基于电动轮的电动汽车驱动控制技术研究.doc

西华大学硕士学位论文摘 要本文以采用电动轮的后轮驱动电动汽车为研究对象，重点对电动轮用无刷直流电机的驱动控制技术、电子差速控制策略及控制系统通信网络等电动轮电动汽车关键技术展开了研究，进行了系统的仿真分析、部分系统实现及相关试验研究。为研究无刷直流电机的运行特性及驱动控制原理，本文在分析其数学模型的基础上，基于MATLAB/Simulink建立了电机的物理模型和基于模糊PID的转速、电流双闭环电机控制器模型，仿真分析结果表明：系统具有良好的控制特性，为电机控制器的实现奠定了理论基础。对于电动轮独立驱动系统，驱动轮间的差速问题是需要解决的重点问题，为此根据Acerkman-Jeantand转向模型，得到了基于转速的电子差速控制算法，并通过仿真分析得到了不同工况下内外驱动轮的差速曲线。为解决电动轮电动汽车各控制器间的数据通信问题，参考J1939协议标准，制订了符合本文电动轮电动汽车控制系统要求的CAN总线通信规范，利用CANoe软件建立了通信网络数据库并定义了各节点功能，对控制系统通信网络进行了仿真分析，有效验证了应用层协议规范及节点功能。在理论分析和仿真的基础上，确定了电机控制器的硬件方案，根据硬件方案设计了基于MC9S12XS128单片机的最小系统电路、MOSFET逆变桥及其驱动电路和控制器的外围接口电路。根据无刷直流电机控制方法，采用模块化和层次化的软件设计方法设计了电机控制器的软件代码。最后，构建了电机控制系统实验平台，采用基于模型的方法建立了整车控制模型并构建了整车控制系统的在环仿真试验平台。在此平台上进行了控制系统的初步实验，验证了控制系统的有效性和正确性。关键词：电动轮；电动汽车；无刷直流电机；电子差速；控制系统；CAN总线 I AbstractThe rear-wheel drive electric vehicle with in-wheel motors is taken as the study object in this thesis. Focus on the key technologies of the electric vehicle with in-wheel motors such as the drive and control technology of brushless DC motor used by in-wheel motors, electronic differential control strategies and control system communication network, the system simulation analysis, implementation of part system and relevant experimental study are carried out on these technologies in this thesis.In order to study the operating characteristics and drive control principle of the brushless DC motor, the physical model and the speed-current double-loop controller model based on fuzzy PID of the motor are established using MATLAB/Simulink tools. The simulation results demonstrate that, the control characteristics of the system are satisfied application requirements, which will be used as the theoretical foundation for implementation of the motor controller.For independent in-wheel motors drive system, the differential between drive wheels is a key issue need to be solved. According to the Acerkman-Jeantand steering model, the electronic differential control algorithm based on speed is obtained. The differential curves of inner and outer drive wheels under different conditions are obtained through simulation.In order