《电动汽车驱动与控制技术》课件 第7章 电动汽车驱动控制技术

本章内容7.1电动汽车驱动系统概述7.2电动汽车驱动系统的组成及要求7.3电动汽车驱动系统的性能7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制7.6电动汽车无刷直流电机制动能量回收及制动力分配策略第七章电动汽车基本结构与工作原理7.1电动汽车驱动系统概述在当前技术条件下，运动控制系统多指以系统控制器为核心，以电力电子线路为功率变换装置，以电动机及其传动装置为执行机构，以传动装置所带的负载为控制对象，再辅以必要的测量与变送电路所组成的电气传动自动控制系统。7.1电动汽车驱动系统概述电动汽车驱动系统是一种典型的运动控制系统，其任务是通过调节驱动电动机的旋转速度或转角来实现对汽车运行速度或位移的控制。电动汽车驱动系统可以依据不同的方式进行分类：（1）按照系统参考输入信号的变化规律，可分为恒值控制系统和随动控制系统（2）按照系统是否存在输出量的反馈通道，可分为开环控制系统和闭环控制系统7.1电动汽车驱动系统概述开环控制系统框图闭环控制系统框图给定输入控制器执行机构被控对象被控量扰动7.1电动汽车驱动系统概述对于电动汽车而言，为了使驱动系统获得良好的性能，有必要结合闭环控制的思想，对驱动系统的结构进行改造。7.1电动汽车驱动系统概述比较装置接收来自控制信号发生器的输入信号和来自测量与变送装置的反馈信号并进行比较，产生误差信号，作用到驱动系统控制器上。驱动系统控制器根据自身算法和误差信号进行计算，产生控制指令，使得电机控制器产生合适的电压或电流，驱动电动机在期望的速度上旋转，进而通过传动装置推动电动汽车运行。在电动汽车驱动系统中，电动机驱动方式可分为单电机型和多电机型。若把电动汽车看成一个大系统，则该系统主要由电力电子驱动子系统、电源子系统和辅助子系统组成。另外，从其执行功能来看，电力电子驱动子系统还可分为电气和机械两部分。如图为单电动机驱动系统的基本结构图。7.2.1电动汽车驱动系统的组成7.2电动汽车驱动系统的组成及要求动力电池作为电动汽车的核心部件，一直都被认为是电动汽车发展的核心技术，也是制约电动汽车发展的重要瓶颈，其性能直接影响着电动汽车的动力性、经济性和续航能力，也与电动汽车的安全性直接相关。7.2电动汽车驱动系统的组成及要求电动机早期电动汽车驱动电机大部分采用直流电机。随着电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的发展以及新材料的出现和现代控制理论的应用，机电一体化的交流驱动系统显示了它的优越性。效率高、能量密度大、驱动力大、有效的再生制动、工作可靠和几乎无需维护。7.2电动汽车驱动系统的组成及要求功率变换器在现代电动汽车电驱动系统中，通过功率变换器将电池储存的直流电经电压/频率变换后供给电机和其他交流负载使用。电子控制器电子控制器是电动汽车驱动系统的核心控制部件，通过电动机驱动控制算法与电力电子器件相配合，可根据不同的行驶工况实时调整功率开关的状态，达到控制电动汽车行驶状态的目的。7.2电动汽车驱动系统的组成及要求电动汽车驱动系统是电动汽车的核心，其性能决定了整车性能的优劣。7.2.2电动汽车对驱动系统的要求电动汽车的运行工况非常复杂，因此，电动汽车的电机驱动系统有别于一般工业应用的电机传动系统，除了具有普通电气传动系统的共性外，还需要满足以下几点要求：7.2电动汽车驱动系统的组成及要求7.2电动汽车驱动系统的组成及要求特点：高转矩-惯量比和宽调速范围。在整个转矩/转速运行范围内高效运行。加减速性能好，转矩控制灵活且响应快，可适应路面变化及频繁的起动和刹车。电机及电控装置结构坚固、体积小、重量轻、抗颠簸振动，有一定的过载能力，单位功率系统的设备成本尽可能低。可靠性好，适用于电动汽车的各种恶劣工况。操纵性符合司机驾驶习惯，运行平稳，乘坐舒适，电气系统保障措施完善。电动汽车驱动系统的性能是电动汽车设计过程中需要着重考虑的环节，亦是电动汽车整车性能得以满足的前提和基础。下面对电动汽车驱动系统的性能指标进行说明。7.3电动汽车驱动系统的性能7.3.1基本性能要求稳定性按照驱动系统受到干扰后响应形式的不同，可以将系统的稳定性分为稳定、临界稳定和不稳定三种形式。需要指出的是，电动汽车设计过程中，要求驱动系统具备良好的稳定性，对于临界稳定和不稳定状态，均不符合电动汽车安全行驶的要求。7.3电动汽车驱动系统的性能7.3电动汽车驱动系统的性能准确性电动汽车驱动系统的准确性是指电动汽车行驶过程中，从一个平衡态过渡到另一个平衡态后，被控输出量的实际值与期望值的差值。准确性一般采用稳态性能指标——稳态误差来进行表示：稳态误差越小，表明电动汽车驱动系统输出跟随输入值的准确度越高。快速性电动汽车驱动系统的快速性表征电动汽车从一个状态过渡到另一个状态的快慢程度。一般用暂态性能指标——调整时间来表示。显然，调整时间越小，电动汽车驱动系统的快速性越好。7.3.2动态性能指标跟随性能指标在给定的参考输入信号（通常为给定车速）作用下，驱动系统输出量（实际车速）的变化情况可以用跟随性能指标来进行描述。

