在国内率先开展了混合动力专用发动机开发。经过国 家检测机构测试，动力性能接近参考车的水平，综合油耗降低接近1 7 ，排放达到欧 标准。 继2 0 0 7 年9 月东风电动车公司向武汉市公交集团交付首批3 0 辆混合动力公交车之 后，五年前刚刚以收购方式借道进入汽车行业的新锐深圳比亚迪股份有限公司，又 于l o 月1 0 日，在深圳发布了中国国内汽车厂商首款混合动力轿车叫6 d m ，另外比 亚迪铁电池暨新能源汽车f 6 双模电动汽车将于2 0 0 8 年推向市场。从电动汽车的发展前 景来看，预计我国的混合动力汽车市场将在2 0 0 7 - 2 0 1 0 年正式起步，2 0 1 0 年左右进入一 个快速增长期【6 j 。 1 2 2 驱动电机控制系统的研究现状 驱动电机控制系统是h e v 的心脏。驱动电机控制系统包括电动机、功率变换器和 控制器。它是电动汽车驱动系统的核心。混合动力电动汽车中电机有如下要求例： 恒功率输出和高功率密度： 有较高的瞬时功率和宽调速范围，在汽车起步和爬坡时具有低速高转矩输出特 性，在汽车高速行驶时具有高速低转矩特性，能够提供高转速满足汽车高速行驶及超 车的要求； 具有较大的转速范围足以覆盖恒转矩输出区和恒功率输出区； 大连理工大学硕士学位论文 转矩响应速度快，具有较强的过载能力，能够适应路面变化及频繁起动和刹车等 复杂运行工况； 在转矩转速特性的较宽范围内具有高效率； 在刹车时具有能量回馈制动功能，以提高电动汽车的续驶里程； 坚固可靠，能够在不同的工作条件下可靠的工作； 性价比高。 目前，许多先进的电动机驱动技术在高效率、高功率密度、有效的再生能量回馈、 坚固性、可靠性和免维护性等方面具有明显的优势。这些电机中，矢量控制的交流异步 电机最受欢迎，技术也最成熟，但它的缺点是在小负荷范围内效率低，因此解决了这个 问题更有利于其在混合动力电动车上的广泛应用。 目前国内的车用驱动电机系统已达到了小批量生产的水平，包括上述的各种类型电 机以及风冷、水冷等冷却形式，涵盖5 k w - 1 8 0 k w 功率范围。部分系统指标( 如比功率和 系统效率) 达到了国际先进水平。 系统中应用了矢量控制、直接转矩控制等控制方法，采用了i g b t 等全控型电力电 子器件，d s p 等先进的数字处理器，c a n 总线通讯模式等控制技术，对参数辨识，效 率优化，死区补偿等专门的问题开展了有针对性的研究，取得了卓有成效的成果，有一 大批车辆已在城市道路上进行示范运行【1 8 】。 ( 1 ) 目前车用驱动电机系统尚需提高的地方： 全运行范围内的转矩、转速控制精度，效率最优化； 系统可靠性及耐久性尚未充分验证，与行业标准还有一定差距； 电机与机电耦合装置、电机控制器的集成化和工程化开发； 关键材料( 如高性能硅钢片，绝缘材料) 和关键元器件( 如i g b t 模块，c p u 芯片) 仍依靠进口，限制了选择余地和成本降低； 尚未形成系统的、满足汽车工业标准的产品开发能力和驱动系统产品的供应链， 和t s16 9 4 9 质量体系标准还有一定差距旧。 ( 2 ) 今后仍需要重点研究的内容： 系统的集成化； 高性能电机控制策略，电机效率优化，系统热管理； 生产工艺性研究及质量管理体系； 系统失效模式分析，系统可靠性、耐久性预测与快速评估方法； 系统电磁兼容，环境适应性研究及试验验证，电机系统成本控制等。 混合动力车用驱动电机矢量控制系统研究 1 3 驱动电机控制系统的特性要求及方案选择 驱动电机控制系统是实现混合动力电动汽车调速和驾驶的关键部件，在很大程度上 决定了车辆的动态性能。由于控制系统的针对性比较强，需要根据不同的电机选用不同 的控制方案，而且对驱动电机性能具有特殊的要求，因此选择合适的电机和开发符合要 求的控制系统对降低h e v 的总体成本和提高其性能具有重要的意义。 1 3 1h e v 对驱动电机的特性要求 汽车行驶的特点是频繁地启动、加速、减速、停车等。