to solve the problem of data communication between the electric motor vehicle controllers, the CAN communication protocol for the control system was formulatedreferring to the J1939 standards. In the study, the CANoe software is used to establish communication network database and define the function of each node. The simulation and analysis of the communications network system is done. The result validates the application layer protocol specification and node functions.On basis of theoretical analysis and simulation, the hardware solution of motor controller is defined. According the solution, the minimum system circuit based on the MC9S12XS128 microcontroller, MOSFET inverter bridge and its drive circuit and peripheral interface circuit of controller is designed. Based on brushless DC motor control method, motor controller software code is designed using modular and tiered software design means.Finally, a motor control system and a vehicle control system in-the-loop simulation experimental platform are built. The vehicle control model was constructed using model-based method. The preliminary experiments based on the experimental platform for the control system are taken, which verifies the validity and correctness of the control system.Key Words：In-Wheel Motor ; Electric Vehicles ; Brushless DC Motors ; Electronic Differential ; Control System ; CAN Bus III 目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题背景与研究意义11.2 电动轮驱动电动汽车发展现状31.3 本文研究的主要内容62 电动轮用无刷直流电机控制系统研究72.1 无刷直流电机结构原理72.2 无刷直流电机数学模型82.2.1 定子电压方程92.2.2 转矩运动方程102.3 无刷直流电机控制系统的计算机仿真112.3.1 无刷直流电机本体模型112.3.2 转子位置检测模块132.3.3 驱动电路模块152.3.4 控制器模块162.3.5 电机控制系统仿真分析212.4 本章小结243 电动轮电动汽车电子差速控制策略研究253.1 电子差速控制系统结构253.2 基于转速控制的电子差速算法263.3 电子差速算法仿真分析283.4 本章小结304 电动轮电动汽车控制系统通信网络研究314.1 CAN总线及J1939协议概述314.1.1 CAN总线特点314.1.2 CAN协议的消息帧324.1.3 J1939协议及通信原理334.2 基于J1939协议的控制系统通信规范制定354.2.1 系统网络拓扑结构354.2.2 节点地址分配364.2.3 网络消息定义364.3 控制系统通信网络仿真分析404.3.1 网络仿真模型的建立404.3.2 网络仿真分析444.4 本章小结465 电动轮电动汽车控制系统实现475.1 电机控制器硬件设计475.1.1 控制器总体硬件结构方案475.1.2 MCU最小系统设计485.1.3 MOSFET逆变桥及其驱动电路设计495.1.4 外围接口电路设计525.2 电机控制器软件设计545.2.1 主程序设计545.2.2 任务调度器555.2.3 电机状态查询565.2.4 霍尔信号捕捉565.2.6 转速模糊PID控制575.3 控制系统实验575.3.1 电机控制系统实验575.3.2 整车控制系统在环仿真实验595.4 本章小结63结 论64参 考 文 献66攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果68致 谢69西华大学硕士学位论文1 绪论1.1 课题背景与研究意义人类自诞生以来就不断探索生存与发展的途径与方法，汽车是伴随着人类的发展而产生的一种重要交通工具。