电动汽车行驶过程中，给定信号通常为瞬间跳变的车速值，属于典型的阶跃信号。以输出量的初始值为零时给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，这时的输出动态响应称为阶跃响应。7.3电动汽车驱动系统的性能7.3电动汽车驱动系统的性能电动汽车驱动系统阶跃响应过程和跟随性能指标7.3电动汽车驱动系统的性能常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、峰值时间、超调量和调节时间。上升时间：电动汽车驱动系统在跟随给定阶跃信号的过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值所用的时间称为上升时间，用来表示动态响应的快速性。峰值时间：电动汽车驱动系统在阶跃响应过程中，时间超过后输出有可能会继续升高，到达最大值的时间称为峰值时间。7.3电动汽车驱动系统的性能常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、峰值时间、超调量和调节时间。超调量：电动汽车驱动系统阶跃响应最大值超出稳态值的百分比称为超调量，可表示为：调节时间：调节时间又称过渡时间，用于衡量电动汽车驱动系统输出量调节过程的快慢。抗干扰性能指标抗干扰能力是电动汽车驱动系统的一项重要性能指标。电动汽车稳定运行过程中，突加一个使输出量降低的扰动量F之后，输出量由降低到恢复为稳态值的过程称之为抗扰过程。7.3电动汽车驱动系统的性能电动汽车驱动系统突加扰动后的动态过程和抗扰指标7.3电动汽车驱动系统的性能一般而言，常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。动态降落：电动汽车驱动系统稳定运行时，突加一个约定的负扰动量，所引起的输出量最大降落值称为动态降落。电动汽车驱动系统输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值（通常），称为驱动系统在该扰动下的稳态误差，即静差。恢复时间：电动汽车驱动系统从扰动作用开始，到输出量基本恢复稳态，输出值与新稳态值之差进入基准值的±5％（或±2％）范围内所需的时间，称之为恢复时间。7.3.3稳态性能指标电动汽车行驶时，驱动系统的稳态性能指标可用稳态误差来进行衡量。为提升电动汽车的跟随性能，在进行电动汽车驱动系统设计时，通常希望稳态误差尽可能小。然而，受输入量、扰动量、输入函数形式的影响，驱动系统的输出很难在任意时刻都与给定量一致。加之驱动系统中不可避免地存在摩擦、不灵敏区等非线性因素，在电动汽车实际行驶过程中，驱动系统的稳态误差通常是无法完全避免的。但是，对于一个满足实际行车需求的电动汽车驱动系统，其稳态误差必须控制在允许的范围之内。7.3电动汽车驱动系统的性能一个典型的电动汽车驱动系统闭环控制结构图可由图表示，其中为给定的参考输入，为前向通道（即驱动电机、电力电子变换器、传动系等）的传递函数，为反馈通道传递函数，为驱动系统输出，为误差信号。7.3电动汽车驱动系统的性能电动汽车驱动系统结构图当驱动系统的输出不等于给定输入时，误差可表示为：由图7-7可知驱动系统误差传递函数为：则取拉氏反变换可得：由拉氏变换终值定理可得：7.3电动汽车驱动系统的性能电动汽车驱动系统结构图7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制直流电机以其调速性能好、启动转矩大及过载能力强等优点，广泛用于各种高调速性能、大启动转矩的场合。本节以电动汽车永磁直流电机驱动系统为研究对象，通过建立其驱动电动汽车的数学模型，分别从车速开环控制、车速单闭环控制、车速-电流双闭环控制三方面对电动汽车永磁直流电机驱动系统特性进行分析，并给出了电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制方法。7.4.1电动汽车直流电机驱动系统模型

永磁直流电动机等效电路7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制由图可得永磁直流电机的电压平衡方程：感应电动势为：

电磁转矩为：忽略粘性摩擦的电机拖动方程为：

其中，表示包括电机空载转矩在内的负载转矩，单位为；表示电力拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮力矩，单位为；为直流电机的电动势常数；表示电动机额定励磁下的转矩电流比，单位为。7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制令为电枢回路电磁时间常数（单位为），为电力拖动系统机电时间常数（单位为），可得永磁直流电机的数学模型为：可以得出永磁直流电机的动态结构图永磁直流电机动态结构图7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制

DC/DC功率变换器数学模型直流电机驱动电路有多种形式，目前在电动汽车中应用最广的是二象限DC/DC功率变换器。其主电路如图所示。电动汽车直流驱动电机二象限DC/DC变换器主电路7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制（a）电动状态的电压、电流波形