在低速或爬坡时需要高转矩， 在高速行驶时需要低转矩。电动机的转速范围应能满足汽车从零到最大行驶速度的要 求，即要求电动机具有高的比功率和功率密度。电动汽车电动机应满足的特性要求可归 纳为如下1 0 个方面i l j ： ( 1 ) 高电压。在允许的范围内，尽可能采用高电压，可以减小电动机的尺寸和导线等 装备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。图1 1 为安装t h s ( t o y o t ah y b r i ds y s t e m ) 和t h si i 系统的丰田p r i u s 混合动力汽车采用的永磁同步交流电动机的功率转速、转 矩转速曲线。工作电压由t h s 的2 7 4 v 提高到t h s 的5 0 0 v ：在尺寸不变的条件下， 最高功率由3 3 k w 提高到5 0 k w ，最大转矩由3 5 0 n m 提高到4 0 0 n m 。可见，应用高 电压系统对汽车动力性能的提高极为有利。 薰 褥 冒 言 邑 囊 啦 转速，( r m i n - 1 )转速，( r m 对1 ) 图1 1 永磁同步交流电动机功率转速、转矩一转速曲线图 f i g 1 1p o w e r - s p e e da n dt o r q u e - s p e e dp r o f i l eo f p m s m ( 2 ) 转速高。电动汽车所采用的感应电动机的转速可以达到1 2 0 0 0 2 0 0 0 0 r r a i n ，高 转速下电动机的体积较小，质量较轻，有利于降低装车的装备质量。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 质量轻，体积小。电动机可通过采用铝合金外壳等途径降低电动机的质量，各种 控制装置和冷却系统的材料等也应尽可能选用轻质材料。电动汽车驱动电动机要求有高 的比功率( 电动机单位质量的输出功率) 和在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率， 以实现降低车重，延长续驶里程；而工业驱动电动机通常对比功率、效率及成本进行综 合考虑，在额定工作点附近对效率进行优化。 ( 4 ) 电动机应具有较大的启动转矩和较大范围的调速性能，以满足启动、加速、行驶、 减速、制动等所需的功率与转矩。电动机应具有自动调速功能，以减轻驾驶员的操纵强 度，提高驾驶的舒适性，并且能够达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应。 ( 5 ) 电动汽车驱动电动机需要有4 - - - 5 倍的过载，以满足短时加速行驶与最大爬坡度的 要求，而工业驱动电动机只要求有2 倍的过载就可以了。 ( 6 ) 电动汽车驱动电动机应具有高的可控性、稳态精度、动态性能，以满足多部电动 机协调运行，而工业驱动电动机只要求满足某一种特定的性能。 ( 7 ) 电动机应具有高效率、低损耗，并在车辆减速时，可进行制动能量回收。 ( 8 ) 电气系统安全性和控制系统的安全性应达到有关的标准和规定。电动汽车的各种 动力电池组和电动机的工作电压可以达到3 0 0 v 以上，因此必须装备高压保护设备以保 证安全。 ( 9 ) 能够在恶劣条件下可靠工作。电动机应具有高的可靠性、耐温和耐潮性，并且运 行时噪声低，能够在较恶劣的环境下长期工作。 ( 1 0 ) 结构简单，适合大批量生产，使用维修方便，价格便宜等。 1 3 2 驱动电机的研究与比较 适用于电力驱动的电动机可分为图1 2 所示的直流电动机( 将直流电能转换为机械 能的电动机) 和交流电动机( 将交流电能转换为机械能的电动机) 两大类。图中有阴影 的电动机类型表示已经被近代电动汽车采用嘲。 