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电动 汽车电机 驱动 系统 设计

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毕 业 论 文（设 计） 题 目： 电动汽车电机驱动系统设计 (英文): Design of driving system of electric vehicle motor 院 别： 汽 车 学 院 专 业： 车辆工程 姓 名： 刘 建 伟 学 号： 2011095243006 指导教师： 答辩日期： 2015年5月 电动汽车电机驱动系统设计摘要汽车工业的迅猛发展，极大地推动了人类的技术进步以及经济、社会等方面的发展，但是汽车在造福人类的同时，也带来了很大的弊端，其中环境污染和能源消耗已经成为众矢之的。内燃机汽车造成的污染日益严重，尾气、噪声和热岛效应等对环境造成的破坏已经到了必须加以控制和治理的程度，特别是大中城市更为严重。同时内燃机汽车是以燃烧油料、天然气等宝贵的不可再生的自然资源为动力的，同时内燃机的效率低，这些都推动我们寻找新能源动力汽车。电动车以电力为动力，可实现能源的多样化配置，解除人们对石油资源缺少的担心；作为清洁的新型交通工具，行驶可以无排放或低排放。但电动汽车仍然存在不少问题需解决，对于其续航里程及行驶性能问题还有待提高。电机驱动则是整部电动车的重要部分，本次设计选取无刷直流电机作为驱动电机。通过搭载电动汽车台架，实现电机驱动系统设计。首先对电动汽车电机驱动系统进行分析了解，然后充分认识无刷直流电机系统构造、运行原理。在电动汽车台架完成电机驱动系统的搭建。通过运行汽车台架，测量相关速度、电流等数据后进行处理，通过模拟获取关系曲线。根据汽车速度变化来控制相关输出电流大小，达到对电机驱动控制的目的。关键词：电动汽车；无刷直流电机；电机驱动；电机控制Design of driving system of electric vehicle motorABSTRACTThe rapid development of automobile industry, has greatly promoted the development of human technology progress and economic, social and other aspects of the car, but in the meantime, it also brings great disadvantages, including environmental pollution and energy consumption has become a target for all. The car engine has seriously polluted, exhaust, noise and heat island effect of environmental damage has to be controlled and the level of governance, especially in large and medium city is more serious. At the same time internal combustion engine is burning oil, natural gas and other valuable non renewable natural resources as a driving force, and the efficiency of the engine is low, all of us to find new energy vehicles. The electric car is powered by electricity, can realize the diversification of energy configuration, lift people lack of oil resources as a new worry; traffic tools clean, running can be emission free or low emission. But the electric car there are still many problems to be solved, for its mileage and driving performance problems still need to be improved. Motor drive is an important part of the whole of the electric vehicle, this design selects brushless DC motor as drive motor. The electric vehicle equipped with rack, motor drive system design and implementation. The motor drive system in electric vehicle are analyzed, and fully understand the structure, operation principle of Brushless DC