1945年以来，汽车在各种交通工具中的比重显著增大，汽车工业也成为了衡量一个国家工业和科学技术发展水平的重要标志。内燃机汽车自20世纪初出现至今，其自身随人类科技的进步经历了巨大的变革。在这个过程中，它给人类生活和生产带来了巨大方便，为人类社会的进步做出了巨大的贡献，从某种意义上说也改变了现代人类的生活方式。然而随着世界经济的不断增长和汽车工业的快速发展，全球汽车保有量不断上升。据相关数据统计，截至2011年8月16日，全球处于使用状态的各种汽车，包括轿车、卡车以及公共汽车等的总保有量已突破10亿辆，如此庞大的汽车用量在方便人们交通出行的同时也造成了日益严重的环境问题；同时，庞大的汽车用量对化石燃料的大量需求与传统化石能源有限蕴藏量之间的矛盾，也导致了世界范围内的能源危机。这些问题给人类社会的生存和发展进步带来了严重的挑战1。在此背景下，近年来各国汽车相关企业及研究机构在致力于对传统汽车内燃机进行技术升级以达到节能减排要求的同时，纷纷将关注焦点转移到电动汽车的技术研究上。各国政府先后出台了一系列利好政策及相关措施以鼓励电动汽车技术的发展，我国政府对其也予以高度重视。从2001年起，就已将电动汽车研究开发列入了“十五”国家“863”计划重大专项，确立了“三纵三横”（三纵：混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车；三横：电池、电机、电控）的研发布局。经过“十五”“十一五”两个五年计划的科技攻关及奥运会、世博会、“十城千辆”等示范工程的有效实施，我国电动汽车从无到有，在关键零部件、整车集成技术以及电动汽车相关技术标准、测试技术、示范运行等方面均取得了重大进展，初步建立了电动汽车技术体系2。电动汽车是以电池作为动力源，全部或部分由电动机驱动，集成了汽车、电力拖动、功率电子、自动控制、化学能源、计算机、新能源、新材料等工程技术最新成果的高新技术产物。按照目前技术状态和车辆驱动原理，电动汽车划分为纯电动汽车（PEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）和混合动力电动汽车（HEV）三种类型。纯电动汽车是一种仅采用蓄电池作为储能动力源，电动机驱动的车辆；燃料电池电动汽车则是以氢气为燃料，氢气与空气中的氧在催化剂的作用下，在燃料电池中经电化学反应产生电能，并作为主要动力源的车辆；混合动力电动汽车是指有两种或两种以上的储能器、能源或转换器做驱动源（如：蓄电池、燃料电池、太阳能电池、内燃机等），其中至少有一种能提供电能的车辆。但是一般认为混合动力电动汽车是既由内燃机又由电动机驱动的车辆。电动汽车的驱动结构布置方式多样，但概括起来主要分为集中驱动和电动轮（IWMs，In-Wheel Motors）独立驱动两种型式，前者是目前大多数电动汽车所采用的驱动形式，这种方式在很大程度上仍然沿袭了传统内燃机汽车的驱动形式，以集中电机驱动系统替换内燃机和变速器系统，最大限度保留了原车型的结构及组件，该驱动形式技术成熟、安全可靠，但缺点是笨重、效率低，没有充分发挥电动汽车的优势。电动轮独立驱动系统结构如图1.1所示。图1.1电动轮独立驱动电动汽车结构图Fig.1.1 Structure of electric vehicle with In-Wheel Motors由于采用分散布置的电动轮直接驱动车辆，其机械传动装置的体积与质量较集中驱动形式的大大减小，效率得到显著提高，具体而言这种驱动系统有以下优点：（1） 电动轮独立驱动车辆，省掉了离合器、变速器、传动轴及差速器等传动环节，传动系统得到大大简化，传动效率得到提高，同时可使汽车很好地实现轻量化目标。（2） 电动轮分散布置使得汽车布局更为灵活，空间利用率更高，在兼顾乘坐空间、机构设置与碰撞吸能区域设计方面有了更多的回旋余地，从而有利于改善被动安全性。（3） 可实现多种复杂的驱动方式，采用电动轮独立驱动控制，可以轻松实现前驱、后驱或四轮驱动，且在采用四轮驱动时可根据汽车行驶工况由控制器进行前轮驱动、后轮驱动或全轮驱动的实时控制与转换。（4） 适用于多种类型的电动汽车，由于电动汽车均采用了电驱动方式，因此无论是纯电动汽车还是燃料电池电动汽车，都可以采用电动轮驱动方式，即使是混合动力电动汽车也可以采用电动轮作为起步或急加速时的助力。