l 电动汽车的l l 驱动电动机j 直流电动机 交流电动机 掣唑型刨匿到鬯登 】囱囱囱囱囱 剖摩坐商甚_昏_4玎lu 氮 混合动力车用驱动电机矢量控制系统研究 目前在电动汽车上已应用的和有应用前景的有直流电动机、交流感应( 异步) 电动机、 永磁无刷电动机、开关磁阻电动机等。下面将对这几种电机做一比较 3 1 ： ( 1 ) 直流电动机 习惯上，我们把有换向器的直流电动机称为直流电动机，由于励磁绕组的磁场与电 枢绕组的磁场是垂直分布的，因而其控制原理非常简单。直流电机尽管存在控制简单的 特点，但由于存在电刷及机械换向器，不但限制了电机的过载能力与速度的进一步提高， 而且如果长期运行，势必需要经常维护电刷与换向器。另外，由于损耗存在于转子上， 使得散热困难，温升增高，限制了电机转矩重量比的进一步提高。国外c i t r o e n 公司生 产的s a x o 电动汽车采用了额定功率2 0 k w 的d c m ，印度的r e v a 公司生产的r e v ae v 电动汽车采用额定功率1 3 k w 的d c m 。国内的华南理工大学1 9 9 7 年研制的e v - 6 6 3 0 电 动轻型客车采用额定功率为2 6 k w 的d c m 。因为电动汽车的电机驱动对可靠性及免维 护的性能更为重视，所以无换向器的直流电动机更受人们青睐。 ( 2 ) 交流异步电动机 由于现代电子技术与电机控制技术的发展，以及交流异步电动机的低成本、高可靠 性及免维护等特性，因而在电动汽车驱动电机领域里，它是应用很广的一种无换向器电 动机。另外矢量控制的应用又使之具有了类似于直流电机的优良特性。因此，交流异步 电机在电动汽车中的应用愈来愈广泛。如美国g m 公司的e v ! 、c h e v r o l e t 公司生产的s 1 0 、 c h r y s l e r 公司的e p i c 、f o r d 公司生产的p 2 0 0 0 、v o l k s w a g e n 公司的g o l f i v 等等都采用 交流异步电机作为驱动电机。国内也有不少公司采用i m 作为电动汽车驱动电机，如远 望集团生产的y w 6 1 2 0 d d 电动汽车采用了额定功率为1 5 0 k w 的i m ，国防科技大学研 发的电动汽车也采用了i m 。不过，采用矢量控制的电动汽车交流异步电动机在轻载及 有限的恒功率工作区域内运行时效率较低。最近，有人提出了一种适用于电动汽车交流 异步电动机的最大效率优化控制方案，该方案可以大大提高轻载运行时的效率 2 2 】。另外， 人们还开发了一种用于电动汽车交流异步电动机的电极变换方案，该方案能有效地把恒 功率的转速范围提高到基速的四倍以上。 ( 3 ) 永磁无刷电动机 永磁无刷电机具有高的能量密度和效率，在电动汽车中具有极好的应用前景。永磁 无刷电机可以分为两类：一类是方波驱动的永磁无刷直流电机( b l d c m ) ，另一类是正弦 波驱动的永磁同步电机( p m s m ) 。永磁无刷直流电机具有转矩、功率密度大的优点，同 时还具有位置检测和控制方法简单、效率高的优点。因此在电动汽车驱动领域得到一定 程度的应用。在国内，有清华大学研发的e v 6 5 8 0 电动汽车，深圳明华生产的复合电动 大连理工大学硕士学位论文 中巴等采用b l d c m 。但是，b l d c m 存在一定程度的转矩脉动、振动噪声，控制精度 低，所以只能应用在有减速系统和车速要求不高的电动汽车驱动中。永磁同步电机具有 高效、高控制精度、高转矩密度、低噪声的特点，通过合理设计磁路结构能够获得较高 的弱磁性能，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，己经受到 国内外电动汽车界的高度重视，并在日本得到较为普遍的应用，日本新研制的电动汽车 大都采用p m s m 驱动j 。 ( 4 ) 开关磁阻电动机 开关磁阻电动机应用于电动汽车上具有很大的潜力。它基本上是由可变磁阻步进电 动机直接衍生而来。开关磁阻电动机具有结构简单，制造成本低廉，极高的转速，良好 的转矩转速特性等优点，适合于电动汽车驱动【1 2 1 。但由于其噪声大、转矩脉动严重， 因而目前应用开关磁阻电机的电动汽车仍然很少。国内的华中科技大学正致力于电动汽 车用开关磁阻电机的研发，二汽集团研制的e q 6 6 9 0 型电动汽车采用额定功率为3 0 k w 的s r m ，国外克劳瑞得公司“l u c a s 电动汽车也采用了s r m 作为驱动电机。 我们分别从功率密度、功率因数等1 2 个方面对上述几种电动机的性能进行比较， 如表1 1 所示。从表中可以看出感应电动机相对而言是最容易接受的。如果永磁无刷电 动机( 包括直流和交流) 的成本下降，其技术更加成熟时，这种电动机将是最受欢迎的。 由表中的综合比较，本课题采用感应电动机作为h e v 驱动电机。 表1 1 现代电动汽车所采用的电动机的性能比较【1 - 2 t a b 1 1 c o m p a r i s o no fd r i v em o t o r su s e df o rm o d e m e l e c t r i cv e h i c l e 淤兰： 直流电动机 交流感应永磁同步开关磁阻 比较性能电动机电动机电动机 功率密度低中高较高 功率因数( ) 8 2 8 5 9 0 9 3 6 0 6 5 转速范围( r m i n l ) 4 0 0 0 - 6 0 0 01 2 0 0 0 - - - 2 0 0 0 04 0 0 0 n 1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 峰值效率 8 5 8 99 4 9 59 5 9 78 5 9 0 效率( 1 0 负荷时) 8 0 8 77 9 一培59 0 9 27 8 8 6 过载能力( ) 2 0 03 0 0 - 5 0 03 0 03 0 0 5 0 0 恒功率区比例 1 ：5 1 ：2 2 5 1 ：3 控制操作性能最好好好好 可靠性一般好优良好 结构的坚固性差好一般优良 尺寸及质量大，重中，中小，轻小，轻 控制器成本低高一般高 混合动力车用驱动电机矢量控制系统研究 为了更好地适应电动汽车的驱动要求，众多学者还致力于许多特殊结构的电机开 发，如b r i a nj c 等提出的永磁磁阻混合同步电动机1 2 6 1 ；m z i z l 】rr 等提出的永磁磁滞混 合同步电机【2 7 j ：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机【3 0 】；另外还有 双转子电机、多级轴向磁场p m s m 、h a l b a e h 阵列p m s m ，些新型电机系统结构新颖， 各具特色，结构及控制复杂程度各异，但应用于电动汽车牵引传动的驱动效果及适用性 还有待于进一步的研究。香港大学研发的一辆四座电动汽车采用额定功率为4 5 k w 的混 合励磁永磁同步电机，北京理工大学2 0 0 1 年研制的混合励磁永磁同步电机系统驱动的 电动客车，电机的额定功率为7 5 k w 3 1 1 。 1 3 3 矢量控制系统及方案选择 上世纪7 0 年代西德f b l a s c h k e 等人首先提出矢量控制( f o c ) 理论，由此开创了交流 电动机等效直流电动机控制的先河。矢量控制也称为磁场定向控制，它着眼于电机磁场 的直接控制。其主要思想是将异步电动机模拟成直流电动机，通过坐标变换的方法分解 定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，实现正交或解耦控制，从而获得与直流电动 机一样良好的动态调速特性。因为这种方法采用了坐标变换，所以对控制器的运算速度、 处理能力等性能要求较高。