motor system. In building electric vehicle bench complete motor drive system. By running the car platform, data measurement, current speed etc. after processing, get the relationship curve by simulation. To control the size of the output current according to the vehicle speed change, to achieve the purpose of motor drive control.Keywords: electric vehicle; brushless DC motor; motor drive;motor control目录1 绪论11.1课题目的和意义：11.2电机发展现状11.2.1国外电动汽车电机研究现状21.2.2国内电动汽车电机研究现状41.3论文的结构：51.4本章概况：52电动车系统及电机原理62.1电动车系统组成62.2电动车的结构形式72.3电机类型选择92.3.1无刷直流电机结构:102.4无刷直流电机基本原理：112.4.1无刷直流电机的基本控制方法122.4.2两两通电方式132.4.3三三通电方式142.5无刷直流电机调速方法和电磁转矩152.5.1电动势和调速方法152.5.2电磁转矩152.6本章小结153电车系统以及电机驱动系统搭建153.1电动车台架搭建153.2理想电动汽车电机驱动系统动力特性173.3电机参数选定原则173.4电动车电机驱动系统的设计要求183.5电机驱动系统搭建203.6本章小结224电机控制策略234.1数据的采集234.2电机控制策略选择234.2.1电压控制策略 234.2.2转速控制策略244.2.3力矩控制策略244.3本章小结255总结与展望265.1论文总结265.2工作展望26参考文献27致谢29电动汽车电机驱动系统设计1 绪论1.1课题目的和意义：随着科技的迅猛发展，汽车已经成为人们不可或缺的代步工具之一。当然汽车保有量的不断增加，虽然给人们带来便利同时环境污染和石油资源匮乏日益显著，寻求新能源汽车的发展逐渐引起人民的关注。电动汽车因其具有绿色环保和能源利用效率高等优点受到各国人们的关注1。因为它具有污染小，可持续发展的前景成为各国对于汽车环保,能源等问题的研究热点。本设计拟针对电动汽车驱动系统，通过了解和分析国内外电动汽车电机驱动系统发展现状，并对电动汽车电机驱动控制进行分析，设计一套电动汽车电机驱动系统，并且实现其应用。电动汽车驱动系统是电动汽车正常、安全工作的核心系统，通过本次设计，可为电动汽车的电机驱动设计切实可行的方案，同时实现驱动动力与能源的优化配置，起到节能环保的作用。通过搭载电动汽车台架完成一套电机驱动系统并且能实现电机在线运作。1.2电机发展现状1955年，美国哈利森等人首次申请了应用晶体管换向代替直流电动机机械换向器的专利，这就是无刷直流电机的雏形。尔后，又经过人们多年努力，借助于霍尔元件来实现换向的无刷直流电动机终于在1962年底问世，从而开创了无刷直流电机的新纪。无刷直流电机具有效率高、体积小、重量轻、起动转矩大、结构简单、工作可靠、调速性能好等优点3，能够很好地满足混合动力汽车频繁起动制动、能量回馈和高效率的要求，是理想的电动汽车驱动电动机。日本本田公司的电动汽车驱动系统就采用了无刷直流电机。我国清华大学等研制的电动轻型客车和中科院北京三环公司的电动轿车也都采用了无刷直流电动机。 外传子式，即轮毂式无刷直流电机在电动汽车驱动系统中也有广泛的应用。日本庆应义塾大学的电动汽车研究小组早在1991年就开发出了一种高性能的四轮驱动轮式电机电动车IZA，其个别性能已经可以与当时的燃油汽车相比拟扭。1996年，该小组联合日本国家环境研究所研制了由电动轮驱动的后轮驱动电动汽车ECO，选用无刷直流电动机。2001年，该小组又推出了以锂电池为动力源，采用8台大功率无刷直流轮毂电机独立驱动的电动轿车KAZ，其最高车速达到了31lkmh。2003年日本丰田汽车公司在东京车展上推出的燃料电池概念车也采用了电动轮驱动技术。美国通过汽车公司2001年试制的全新线控4轮驱动燃料电池概念车Autonomy也采用电动轮驱动4。1.2.1国外电动汽车电机研究现状发展至今，对电动汽车研究处于领先地位的主要有日本、美国以及法国、德国为代表的欧洲国家。日本汽车保有量处于世界前列，而石油大部分依赖其他国家的进口，所以特别重视电动车的研发。美国的克莱斯勒、通用、福特三大汽车公司合作实施的新一代汽车合作计划和大燃料电池汽车写作计划对美国汽车技术革命、开发电动汽车起重要作用。电机驱动系统是电动汽车的心脏，电机性能可以说直接决定整车的行驶性能，电动汽车对电机驱动系统有严格的标准。一般而言，驱动汽车要满足下列几个条件：（1）足够大的瞬时功率，较强的短时过载能力用来满足爬坡、加速工况。（2）调速范围宽广。（3）在电动汽车各种运行情况下都有较高的效率，引尽量提高电动汽车的续航里程。（4）高可靠性，使用方便简单，价格适宜。（5）功率密度要高，小体积，质量小5。电动汽车电机主要有直流电机、感应电机、开关磁阻电机、永磁电机等。电动车发展早期，直流电机广泛于电动车的驱动系统中，日本铃木公司生产的电动车奥拓最高车速达到100km/h，一次充电续驶里程为70公里，电机所发出的峰值功率大概是22.3kW。