（5） 由于电动机转矩响应迅速且容易获得准确值，因此电动轮独立驱动系统可通过电动机作为牵引力控制系统（TCS）、防抱死制动系统（ABS）及动力学控制系统（VDC）的执行器，来完成驱动力的控制而无需其它附件，从而容易实现性能更好、成本更低且集成度更高的汽车底盘动力学控制系统3-6。综上所述，电动汽车的电动轮驱动技术有着优良的特性，并具有广阔的应用前景。研究电动轮驱动技术，对于进一步研究开发电动汽车新技术具有现实的学术和工程意义。基于此，本文以电动轮电动汽车的驱动控制技术为着力点，重点研究电动轮用永磁无刷直流电机的驱动控制方法、电动轮间的电子差速控制策略及分布式控制系统的车载通讯网络，旨在构建一个电动轮电动汽车的驱动控制系统平台，为进一步深入研究电动轮电动汽车的特性奠定良好的基础。1.2 电动轮驱动电动汽车发展现状近年来，电动轮独立驱动电动汽车以其结构紧凑、传动链短、效率高等众多优点已得到国外许多相关机构的广泛关注，日本及欧美等汽车工业强国的相关企业、机构均有涉足电动轮技术的研究及应用。日本企业对这方面的研究起步较早，技术最为成熟。1991年日本东京电力公司研制了电动轮汽车 “IZA”，装备了4个永磁无刷直流电机。1996年日本国家环境保护局开发了纵列式双座轻型电动车“Lueiole”，它采用两台36kW的永磁同步电机，最高车速150km/h。长期从事电动汽车研发的日本庆应义塾大学环境信息系清水浩教授于2004年发布了采用8个电动轮驱动的“Elica”电动车，其电动轮电机采用内转子式，需要使用减速齿轮，该车曾创下370km/h最高车速。2009年清水浩教授与其它日本企业共同组建了“SIM-DRIVE”公司，并将电动轮作为该公司核心技术，随后于2011年3月29日对外宣布，该公司研制的电动轮驱动电动汽车性能及功率已达世界最高水平，1号试验车“SIM-LEI”当日亮相，如图1.2所示，该车一次充电的行驶里程可达333km。日本几个整车厂家也对电动轮技术进行了研究。图1.3为丰田在第39届东京汽车展上展示的一款燃料电池电动汽车“Fine-X”，该车最大的特征在于其4轮独立大舵角机构以及4轮独立驱动的采用，其四个车轮均可独立自由运动，这个结构甚至可以允许轮胎向垂直于安装面的方向运动，因此该车可以原地旋转。本田公司于2007年在上海汽车展上也发布了一款名为“FXC”的燃料电池电动汽车，该车也采用了电动轮技术。三菱公司与东洋公司合作开发了用于蓝瑟（Lancer）四轮驱动纯电动轿车的电动轮。每个电动轮的最大功率为50kW，最大扭矩为518，最高转速为1500r/min，该车一次充电的行驶里程可达250km，最高车速可达到150km/h。 图1.2 SIM-LEI电动轮电动汽车 图1.3 丰田Fine-X电动轮电动汽车 Fig.1.2 SIM-LEI electric vehicle with Fig.1.3 Toyota Fine-X electric vehicle with In-Wheel Motors In-Wheel Motors此外，一些零部件厂家也纷纷加入到电动轮技术的研发中，如日本的轮胎制造商普利司通就在第60届法兰克福车展上展示了“普利斯通动态减震器型轮内马达系统”，如图1.4所示。其电机本体位于弹簧与减震器之间，悬挂在弹簧下，有利于提高轮胎的接地性与乘坐舒适性。法国的轮胎制造商米其林也同样开发了被称为“主动轮”的电动轮产品，其结构如图1.5所示。2008年巴黎车展上展出的法国跑车制造公司Venturi研发的概念版四轮驱动跑车“Venturi Volage”便使用了米其林的“主动轮”技术。除此之外德国的西门子公司、舍弗勒公司及法国的TM4公司均推出了各自的电动轮技术。 图1.4 普利斯通动态减震器型轮内马达系统 图1.5 米其林主动轮系统Fig.1.4 Bridgestone Dynamic-Damper type Fig.1.5 Michelin Active Wheel System In-wheel Motor System英国的Protean Electrics是一家专门研发生产电动轮的公司，并被誉为全球轮毂电机系统开发与商业化的领导者，其生产的ProteanDriveTM轮毂电机能够实现81kW的动力和800的扭矩，而重量仅为31kg，可安装在常规直径为1824英寸的车轮中，并且还拥有杰出的再生制动性能，在刹车过程中能回收高达85%的可用动能，其结构如图1.6所示。Protean Electrics公司已与多家整车厂商合作研发了多款装置轮毂电机的样车和改装车型，包括福特F150-EV、Volvo C30 Series HEV、沃克斯豪尔Vivaro货车、广汽传祺Trumpchi EV，以及基于梅赛德斯奔驰E级的巴博斯纯电动与混合动力车型等，图1.7所示为配置了ProteanDriveTM电动轮的电动汽车。