但在实际上矢量控制运算及转子磁链估计中要使用电动机参 数，其控制的精确性受到参数变化的影响，所以精确的矢量控制系统要对电动机的参数 进行估计。这种控制方式需要解耦计算和坐标旋转变换，计算量较大，实现起来困难。 在矢量控制系统中，给定量要从直流变为交流，而反馈量要从交流变为直流再加上转子 磁链模型、转子参数的辨识与校正等，因此电机的速度检测及磁链观测器的实现是矢量 控制系统实现的关键所在。 矢量控制系统常用方案有如下四种： ( 1 ) 转差频率矢量控制。转差频率矢量控制不需要进行复杂的磁通检测和繁琐的坐标 变换，只要在保证转子磁链大小不变的前提下，通过检测到定子电流和转子角速度经 过数学模型的运算就可以实现间接的磁场定向控制【2 1 1 。转差频率矢量控制的磁链控制采 用开环控制方式，不需要实际计算转子磁链矢值，省去了转子磁链观测器，因此结构简 单，动态性能良好。但由于其数学模型中包含电机转子参数，定向精度仍受参数变化的 影响。 ( 2 ) 气隙磁场定向矢量控制。气隙磁场的定向控制是将旋转坐标系的d 轴定向于气隙 磁场的方向，此时气隙磁场的q 轴分量为零。如果保持气隙磁通d 轴分量恒定，转矩直 接和q 轴电流分量成正比。因此，通过控制q 轴电流分量，可以实现转矩的瞬时控制【1 9 1 ， 从而达到控制电机的目的。 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 定子磁链定向矢量控制。定子磁链定向的矢量控制方法，是将旋转坐标的d 轴放 在定子磁链方向上，此时，定子磁通的q 轴分量为零。如果保持定子磁通恒定，转矩直 接和q 轴电流成正比，调节q 轴电流就可以控制电机。这种方法使定子方程大大简化， 从而有利于定子磁通观测器的实现。但是此方案在进行磁通控制时，不论采用直接磁通 闭环控制，还是采用间接磁通闭环控制，均需要消除耦合项的影响。因此，还需要设计 一个解耦器，对电流进行解耦【l 州。 ( 4 ) 转子磁链定向的矢量控制。转子磁链定向的矢量控制方案是在磁链矢量控制方法 中，将d ，q 坐标系放在同步旋转磁场上，将电机转子磁通作为旋转坐标系的d 坐标轴。 若忽略由反电动势引起的交叉耦合，只需检测出定子电流的d 轴分量，就可以观测转子 磁通幅值。当转子磁通恒定时，电磁转矩与定子电流的q 轴分量成正比，通过控制定子 电流的q 轴分量就可以控制电磁转矩。因此称定子电流的d 轴分量为励磁分量，q 轴分 量为转矩分量。可以由电压方程d 轴分量控制转子磁通，q 轴分量控制转矩，从而实现 磁通和转矩的解耦控制。 上述四种方案中转差矢量控制方案不适合高性能电机控制系统；气隙磁场定向系统 中磁通关系和转差关系存在耦合，需要增加解耦器，这比转子磁链的控制方案要复杂很 多，而处理饱和效应时，应用气隙磁场定向较为合适；定子磁链定向的矢量控制方案在 一般的调速范围内可以利用定子方程作为磁链观测器，可以达到非常好的动态与静态性 能。然而，系统在低速时，反电动势测量误差变大，定子磁链观测器达不到要求的精度， 系统性能不能满足。因此该方案比较适合于大范围的弱磁运行以及要求恒功率调速的情 况下【1 3 1 ；转子磁链定向的方案受转子时间常数的影响很大，系统性能有所降低。但是它 达到了电流的完全解耦，控制系统简单，动态性能和精度较好【悼1 5 】。因此这种控制方法 得到了更为广泛的应用。本文所设计的h e v 驱动电机控制系统就是在转子磁链定向控 制的基础上完成的。 混合动力车用驱动电机矢量控制系统研究 2 空间矢量控制原理及s v p w m 2 1矢量控制基本原理 所谓矢量控制就是将静止坐标系上表示的电动机矢量关系变换到以气隙磁场、定子 磁链或者转子磁链定向的旋转坐标轴系上，达到对电机转矩的实时控制的目的。由于转 子磁链定向的矢量控制方法简单易行，解耦方便，控制精度较好，因此为本文所采用。 交流电机三相定子电流f 。