但由于直流电机大部分质量大且效率不高，使其在电动车的应用逐渐被其他电机代替。结构简单、小噪音的感应电机较早的应用于电动车驱动系统中。现在比较出名的感应电机公司主要有AC Propulsion公司、BRUSA 和Siemens等6。位于美国加利福尼亚的 AC Propulsion 公司是感应电机领域最知名的企业之一， 其研发的感应电机驱动系统最高功率可达200 kW。AC Propulsion研发TZERO技术获得了多项专利，并为宝马等多家知名汽车制造商提供完整的电机、 电控产品及电动车系统技术。AC Propulsion开发的典型感应电机产品有 AC75、AC150和 LCM150 等。AC75的额定转矩为122 N m、峰值转速13 000 r /min。AC150 的峰值转矩超过225Nm，额定功率40 kW，第二代和第三代 AC150 的峰值转矩分别是220Nm 和225Nm。LCM150采用油冷，峰值功率150 kW，峰值转矩大于225Nm，最高转速13000r/min。瑞士 BRUSA公司主要生产电动车驱动电机系统及其他电动车产品。该公司典型的感应电机产品有ASM161712和ASM1 82410等。德国Siemens公司生产ELFA驱动电机，已应用于全球多个城市的电动巴士。其中包括伦敦、 汉堡和越南河内等。另外， Siemens 生产的NEMA电机也可应用于电动车领域7。由于永磁电机具有很高的功率密度和效率，并且散热较好8。因此，永磁同步电机系统在电动车领域已经得到了大量应用。目前代表世界最先进技术水平的几款电动车型，包括日产Leaf、丰田普锐斯等，均采用永磁电机驱动。目前，国际上知名的电动车永磁电机开发厂商包括UQM公司、 Remy公司、 TM4公司、 BOSCH公司和US Hybrid公司等。国内知名的开发厂商包括上海电驱动和精进电动等。美国UQM公司是世界知名的永磁电机系统开发商，其产品已经应用于日本 Hino 城市巴士CODA公司生产的电动车和奥迪A1 E Trons等。UQM 生产的永磁电机系统主要有Power Phase Pro和Power Phase Select两种。美国Remy公司是电动车驱动电机领域的领军企业之一， 其 HVH 系列电机是当前世界上最先进的驱动电机之一。目前 Remy 公司的客户主要包括通用、 戴姆勒和北美的大部分商用车厂家以及大众、 江淮、 长安等。加拿大TM4 公司主要从事高性能电机和控制系统的开发及其在新能源汽车和风能发电等领域的应用。TM4公司的典型永磁电机产品包括MTIVEA、M TIVE B和SUM HD 等，MTIVE的峰值速度12000r/min，峰值转矩170N/m( 350 V) 峰值功率 80 kW( 350 V) 。MTIVE B 的峰值速度12500r/min，峰值转180N/m( 320 V) 。SUMHD是9相直驱式电机，峰值转矩2700N/m,峰值功率为 230 kW。MTIVE A 和 MTIVE B 主要应用于乘用车，SUMHD 主要应用于公交车和重载卡车。美国 US Hybrid 公司的主要业务之一是为纯电动及混合动力汽车设计和制造电驱动系统。US Hybrid公司生产的永磁电机系统主要有永磁电HPM450和HPM1000等。HPM450 的峰值转矩为450Nm，峰值功率为120 kW，峰值速度为4500r/min。HPM1000 的峰值转矩1200N/m峰值功率120 kW，峰值速度为2500r/min。HPM450 主要用于中型电动及混合车辆，HPM1000主要用于中型及重型电动及混合车辆9。1.2.2国内电动汽车电机研究现状虽然我国传统汽车起步较慢，但在电动车发展的技术水平和产业化程度差距不会太大。国内电动车发展通过企业、高校、科研院所等多单位合作研发。发展至今，我国建立了电动汽车“三横三纵”（燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动车三种整车为“三纵”，多能源动力总成系统、驱动电动机、动力电车为“三横”）的布局。20世纪80年代以来，中国在对无刷直流电机展开了深入的研究。随着大功率半导体器件、电力电子技术、微电子技术、数字信号处理技术、现代控制理论的发展以及高性能永磁材料的不断出现，国内的永磁无刷直流电机已经成为集特种电动机、功率驱动器、检测元件、控制软件与硬件于一体的典型的机电一体化产品，体现了当工程科学领域的许多最新成果10。在转子材料发面，今年来，稀土永磁材料迅速发展，其矫顽力高、抗去次能力强，且常规去磁曲线在大范围线可逆性等特点为永磁无刷直流电机的设计开辟了广阔的前景11。国内较早研究电驱动企业单位的是东风电气东风电机集团，该公司研发的电动车感应电机种类较多，包含了不同功率等级的电机。生产的电机现主要应用于安凯电机、郑州日产、五菱等多家公司的电动车辆。此外大连电机集团、深圳市大地和电气有限公司和佳木斯电机有限公司等也推出了电动车感应电机相关产品12。由于感应电机具有价格便宜、方便维修、可靠性高等优点，因此在电动车驱动领域被广泛应用。不足的是，相较于永磁无刷直流电机，感应电机的低功率密度和低效率等缺点，制约了其在部分电动车驱动领域的应用。最主要的一点，电动车感应电机的驱动控制，尤其是低速驱动控制一直是技术的难点。在国内，无刷直流轮毂电机也有广泛应用。同济大学研制的“春晖”系列燃料电池概念车才用了4台无刷直流轮毂电机独立驱动13。