图1.6 ProteanDriveTM电动轮结构Fig.1.6 ProteanDriveTM structure 福特F150-EV 沃尔沃C30混合动力 沃克斯豪尔Vivaro 广汽传祺Trumpchi纯电动 巴博斯纯电动 巴博斯混合动力图1.7 配置ProteanDriveTM的电动汽车Fig.1.7 Electric vehicles with ProteanDriveTM我国对电动轮技术的研究虽然起步较晚，但近几年随着国家“863”计划电动汽车重大专项课题研究的深入，各高校及机构对该技术的研究有所加强。中国科学院北京三环通用电气公司开发出了电动汽车专用的7.5kW轮毂电机。比亚迪公司于2004年在北京车展上展出的“ET”概念车也采用了4个功率为25kW的电动轮独立驱动模式，最高车速165km/h，最大续驶里程350km。同济大学汽车学院分别在2002年、2003年和2004年独立研制的三代“春晖”系列电动汽车均采用了4个低速永磁无刷直流轮毂电机独立驱动系统。清华大学研制的“哈利”牌电动汽车已经投放市场，该车采用永磁无刷直流电机四轮驱动，最高行驶时速65km/h，最大续驶里程150km，该产品配备了制动能量回馈系统、两驱四驱实时切换、电制动防抱死系统及电子差速系统和电子防滑功能等几十项自主研发的专利技术。此外吉林大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等高校也展开了电动轮技术的研究并取得了一定的研究成果。 总的来讲，从各种驱动技术的特点及发展趋势看，电动轮技术被视为电动汽车的最终驱动形式。随着动力电池技术、电子控制系统和整车能源管理系统等相关技术的不断深入，电动机性能的不断提高，电动轮技术将在电动汽车上得到广泛使用，并取得更大的成功。1.3 本文研究的主要内容电动轮独立驱动系统的研究重点是对每个电动轮运行状态进行实时精确的单独控制，同时根据车辆不同工况对各个电动轮进行协调控制。基于此，本文研究的主要内容如下：（1） 首先分析电动轮用无刷直流电机的结构原理，在此基础上建立无刷直流电机的数学模型，根据数学模型利用MATLAB/Simulink工具建立无刷直流电机本体模型以及基于模糊自适应PID技术的无刷直流电机的双闭环控制器模型，通过模型仿真得到无刷直流电机的最优控制策略。（2） 电动轮驱动电动汽车采用电子差速控制系统，来解决车辆在不同运行工况下，驱动轮间的差速问题。根据样车的参数设计要求，基于Acerkman-Jeantand转向模型，研究基于转速的电子差速控制策略，并进行建模仿真分析以验证电子差速控制效果。（3） 分析J1939协议特点及通信原理，在此基础上建立基于J1939协议的电动轮电动汽车分布式控制系统通信规范，并采用CANoe软件对控制系统网络进行建模仿真分析，以验证应用层协议及节点功能的有效性。（4） 在理论分析基础上，进行控制系统的嵌入式硬件及软件设计，以构建实际的电动轮驱动电动汽车的控制系统。分别构建电机控制系统实验平台及整车控制系统在环仿真实验平台，进行了控制系统初步实验，并对试验结果进行分析，以验证控制系统效果。2 电动轮用无刷直流电机控制系统研究电动轮（IWMs，In-Wheel Motors）7主要由轮毂电机和车轮组成，图2.1为本文所采用的电动轮实物图。作为电动汽车的动力源，电动轮将蓄电池的电能转化为机械能从而驱动电动汽车运行，其电机效率、机械性能、转矩特性及调速性能很大程度上决定了电动汽车的动力性、经济性及操纵性等性能。本文采用无刷直流轮毂电机，因此本章主要对无刷直流电机驱动控制系统进行建模仿真分析，以得到其控制方法和运行特性。图2.1电动轮实物Fig.2.1 The object of In-Wheel Motor2.1 无刷直流电机结构原理无刷直流电机不仅具有交流电动机结构简单、维护方便、运行可靠等优点，而且保留了直流电机的线性机械特性、大的启动转矩、宽的调速特性等优点，同时由于采用电子换向器取代了机械电刷换向器，避免了直流电动机采用机械电刷换向器造成的接触电阻、火花、噪音等缺点8。在结构上，无刷直流电机可以制作成内转子式、外转子式及双定子式等类型。本文所用的电动轮无刷直流轮毂电机采用的是外转子式，将无刷直流电机的定子电枢装在里面，而将带永磁体的转子做在外面，这样定子轴与车体固结，而外面的转子则与轮胎的轮辋连接，电机转动时带动车轮转动，从而驱动车辆运动。外转子无刷直流电机结构如图2.2所示，主要由定子铁心、线圈、转子三部分组成，其中定子由铁心及线圈三相绕组构成，转子则由电机外壳及贴在其内表面上的瓦片式永磁体共同组成，永磁体即磁极在电机外壳上是成对布置的，成对的磁极即通常说的电机的极对数p。转子(外壳+磁极)输入端线圈铁心(定子)图2.2外转子式无刷直流电机结构Fig.2.2 Outer rotor type brushless DC motor structure无刷直流电机驱动控制系统主要由电动机本体、位置传感器、驱动控制电路等三部分组成，其原理框图如图2.3所示。