、f r 、扛经过由三相静止坐标系到两相静止坐标系变换得到o ，然后t 、再由同步旋转变换可以等效两相旋转坐标系上的直流电流和屯，如果 取d 轴沿转子总磁链矢量哆的方向，得到相当于直流电机的励磁电流分量和转矩电 流分量。这样通过控制乙和就可以按照直流电动机的控制方法来控制交流电动机。 既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制策 略，得到直流电动机的控制量，经过相应的坐标变换，就能够控制异步电机了。由于进 行坐标变换的是电流( 代表磁动势) 的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系 统就叫做矢量控制系统( v e c t o rc o n t r o ls y s t e m ) ，简称v c 系统【巧j 。 广一一一一一一一一一一一i 图2 1 矢量控制原理框图 f i g 2 1 f r a m eo f v e c t o rc o n 仃o lp r i n c i p l e 矢量控制基本原理如图2 1 所示，其中虚线框为f o c 矢量控制系统，可以完全用软 件来实现。3 s 2 s 是三相静止到两相静止坐标系的变换，v r 是两相旋转坐标变换，0 是 大连理工大学硕士学位论文 转子磁链位置角，它表示m 轴与a 轴似轴) 的夹角，由转子磁链位置计算模型得到。f o c 实现的关键是在于转子磁链位置计算模型的构建，也就是转子磁链位置角0 的确定，这 涉及到交流电机数学模型及电流解耦问题，因此需要研究交流电机的数学模型、坐标变 换以及在此基础上的电流解耦。 2 2 矢量控制的坐标变换 如前所述，为了便于组成控制系统，对异步电动机采用矢量控制，需要把4 坫c 三 相坐标系的交流量先变换成a - p 两相坐标系的交流量，然后再变换成d - q 直角坐标系的 直流量。此外，在控制调节过程中，还需要对两相坐标系下的电压、电流和磁通进行分 析，确定幅值的大小和相位。本文所采用的矢量控制系统涉及到静止坐标系间的变换、 旋转与静止坐标系间的变换。 2 2 1c ia r k e 变换 c l a r k e 变换指的是静止三相坐标系变换为静止两相坐标系( 3 s 2 s 变换) 静止三相坐标系彳县c 和静止二相坐标系a 之间的变换，其变换关系如图2 2 所 示。 图2 23 s 2 s 变换图 f i g 2 2d i a g r a mo f3 s 2 st r a n s f o r m 为方便起见，取口轴与彳轴重合。设三相坐标系绕组每相有效匝数飓，两相坐标 系绕组每相有效匝数2 ，各相磁动势为有效匝数与电流的乘积，其空间矢量均位于有关 相的坐标轴上。变换的原则是变换前后总磁势、总功率不变。为了便于矩阵变换，即静 混合动力车用驱动电机矢量控制系统研究 止两相坐标系变换为静止三相坐标系，我们增加一个假想的零轴电流i o ，护顿函+ 计纠i _ 0 ，这并不影响总的变换结果，七为某一待定常数。 变换前后总磁势相等：静止两相绕组和静止三相绕组的磁势在a 轴和轴上投影相 等，即 n 。= n 3 i 一n 羹b c d s 6 0 0 n 3 i c c o s 2 p = o + 3 s i n 6 0 。一3 f cs i n 6 0 。 2 o = 3 七( + 岛+ 屯) 将上式化简并写成矩阵形式 变换前后总功率不变：可以解得： 故c l a r k e 变换为： 变换矩阵为： p叵 q m ，2 、了 60。 ( 2 1 ) 豳_ _ c 3 s 1 2 s 圈 亿2 ) 1 2 一再 k ( 2 3 ) 阱m ，豳 亿4 ， 1 2 一层 层 ( 2 5 ) 对于三相绕组是星型连接的平衡系统有+ + 如= 0 ，故c l a r k e 变换可以简化为： 一2 f巳4七 m 一以 = r-，j 00