中国科学院三环通用电气公司研制了电动轿车用无刷直流轮毂电机。开关磁阻电机是一种上单边励磁的双凸极电机，具有结构简单坚固、成本低、起动转矩大和低速性能好等优点。中纺锐力机电公司是国内较早从事开关磁阻电机的企业。该公司的开关磁阻电机产品分别应用于武汉市示范公交车和北京奥运会混合动力公交车，综合节油率分别达到 25%和21% 。目前，用作电动车驱动电机的开关磁阻电机所存在的主要是以下两个问题： （1）低噪声设计。尽管开关磁阻电机驱动系统的噪声研究大有进展， 但其仍未达到一个令人满意的水平;（2） 开关磁阻电机瞬时转矩控制14。开关磁阻电机瞬时转矩控制是减少转矩脉动和噪声、 提高电驱动系统动态性能最有效的手段， 但在理论和应用方面还需要进一步研究和完善。1.3论文的结构：具体论文结构框架如下：第一章绪论，主要介绍选题意义和课题背景，包括国内外研究现状和突出论文研究重点。第二章对电动车的结构进行简单介绍及无刷直流电机系统的分析，包括其结构特征和工作原理。第三章说明电动车台架的搭建和电机驱动系统的搭建。第四章本文的创新点，通过测量电动车电流、速度等数据，进行数据处理绘制关系曲线，得到最佳的输出电流大小、速度的关系。第五章 总结与展望。1.4本章概况：本章主要介绍了电机驱动系统设计课题背景、目的和意义，以及分析了国外、国内电机的发展现状，给出了本论文的结构框架。2电动车系统及电机原理2.1电动车系统组成跟内燃机汽车比较，电动车系统相对比较简单。电车系统总体可分为三个系统：电源供电系统、电力驱动系统、其他辅助系统等等。电动车跟内燃机区别最大的是采用电力驱动而不是燃料燃烧驱动。一般电力驱动系统是由电子控制器、驱动电机、机械传动装置、驱动车轮等组成。此系统的目的是为了将蓄电池的电能更有效率转化为驱动车轮的机械能。驱动电机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置驱动或直接驱动车轮（轮毂式电机）。在电动车发展初期。电动汽车普遍选取直流串激电动机，此类型电机具有“软”的机械特性，较符合汽车的行驶特性。但直流电机也有存在换向火花、比功率小、低效率、维修保养麻烦等缺点，随着电机技术的迅猛发展已经逐步被直流无刷电机替代。电动汽车所用的功率变换器是用DCDC转换和DCAC转换。前者又称为直流斩波器，用于直流电机驱动系统。两象限直流斩波器可以将蓄电池的直流电压转换成可变的直流电压，并能将再生制动能量进行反向转换。后者通常为逆变器，用于交流电机驱动系统，他将蓄电池的直流电压转换为频率和电压均可调的交流电。电动汽车一般只使用电压输入式逆变器，因为其结构简单同时可以进行双向能量转换。电子控制器又称为电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和变换设置的，目的是为了控制电机的电压和电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。在早期的电动车上，直流电机的调速是通过串接电阻或改变电机线圈匝数来实现的。因为其调速是有极的，并且会增加能量的损耗，现在较少采用。目前，电动车应用较多的是电力晶体管斩波调速装置。从技术的发展看来，伴随着新型驱动电机的应用，电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用，正成为必然的趋势。在驱动电机的转变换控制中，直流电机依靠接触器改变电枢或磁场的电流方向，实现电动机的转向变换，这使得控制电路复杂、可靠性降低。当采用交流异步电机驱动时，电动机转向的改变只需变换磁场三相电流的相序就可实现简化控制电路。此外，采用交流电动机及其变频调速控制技术，使电动车的制动能量回收控制更加方便，控制电路更加简单。电源系统包括电源、充电器和能量管理系统等。电源为电动汽车的驱动电机提供电能，电机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置驱动或直接驱动车轮。电源是决定电动车未来发展的关键之一。作为电动车电源应该具有高比能量和高比功率等性能，以满足汽车的动力性和续航里程的要求。其中，比能量定义为单位质量电池所能输出的能量，单位为Wh/kg;比功率为单位质量的电池所具有电能的功率；单位为W/kg。另外，还应具有汽车使用寿命相当的循环寿命、效率高、成本低和免维护等特点。目前，电池的种类主要有铅酸电池、镍铬电池、锂电池、燃料电池等。能量管理系统主要负责监测电源的使用情况以及控制充电机向蓄电池充电。辅助系统包括辅助动力源、动力转向系统、导航系统、空调器、照明装置、收音机和音响等。这些辅助设备可以提高汽车的操纵性和乘客的舒适性。2.2电动车的结构形式电动车的结构布置各式各样，灵活多变，概况来说可以分为电机中央驱动和电动轮驱及其相关器件，用一台电机驱动左右两侧车轮。该方案的操作方式与内燃机汽车相同，技术成熟、安全可靠，但相对来说就比较笨重，效率较低。电动机驱动形式的机械传动装置的体积和质量较电动机中央驱动形式的大大减小，效率显著提高，代价是增加了控制系统的复杂程度和成本。当然随着电子技术与控制理论的发展，技术或愈来愈成熟，所以该方案有很好的应用前途。图2.1给出了两种形式相对应的一些具体结构形式。动两种形式。电动机中央驱动形式借用了内燃机汽车的驱动方案，将内燃机换成电动机。