其中，直流电源通过逆变电路给电动机电枢绕组供电，控制器根据位置传感器检测转子位置信号，并根据位置信号进行逻辑信号处理和控制，驱动逆变电路中功率开关器件的导通与关断，实现定子电枢三相绕组的电子换向，使电动机电枢绕组依次馈电，从而在绕组中产生跳跃的旋转磁场，驱动永磁转子旋转。 图2.3 无刷直流电机驱动控制原理框图Fig. 2.3 Principle block diagram of the brushless DC motor drive control system2.2 无刷直流电机数学模型通常把向定子绕组通入三相对称方波电流，而定子感应电动势为梯形波的电动机称为无刷直流电机（Brushless DC Motor，BLDCM）；而把向定子绕组输入三相正弦波电流而定子感应电动势为正弦波的电动机称为三相永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）。实际上它们都为无刷直流电机，但是定子输入电流波形不同，以及转子永磁体在定子绕组中感应出的电动势波形不同，因而性能有所差异9。本文电动轮电机采用的是方波无刷直流电机，下面以三相绕组Y型连接、两相导通的方波无刷直流电机为例，分析无刷直流电机的数学模型。无刷直流电机驱动电路示意图如图2.4所示。为便于分析，假设以下条件成立：忽略电枢反应对系统性能的影响，电机内部气隙磁场均匀分布近似为120平顶梯形波，磁路不会产生饱和现象，不考虑涡流和磁滞损耗。功率器件导通和关断时间对系统性能无影响，功率器件的导通压降为恒定值，且当开关断开后等效电阻无穷大10。图2.4 无刷直流电机驱动电路示意图Fig. 2.4 Brushless DC motor drive circuit diagram2.2.1 定子电压方程方波无刷直流电机的定子电压方程可用以下状态方程表示： （2.1)式中，ua、ub、uc为三相绕组相电压，ia、ib、ic为定子绕组相电流，Ra、Rb、Rc为三相定子绕组电阻，La、Lb、Lc为三相定子绕组自感，Lab、Lac、Lbc、Lba、Lca、Lcb为三相定子绕组间的互感，p为微分算子（d/dt），ea、eb、ec为定子绕组反电动势。根据上文中的假设，由于转子磁阻等参数不变，且三相绕组完全对称，因此三相绕组的自感为常数，三相绕组间的互感也为常数，两者均与转子位置无关。因此，La=Lb=Lc=L，Lab=Lac=Lbc=Lba=Lca=Lcb=M，又由于定子绕组为三相Y型对称连接，则有ia+ib+ic=0。于是，式（2.1）可改写为： （2.2)式（2.2）对应的无刷直流电机等效电路如图2.5所示。图2.5 无刷直流电机等效电路图Fig. 2.5 Brushless DC motor equivalent circuit diagram无刷直流电机运行期间，在通电相绕组磁场的作用下，会产生反电动势，对于不同的电枢绕组及换向线路形式，电枢反电动势均可表示为11： （2.3）式中，ke为反电动势常数，为电机机械角速度。2.2.2 转矩运动方程运行过程中，无刷直流电机从电源吸收电功率，其中除极小部分损耗外，大部分转化为电磁功率，它等于三项绕组相反电动势与相电流乘积之和，可表示为： （2.4）忽略转子机械损耗及杂散损耗，则电磁功率全部转化为转子动能，所以 （2.5）式中：Te为电磁转矩，为电机机械角速度。由式（2.3）和式（2.4）得 （2.6）电机运动方程： （2.7）式中：为电机负载转矩，为转子转动惯量，为黏滞摩擦系数。式（2.2）、（2.5）、（2.6）共同构成了无刷直流电机微分方程数学模型12。2.3 无刷直流电机控制系统的计算机仿真计算机仿真是根据所建立的系统仿真模型，利用计算机对系统进行快速有效分析与研究的技术和方法。模型是遵循相似性原理，对现实系统相关结构和行为的某种形式的描述，是对系统特征和变化规律的一种定量抽象，是认识和研究被仿真系统的重要手段，主要可分为物理模型、数学模型和仿真模型13。上节中已建立了无刷直流电机的数学模型，本节将基于此，利用MATLAB/Simulink仿真工具，建立无刷直流电机的计算机仿真模型，从而对无刷直流电机的动态性能及控制策略进行分析。2.3.1 无刷直流电机本体模型根据上节中无刷直流电机的数学模型，首先在Simulink中建立了无刷直流电机本体仿真模型，其主要由电压方程模块、转矩计算模块、机械运动模块及三相反电动势计算模块构成，如图2.6所示。 图2.6 无刷直流电机本体仿真模型Fig. 2.6 Brushless DC motor body simulation model 其中，电压方程模块根据式（2.2）使用Simulink中的SimPowerSystems电力系统仿真工具箱构建，SimPowerSystems工具箱是专用于RLC电路、电子电路、电机传动控制系统和电力系统仿真分析的工具箱，该工具箱中包含了各种交/直流电源、大量电气元器件和电工测量仪表及分析工具等。