图2.1(a)为电机中央驱动形式，直接借用了内燃机汽车的驱动方案，由发动机前置前驱发展而来，主要由电动机、离合器、变速箱和差速器组成。用电驱动装置替代了内燃机，通过离合器将电动机动力与驱动轮进行连接或动力切断，变速箱提供了不同的传动比以变更转速功率（转矩）曲线匹配载荷的需求，差速器实现转弯时两车轮不同车速的行驶。图2.1(b)为电动机中央驱动形式，由电动机、固定速比减速器和差速器等构成。在这种驱动系统中，利用电动机在大范围转速变化中具有恒功率的特性，采用固定速比减速器，由于没有离合器和变速器，因此可以减少机械传动装置的体积和质量。D差速器；FG固定速比减速器；M电动机 图2.1（a） 图2.1(b)图2.1(c)为另一种电动机中央驱动形式，它与前轮驱动、横向前置发动机的燃油汽车的不止形式相似，将电动机、固定速比减速器和差速器集成一体，两根半轴连接两个驱动车轮，这种布置形式在小型电动汽车上应用最普遍。图2.1(d)为双电动机电动轮驱动形式，机械差速器被两个牵引电动机所替代，两个电动机分别驱动各自车轮，转弯时通过电子差速控制以实现不同车速行驶，省掉了机械差速器。D差速器；FG固定速比减速器；M电动机图2.1（c） 图2.1(d)图2.1(e)为轮毂电动机驱动方式，电动机和固定速比的行星齿轮减速器安装在车轮里面，没有传动轴和差速器，从而达到简化传动系系统的目的。但是这种方式需要多个电动机，其控制电路也比较复杂，这种驱动方式在中性电动汽车上有较广泛的应用。图2.1(f)为另一种轮毂电动机驱动方式，舍弃电动机与驱动轮之间的机械传动装置，采用低速外转子电动机直接驱动车轮，电动机转速控制等价于轮速控制，要求电动车电机在加速、起动时具有高转矩特性。D差速器；FG固定速比减速器；M电动机图2.1（e） 图2.1(f)2.3电机类型选择目前，主要电机类型有感应电机、开关磁阻电机和无刷、有刷直流电机等种类。下面通过对电机的简要分析选择电机类型。感应电机又称为“异步电动机”，即转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，从而带到转子转动。转子式可转动的导体，通常多呈鼠笼状。定子是电动机不转动的部分，主要任务是产生了旋转磁场。旋转磁场并不是用机械方法来实现。而是以交流电通于数对电磁铁中，使其磁极性质循环改变，故相当于一个旋转的磁场。其主要优点是结构简单、运行维修方便、价格简单。缺点是功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能差。由于电动车对电机有调速范围广的要求，故不考虑使用感应电机。开关磁阻电机是一种新型调速电机，调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。无刷直流电机与开关磁阻电机相比较，他们有以下几点不同：1无刷直流电机转子上嵌有高性能永磁材料，产生用于电机做工的主磁场，电机运转时不用从电网中吸收电能励磁，而开关磁阻电机转子上没有永磁体，电机需要从电网中吸收电能励磁，产生主磁场，造成能量消耗，因而无刷直流电机节能效果好。2无刷直流电机定子采用多槽结构，转子磁场与转子磁场几乎同步运转，电机运转平稳性好，震动小；开关磁阻电机定转子均开有少数的齿槽，电机转动时齿槽效应较大，电机震动较大、噪声大。 3无刷直流电机永磁转子磁场强度高，在电机启动时很小的电流就能长生足够大的转矩，这是其它任何形式的电机所不能比拟的；开关磁阻电机的转矩来自于磁阻效应，起动转矩远不如无刷直流电机大。 4因无刷直流电机转子上具有超强的磁场，在需要能量反馈的场合，如车辆新型刹车和下坡滑行时，该电动机马上变为发电机给电瓶充电，而不需要任何励磁电流，反馈性能优良；开关磁阻电机转子上既无磁钢又无可加励磁电流的线圈，只能靠磁阻效应发电，反馈性能很差。 5开关磁阻电机转子既没有任何线圈或磁钢，电机本身的可靠性较高，电机成本较低。 综上所述无刷直流电机与开关磁阻电机相比具有以下特点： （1）电机转速平稳、振动小，增加系统可靠性。 （2）系统效率提高20%以上，能使电网品质因数极大提高。 （3）启动转矩大、启动电流小。 （4） 制动性能好，制动电流小。 （5） 回馈性能好，回馈线路简单。 （6）成本较高、本身可靠性稍低结合以上分析和实际电动车搭建要求，本设计采用无刷直流电机来完成电动车电机驱动系统的搭建。下面对无刷直流电机的结构、运行原理、控制方法等进行介绍。2.3.1无刷直流电机结构:电机结构：永磁无刷直流电机可以看做是电子换相装置取代机械换向的直流电机，该型号电机主要由永磁电机本体、转子位置传感器、电子换向电路组成15。无论从结构和控制方式来看，永磁无刷直流电机与传统的的直流电机都有很多的相似之处：用装有永磁体的转子取代有刷电机的定子磁极，用具有多相绕组的定子取代电枢；采用固态逆变器和轴位置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷。结构如图所示：图2.2 永磁直流无刷电机的结构电机本体和永磁同步电动机（PMSM）相似，转子采用永久磁铁，目前多使用稀土永磁材料，但没有笼式绕组和其他启动装置。其定子绕组采用交流绕组形式，一般制成多相，转子由永久磁钢按一定极对数组成。在结构布置上需要定子绕组中获得顶宽为的梯形波，因此绕组形式通常采用整距、集中的形式，以便保留磁宽中的其他谐波。无刷直流电机依靠电子换向器将方波电流（由于绕组电感作用，实际也是梯形波）按相序逐次输入到定子的各相电枢绕组中。当无刷直流电机定子绕组通电时，该相电流产生的磁场与转子永久磁铁所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转。转子位置传感器将转子磁铁位置变成电信号去控制电子开关电路，为了使电子的各相绕组按一定的次序导通，使定子的相电流随转子位置变化而按正确的次序换相。这样才能让定子磁场随转子的旋转不断变化、产生与转子转速同步的旋转磁场，并使定子磁场与转子磁场始终保持90左右的空间角，用最大转矩推动转子旋转。因为电子开关线路的导通次序与转子的磁场始终保持基本垂直，以提高运行效率。所以无刷直流电机就基本结构而言，可以认为是一台电子开换相电路、永磁式同步电机以及位置传感器三者组成的“自同步电机系统”，在运行过程不会失步。伴随着新型永磁材料的实用化，电机转子的结构越来越多样化，使永磁无刷直流电机BLDCM正朝着高出力、高精度、微型化和耐环境等多种用途发展。电子换向电路由功率变换电路和控制电路两部分组成，它与位置传感器相配合，控制电机定子各相绕组的通电顺序和时间，起到与机械换向类似的作用。当系统运行，功率变换器接受控制电路的控制信息，将系统工作电源的功率以一定的逻辑关系分配给无刷直流电机定子的各相绕组，以便使电机产生持续不断的转矩。电动机各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号，但位置传感器所产生的信号一般不能直流用来驱动功率变换器的功率开关元件，往往需要经过控制电路进行控制电路进行逻辑处理、隔离放大后才能驱动功率变换器的开关元件。驱动控制电路的作用是将位置传感器监测到的转子位置信号进行处理，按一定的逻辑代码输出，去触发功率开关管。2.4无刷直流电机基本原理：无刷直流电机采用电子换向装置代替了传统直流电机的机械换向装置，又具有与直流电机类似的机械特性。其永久磁钢置于转子处，用于在电动机气隙中产生磁场。其定子电枢绕组通电产生感应磁场，在两个磁场相互作用下，驱动转子转动，为使转子不停转动，需要不断地变换定子绕组通电方式，产生旋转磁场。为保证产生最大的电磁转矩，通常需要使绕组磁场与转子磁场保持垂直。由于采用换相的控制方式，其定子绕组产生的旋转磁场并非连续，而是跳变的磁场，使得其磁场在与转子磁场保持垂直的一个区间，而非绝对垂直。无刷直流电机理想状态下的机械特性与有刷直流电机在恒定励磁条件下的机械特性完全相同如下列式2.1所示： n=U-UKe-RKeKtTa 2.1式中n电机转速(rmin)；U电机电压(V)；功率管管压降(v)；电动势系数；转矩系数；R电机内阻(Q)；电机平均转矩(Nm)。2.4.1无刷直流电机的基本控制方法无刷直流电动机的驱动方式包括半桥驱动和全桥驱动。目前以三相星形全桥驱动方式最多，控制方法分为两两导通(120度导通)、三三导通(180度)两种16。在具体控制方法中，又分为有、无位置传感器两种情况。三相绕组产生的磁场在360度电角度内将产生多种状态。半桥驱动时，绕组合成磁场取决于通电相绕组在气隙中产生的磁场，将有三种状态。全桥驱动时，绕组合成磁场将有六种合成状态。半桥驱动电路下电动机绕组利用率低，每个绕组只通电1/3时间，没有充分利用，且转矩波动较大。因此，对于三相星形连接绕组的无刷直流电机，通常采用三相全桥控制电路。其控制系统结构如图 图2.3 无刷直流电机驱动系统示意图 由V1V6六只功率管构成的驱动全桥可以控制绕组的通电状态。按照功率管的通电方式，可以分为亮亮导通和三三导通两种控制方式。2.4.2两两通电方式在两两导通方式下，每一瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期即60度电角度换相一次。每次换相一个功率管，每只功率管持续导通120度电角度。每个绕组正向通电，反向通电各120度。对应每相绕组持续导通120度，在此期间对于单相绕组电流方向保持不变。假设流入绕组的电流产生正的转矩，流出绕组的电流产生负的转矩。在A相电流为正，c相电流为负时，则有合成转矩如图2.4(a)所示。每隔60度角换相一次意味着每隔60度合成转矩方向转过60度，大小保持。 （a） (b)图2.4转矩合成矢量图2.4.3三三通电方式每一瞬间有三只功率管通电，每60度换相一次，每只功率管通电180度。对于三三通电方式，每一瞬间有三只功率管导通，每隔60度换相一次，每一功率管通电180度电角度。在电流流入A相，经B、C相流出时，合成转矩如图2.4(b)所示。每隔60度换相一次意味着每隔60度合成转矩方向转过60度，合成转矩大小为1.5。由于两两导通方式提供了相比三三导通方式更大的电磁转矩而被广泛采用，在两两导通方式下，相电流波形如图25所示。位置传感器的信号状态区分，将无刷直流电机的运行状态分割六个状态。保证产生最大的电磁转矩，通常需要使绕组合成磁场与转子磁场保持垂直。由于采用换相控制方式，其定子绕组产生的磁场并非连续旋转，使得该磁场与转子磁场的位置保持在60度到120度相对垂直的范围区间。功率管的换相信号需要从位置传感器的状态得出，换相时刻也就是霍尔传感器的信号状态改变时刻。图2.5 相电流与反电动势相位关系2.5无刷直流电机调速方法和电磁转矩2.5.1电动势和调速方法无刷直流电机定子绕组相电动势幅值由以下式2.2确定E=2fN1=2pn60N1n=Cen 2.2式中，为电动势系数；考虑线路损耗及电动机内部压降（已归入），而且120导通型逆变器的输出电压幅值为，则电动势E与外加电压相平衡，E,即 12Ud=Cen+12IdRtotal 2.3 n=12(Ud-IdRtotal)Ce 2.4式中，为回路等效电阻，包括电动机两相电阻和管压降等效电阻式2.3表明，无刷直流电机的转速公式与直流电动机的转速公式十分相似，无刷直流电动机的转速调节可通过改变直流电压来实现。