电压方程模块如图2.7所示，其中三相反电动势即是利用工具箱中的受控电压源元件实现的，而三相绕组电感及电阻则用串联RL元件实现14。图2.7 无刷直流电机电压方程模块Fig. 2.7 Voltage equation module of Brushless DC motor从定子电压方程式（2.2）可以看出，要得到定子绕组相电流ia、ib、ic，必须先求取定子绕组反电动势ea、eb、ec。由于无刷直流电机反电动势为梯形波，并包含较多高次谐波，且电感为非线性。因此获得理想的反电动势波形是仿真建模有效的关键。理想情况下，两相导通Y型连接六状态无刷直流电机定子绕组反电动势波形如图2.8所示。本文采用分段线性法，即将每一个电周期的0 360分为6个阶段，每60电角度为一个换向阶段，每相的每一运行阶段都可以用一段直线表示，根据转子位置和转速信号，通过直线方程就可以求出各状态的反电动势15。图2.8 三相反电动势波形Fig. 2.8 Three phase back-EMF waveform根据式（2.3）和图2.8可以得到转子位置和反电动势间的线性关系如表2.1所示，其中为转子位置，为电机角速度，为反电动势常数。根据该表，采用Simulink中的S函数可以很容易求取无刷直流电机的反电动势。表2.1 转子位置和反电动势间的关系Tab. 2.1 The relationship between the position of the rotor and back-EMF 转子位置（） ea eb ec 2.3.2 转子位置检测模块无刷直流电机控制器根据位置传感器检测到的转子位置信号，驱动逆变电路中功率开关器件的导通与关断，从而改变电枢绕组的通电状态，以实现定子电枢三相绕组的电子换向。在工程实际中，对带霍尔传感器的无刷直流电机而言，根据文献16中所述霍尔器件的空间配置原则，对于本文研究的两相导通Y型连接三相六状态电机，一般采用三个霍尔传感器，它们在圆周空间配置有两种方案：相互间隔120电角或相互间隔60电角16。本文研究的无刷直流电机采用前者，其霍尔器件输出波形如图2.9所示。图2.9 间隔120配置的三个霍尔器件输出波形图Fig. 2.9 Three Hall device output waveform at 120 configured由图2.9可见，电机工作时三路霍尔传感器输出脉宽为电角度、相位差为电角度互相重叠的信号，每一个电周期（电角度）共有6个跳变沿（3个上升沿和3个下降沿），正好对应六个换向时刻。三路霍尔信号输出状态如表2.2所示，共有六种状态，每种状态对应相应转子位置，控制器根据传感器输出的信号值就可以判断MOSFET的导通状态。表2.2 电机顺时针旋转（从非驱动端看）时的驱动顺序Tab. 2.2 Driving sequence with motor clockwise rotation ( from the non-drive end ) 状态霍尔信号值MOSFET导通相电流HAHBHCABC101 Q1Q2DC+悬空DC-1 0 0Q1Q6DC+DC-悬空11 0Q5Q6悬空DC-DC+01 0 Q5Q4DC-悬空DC+011Q3Q4DC-DC+悬空001Q3Q2悬空DC+DC-根据图2.8和表2.2中转子位置和霍尔信号输出状态间的关系，在Simulink中建立了转子位置检测模块，如图2.10所示。其中，输入为电机机械角速度，输出为霍尔信号。对角速度进行积分得到的转子位置角，其单位是弧度，乘以系数（p为电机极对数），将其转化成电角度。模块中函数f(u)的表达式为：，用于将转子位置角转化为 0，360 内的电角度信号，从而得到转子位置信号17，根据转子位置信号，利用S函数根据图2.9和表2.2即可求取对应的霍尔信号输出值。图2.10 转子位置检测模块Fig. 2.10 Rotor position detection module2.3.3 驱动电路模块无刷直流电机控制系统中，逆变桥驱动电路主要任务是实现无刷直流电机的电流换向，电流换相过程中存在较复杂的续流过程，其直接影响电机端电压。在Simulink中的SimPowerSystems工具箱中，提供了有效的解决方法。该工具箱中的MOSFET元件，模拟实际MOSFET功率器件，其内部并联了反向续流二极管，为反向电流提供了通路，并且可对元件内部的导通电阻和电感等参数进行设置，较真实地模拟了实际MOSFET功率器件18，根据实际逆变桥的拓扑结构，使用该元件即可搭建出无刷直流电动机逆变桥驱动电路仿真模型，可有效解决换流过程对逆变桥输出电压的影响。模型如图2.11所示。图2.11 MOSFET驱动电路模块Fig. 2.11 MOSFET drive circuit module2.3.4 控制器模块无刷直流电机常用控制方法一般为双闭环调速，即外环为速度环（电压环），内环为电流环（转矩环）。速度环的作用是对转速进行抗干扰调节并减小稳态静差，其输出为参考电流；电流环的主要作用是电流跟随，加快系统动态响应，同时限制电机的最大电流。