2.5.2电磁转矩无刷直流电机的电磁转矩可由电动机电磁功率P和角速度求得 Te=Pe=(Ud-IdRtotal)I 2.5将式2.2、式2.4带入式2.5中可得到 Te=2N1Id2.6本章小结本章主要介绍了电动汽车驱动结构，选取无刷直流电机作为驱动电机并对其结构组成和运行原理等特性进行讲解。3电车系统以及电机驱动系统搭建3.1电动车台架搭建本设计系统是以汽车学院研发平台电动车基本台架为基础实现的，此电动车的实物图如图3.1所示图3.1电车台架图3.2 电动小车solidwork建模效果图电动汽车台架搭建成果如上图所示，主要由蓄电池、电机、电机控制器、车轮、汽车简要悬架、方向机构等组成。采用轮毂式电机驱动方式（后轮驱动），参照驱动方式如图3.3所示，此设计舍弃电动机与驱动轮之间的机械传动装置，采用低速外转子电动机直接驱动车轮，电动机转速控制等价于轮速控制，要求电动车电机在加速、起动时具有高转矩特性。经过第二章的分析，本次设计的驱动电机是直流电机。图3.33.2理想电动汽车电机驱动系统动力特性在各种可能工况下，汽车行驶所需的功率、转矩或驱动力与行驶车速围成的平面构成汽车的驱动特性场，受路面条件和动力输出约束，理想的汽车驱动特性场如图3.1所示。其中 Ft为驱动力，Nv为车速，km/h。从汽车动力性要求来看，最佳的汽车动力传动系设计应为在驱动轮处获得图3.1所示的理想驱动特性场，评价和对比汽车动力性能的指标可选为汽车在驱动轮处实际的输出驱动特性场占理想驱动特性场的百分比， 百分比越大， 动力性能越佳。对电动汽车，为获得最佳的动力性能，使电机驱动系统的动力特性尽可能地接近理想汽车驱动场十分必要，即低于额定工作转速为恒转矩输出、高于额定转速为恒定功率。图3.4理想的汽车驱动特性场3.3电机参数选定原则根据电动汽车最高车速来计算动力系统驱动电机的额定功率给出了车辆的预期最高车速，选择的驱动电机的输出额定功率应大体等于，但不小于最高车速行驶时的行驶阻力功率之和，在计算车辆最高车速形式所需的功率时忽略加速阻力功率与坡道阻力功率17。即 Peu=13600tfmg+CDAumax221.15umax 2.6式中：最高车速行驶时的行驶阻力功率（Kw）；机械传动效率；f，滚动阻力系数；m，电动汽车整车最大质量（kg）；g，重力加速度（m/）；空气阻力系数；A，车辆迎风面积（m2）；车辆的最高行驶速度（km/h）；代入整车参数值，由于采取的轮毂式电机没有其他机械连接，考虑能量损耗取查表取f=0.008，m=150kg；A=1,；得到所需的功率值为Peu=136000.950.0081509.8+0.33130221.1530=0.226kw选取驱动电机功率为250W226W，合适。电机电压选定为36V，我们采用的是12V的蓄电池，通过升压器将电压调整为36V。3.4电动车电机驱动系统的设计要求电动汽车是以电力驱动的交通工具，由电动机、功率变换器、控制器和电源组成其核心电机驱动部分，而传统的汽车是以石油和天然气为能源，由内燃机将化学能转化为机械能驱动的，二者存在很大区别。对于传统的内燃机汽车而言，内燃机的转矩转速特性仅局限于一个狭窄的范围之内，汽车所需的不同机械特性只能通过机械变速装置来实现，一般汽车有4-5个挡位，其驱动特性如图3.5所示；同时内燃机只在高速和中等转矩时才运行与高效区，而低速和起动时效率更低，如图3.6所示，内燃机效率一般小于15%的18，城市行驶的车辆尤甚，所以内燃机汽车的经济性和驾驶舒适性较差，采用电力传动系统可以较好的解决这一问题19。 图3.5 图3.6 电动车电机驱动系统的设计多种多样，并且各有千秋。例如对纯电动车来说，就可以采用单电机驱动、双电机驱动甚至多电机四轮驱动，或者采用轴式电机或轮式电机，以及齿轮减速或者直接驱动等，而混合动力电动车也有串联和并联之分。不同用途和不同性质的电动车锁采用的电力传动方式也不尽相同，所以采用的电机类型也不一样，例如轻型电动车（包括电动自行车、电动摩托车和低速电动四轮车等）多采用轮式直接驱动方式，并且多采用无刷直流电动机；在混合动力电动车中，混合动力轿车多采用并联型驱动方式，而混合动力公交车多采用串联型混合车驱动方式，电机形式目前多以永磁同步电机为主。尽管电力驱动系统结构形式多种多样，但都遵守以下总体要求：（1） 基速以下输出恒定大转矩，以适应快速起动、加速、爬坡、频繁起动的要求；基速以上恒功率输出，以减小供电装置的设计容量，降低驱动器的成本，一般二者之比在1:3和1:5之间，其机械特性如图3.7所示，因此电动车电机的调速范围应覆盖恒转矩区和恒功率区，调速范围宽20； 图3.7（2） 在整个运行范围内电气系统的效率最优化，以谋求续驶里程尽可能长。尽管在续驶里程方面，开发比能量高的新型电池是更根本的解决办法，但是提高电气传动系统的效率、减小系统损耗也是重要一环。通过对电动车能量管理系统的仿真研究发现，系统效率每增加l，相当于减轻50kg载荷或者减少l蓄电池用量产生的效果， 因此高效电机及其驱动系统的研究意义重大；而一般工业用电气传动系统通常仅仅是在额定工作点附近取得最佳性能指标；（3） 驱动系统结构坚固、体积小、重量轻、免维护、抗颠簸震动，能适应恶劣的野外工作环境，具有高可靠性和坚固性；（4） 单位功率的系统设备价格尽可能低。