在初始启动时，保证电机在允许的最大电流下“恒流”快速起动；而在转速的调节过程中，使电机电流能够快速跟随给定电流指令变化，提高动态响应能力，电流环的输出为PWM调制器的占空比，通过控制PWM占空比来改变电枢端的输入电压，从而控制电机速度。在Simulink中建立的电机控制器模块如图2.12所示，由速度调节器、电流调节器及PWM发生器三部分构成。图2.12 电机控制器模块Fig. 2.12 Motor controller module对于多环控制系统，首先设计内环，再设计外环是常用方法。即先设计好内环调节器，然后将整个内环当作外环中的一个环节，进行外环调节器的设计。具体针对电机双闭环调速系统而言，需先设计好电流调节器，然后把电流环当作转速调节系统中的一个环节来设计转速调节器1819。电机转速双闭环调节器一般采用传统PID控制技术。其优点是控制算法简单、稳定性好、可靠性高，加之设计方便、使用灵活，是控制领域应用广泛的一种基础控制器。然而对于负荷多变，且运行工况不确定及干扰因素较复杂的电动轮用无刷直流电机，要获得满意的控制效果，就需要对PID的参数不断进行烦杂的调整，且往往由于整定不良，控制性能欠佳。基于此，本文无刷直流电机调速系统中电流环采用PI控制器，速度环则采用模糊PID控制器。模糊控制系统相对于传统控制技术而言，在设计时不需要分析被控对象的数学模型，非常适合对不确定系统或非线性系统进行控制，且鲁棒性好，可有效降低干扰和参数变化对控制系统的影响。使用模糊控制系统可以对传统PID控制参数进行在线实时的优化调整，使其达到最优运行状态，从而有效提高系统的响应速度及控制精度。（1） 电流环PI控制器设计本文电流环采用饱和限幅PI控制器，其结构如图2.13所示。输入为参考电流和反馈电流，参考电流经速度环控制器计算得到，反馈电流是MOSFET驱动电路中测得的母线电流。参考电流和反馈电流的偏差经过比例积分运算及饱和限幅模块限幅后，输出PWM调制器的占空比。图2.13 电流环控制器Fig. 2.13 Current loop controller（2） 转速环模糊自适应PID控制器设计模糊自适应PID控制器综合了模糊控制系统及PID控制系统的优点，其结构如图2.14所示。对于模糊自适应PID控制器，模糊控制器为二维系统，具有两个输入量三个输出量，以电机参考转速和实际转速偏差和偏差变化率作为输入量，经过对其模糊化、模糊规则推理，最后通过清晰化输出PID控制器三个参数的修正值KP、KI、KD。最终PID控制器实时参数KP、KI、KD可以根据式2.8求取： （2.8）式中，为初始比例系数，为初始积分系数，为初始微分系数。图2.14 模糊自适应PID控制器结构Fig. 2.14 Fuzzy-PID controller structure在设计模糊控制器时，首先要根据系统特性定义输入量和输出量的模糊子集及其隶属度函数。本文中模糊控制器输入量电机参考转速和实际转速偏差的模糊论域取为-3,3,偏差变化率的模糊论域取为-0.3,0.3。输出量为PID控制器三个参数的修正值KP、KI、KD，它们的模糊论域均取为-3,3。确定了模糊论域，接下来需确定覆盖在模糊论域上的模糊子集的数目，模糊子集数目选取应适当，选择数目较多虽然可以提高控制精度，但是模糊规则的数目也会相应增加更快，大幅增加系统运算量。这里选择两个输入量和三个输出量论域的模糊子集数均为7个，都为NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB，即负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。确定了模糊子集的数目，还需要确定论域映射到模糊子集的隶属度函数，由于三角形隶属度函数具有简化计算、易于实现等优点，所以被广泛使用，在此也选用三角形隶属度函数，根据文献20的研究，应用经过黄金分割优化的三角形隶属度函数，系统具有更好跟随性和鲁棒性，因此为使控制效果更佳，本文也使用黄金分割对三角形隶属度函数进行了优化，黄金分割优化三角形模糊子集隶属度函数如图2.15所示。图2.15 黄金分割优化三角形隶属函数Fig. 2.15 Optimization golden triangle membership function输入量的模糊化完成后，需要制定模糊规则，模糊规则是模糊控制器的核心亦是设计的主要内容，根据PID控制器参数整定原则，在设计模糊规则时需要明确以下要求：当系统偏差绝对值较大时，为使系统响应速度加快及防止初始控制作用超出范围，应取较大值而值应取较小；此外为防止超调量较大，可取消积分作用取值为零。当系统偏差绝对值处于中等大小时，应取较小值以使系统超调量略小，可适当增加值，同时为保证系统响应速度取值要适当。而当系统偏差绝对值较小时，为使系统保持良好的稳态性能，和的取值可以适当增大；同时为避免系统在平衡点出振荡，此时若误差