目前电动车的价格要比普通燃油汽车贵一倍多，每kW电气传动系统设备的价格约为$1021，长远目标为$4，价格问题是影响电动车发展的关键之一；（5） 具有较高的瞬时转矩，以获得较好的加速和起动特性；（6） 能适应供电电压比较大的变化，这对于未来的燃料电池电动车(FCEV)意义更大；因此，用于电动车的电机及其驱动系统与一般工业用途的电机及其驱动系统有许多不同特性，电动车的电机及其驱动系统必须具有调速范围宽、瞬时转矩大、效率高、功率密度大的特点；同时电气系统应具有快速的转矩控制功能和完善的失效保障措施，以保证驾驶安全；控制器设计应考虑能量回馈和节能，以提高一次充电的续驶里程等，因此用于电动车的电机及其驱动系统的设计要求更高，功能更复杂。提高电机及其驱动系统的性能对提高电动车的整体性能具有极为重要的意义，也是提高电动车市场竞争力的关键。3.5电机驱动系统搭建在电动车台架中，电机驱动系统中由轮毂式电机、电机控制器、蓄电池、升压器、手把机构组成。选取的电机控制器如图3.8所示，通过插头说明，接好电池、电机、油门线，由于电动车台架比较简单其他一些插头可以不接，三线 （主电源线正极，主电源线负极，电门锁控线），这个比较好找的，除了电机线，电源线与电机线是一样粗细的，电机线为蓝绿黄，电源线一般都为红黑线，比电机电源线要细很多，比其他功能线又粗一点的便是锁线了，锁线有的是红色，有的是橙色，但是最好不要看颜色，根据线材的粗细区分不容易搞错，接线时的注意要点，线材的颜色要认真核对，不能接发和接错，接错了容易损坏控制器内部，接反了电池正负极之间短路，直接的伤害控制器内部电容爆炸，线材烧毁。找到了电源和锁线后，手把控制线如图三pin的公塑壳较为常见：一根为+5V供电线(红线），给手把供电一根为接地（黑线），到控制器负极一根为调速信号（蓝色），手把从小拧到最大时，此电压由低变高，电机转速由慢变快。霍尔线就比较好接了，都是为6pin的塑壳5根线，主要是接好后可能要调相位，电机线黄蓝绿三根粗线，先按照颜色也电机线对接，转动一下后再看是反转或者响，再颜色交叉连接试试直至调整为正转22。图3.8搭建好电动车台架后，实现了电机的在线运作。电动车在空载情况下的最高车速可达到30km/h，载人的情况下是20km/h左右。下列是电动车空载和负载的实例图片：图3.9空载工况电车运行示例图3.10负载情况电车运行示例3.6本章小结本章主要介绍了电动车台架的搭建，以及电动汽车电机驱动系统的要求和系统的搭建完成，实现了电机驱动系统的运作4电机控制策略4.1数据的采集做好电动车台架调试后将电动车台架推出操场行驶，将万用表串联进驱动电路中并固定好。经过测量我们发现电动车在刚启动时电流时最大的（12A左右），之后慢慢回落到3A-5A。下列表格是电车在不同速度下的参数： 表4.1 电车速度、电流和转速等数据电动车速度（km/h）测量电流(/A)电动车转速（r/min）012.32052200102.4400153600203.2800254.5850305.7900通过测量得出电机在启动时，为了获得较大的转矩出现了高电流的情况，启动后降低至2A，后面随速度增大而逐渐增大。4.2电机控制策略选择针对数据处理，下面列举控制策略并进行分析选择最合适的方案达到驾驶的舒适性和节能的效果。4.2.1电压控制策略如式4.1直流电动机系统在调压调速特为（忽略电池内阻）： Te=CmUd0-nCeR 4.1上式中，为电动车输出转矩，Ce、 Cm为电动机系数，R为电动机电枢回路的等效电阻，n电动机转速，为电机两端电压。文献13提出最大输出电流限制前提下可以得到调压调速机械特性，如图4.1所示。通过电压控制的方式，不同电压下的外轮廓斜线是一组相互平行的斜线。对于大多数电车采用的驱动电机，因为功率较大，就要求电枢电流也较大，出于电动机效率的考虑，其电枢回路的等效电R要比较小，因为电机系数Ce、Cm较大，因此这些斜线的斜率都很大。电机控制器通过控制电压来改变电动车转矩，由式（1）可得到较小的电压变动都会引起电动车转矩大波动，造成驾驶舒适性不好。故不采用电压控制策略。图4.1无刷直流电机的调压调速特性4.2.2转速控制策略内燃机汽车是通过油门开度来控制汽车转速，转速控制策略是通过闭环控制方式来转速。相对于内燃机汽车来说，即使遇到不同行驶工况下都可通过不同的油门开度来达到该档位的最高车速，但电动车采用的闭环控制，油门踏板不同就决定了不同的车速。在此种控制策略下，电车有一个很大的惯性，电机输出转速迅速响应控制器的命令，此时输出的力矩是比较大的，造成电车的加速度很大。文献16中指出，在驾驶过程中，驾驶员控制指令大多数为有限转角的踏板方式，有公式4.2 n=k 4.2式中，n为汽车转速，k为汽车动力转换系数，为汽车油门踏板深度。由上式可得，在颠簸路面上，由于车辆的振动会引起踏板有位移变化，即上式中的发生变化。正是这种微小的位移会导致车辆速度不断在短时间内变化，这必然会造成乘坐舒适性大大降低。故不采用转速控制策略。4.2.3力矩控制策略文献18提出无刷直流电机系统，采用积分作用进行调节的电流负反馈控制实际上属于力矩控制。同时文献提到了在理想电源条件下，无刷直流电机的力矩、转速特性曲线方程可表示为： Te=CmId 4.3内燃机在主要转速范围内，输出为近似的恒力矩特性，通过驾驶员的操纵，使车辆的原动机基本保持在高效率工作区，采用电流控制策略的电