（b）轻载电动状态下电流波形电动状态的电压、电流波形7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制电动汽车动力学建模7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制直流电机驱动电动汽车的数学模型7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制永磁直流电机驱动电动汽车的动态结构图如图所示。是由摩擦阻力和爬坡阻力产生的负载转矩，是由风阻产生的等效负载转矩，，表示非线性环节，为等效负载转矩。永磁直流电机驱动电动汽车动态结构图7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制电动汽车车速开环控制方式电动汽车车速开环控制系统就是用加速踏板或者制动踏板对汽车车速直接进行控制，是一种最简单的控制形式，其系统构成如图所示。开环控制系统构成图7.4.2电动汽车直流电机驱动系统的车速控制方式7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制给定积分器的作用是避免突加给定时，导致电机电枢回路电流过大而增加的环节，稳态时其系数为1。电动汽车车速开环系统的稳态结构如图所示，其中，。永磁直流电机驱动电动汽车动态结构图7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制根据图可以得出在开环控制下电动汽车车速的表达式：7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制电动汽车车速开环控制系统的主要特点如下：控制电路简单，成本低；当动力电池电压等参数波动时，无调节作用，抗干扰能力差；是其它控制系统调试的基础；由于给定积分器的作用，其起步加速和动力性能指标不高。电动汽车电流单闭环车速控制方式电动汽车电流单闭环控制系统就是用加速踏板的信号代表电机电枢电流，实际上就是代表电机输出电磁转矩的给定值，其系统构成如图所示。电流单闭环控制系统7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制为实现电流给定的无差控制，电流调节器ACR（AutomaticCurrentRegulator）选用非饱和PI调节器，其稳态结构如图所示。电动汽车电流单闭控制环稳态结构框图7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制由式可以看出，车速和并无直接函数关系，对电动汽车车速的控制需要通过驾驶员根据实际情况间接实现。电流单闭环车速控制系统动态结构如图所示。电流单闭环控制系统动态结构框图7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制电流单闭环车速控制系统的主要特点如下：加速踏板信号为电机电枢电流给定，实质上代表电机输出电磁转矩，驾驶员操纵电动汽车和普通燃油汽车的感觉相同；动力电池的电压在整个驾驶过程中是逐渐降低的，由于其影响在电流环内，系统具有自调节能力；车速是驾驶员通过踩加速踏板控制电枢电流来间接实现的，因此该模式下的车速控制实际上是驾驶员和控制系统一起构成的广义车速控制系统；为使加速时间最短，要求驾驶员在电动汽车起动时应将踏板一直踩踏到底，直到达到期望的车速。7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制电动汽车车速-电流双闭环控制方式7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制从以上分析讨论可以看出，无论是车速开环控制系统还是电流单闭环车速控制系统，均无法满足电动汽车车速快速、稳定、精确控制的要求。电动汽车实际行驶过程中，驾驶员通过观察实际车速，改变加速踏板的位置，以达到满意的车速。因此，电动汽车的车速控制实际上是驾驶员通过广义的车速闭环控制来实现的。车速-电流双闭环控制系统构成图7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制车速-电流双闭环控制系统的主要特点如下：加速踏板位置直接代表驾驶员期望车速，直观便于理解；采用饱和非线性控制，实现准时间最优控制，使得起动加速性能最优；在行驶过程中，由于振动等因素会导致踏板产生微小的位移，这种微小位移导致车辆在不停地以最大加速或减速进行驱动，其乘坐舒适性会降低，因此车速-电流双闭环控制策略适用于道路情况良好的巡航控制；车速-电流双闭环控制系统特别适合于理论研究分析；车速调节器ASR的参数随变速器的速比变化，控制器的设计比较复杂。车速-电流双闭环控制系统模型为了获得良好的静、动态性能，车速和电流两个调节器一般都采用带限幅作用的PI调节器，车速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流调节器给定电压的最大值（也就是踏板信号的最大值），电流调节器ACR的输出限幅限制了PWM变换器的最大输出电压。车速-电流双闭环控制系统的稳态结构如图所示。7.4.3电动汽车直流电机驱动系统车速-电流双闭环控制7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制车速-电流双闭环稳态结构框图在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。当车速调节器不饱和时，由图可知，双闭环调速系统在稳态工作中，两个调节器都处于不饱和状态。7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制上式表明，在稳态工作点时，车速是由给定的踏板电压信号决定的，车速调节器ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制信号的大小是由车速和负载电流同时决定的，或者说是由和负载电流同时决定的。7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制

为电流反馈系数，定义如下：为车速反馈系数，定义如下：7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制车速-电流双闭环系统的动态结构框图7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制一般来说，双闭环控制系统具有比较满意的动态性能，对于电动汽车车速控制系统来说，最重要的动态性能就是抗干扰性能。其抗干扰性能主要体现为抗负载扰动和抗蓄电池电压扰动两方面。抗负载扰动负载扰动作用在电流环之后，所以只能设计具有良好性能指标的车速调节器ASR来产生抗负载扰动作用。抗蓄电池电压扰动由于有电流内环调节，电压波动可以通过电流反馈得到及时的调节，而不必等到它影响到车速以后才进行调节，因此系统抗干扰性能比较好。在双闭环系统中，由动力电池电压波动引起的车速动态变化会比单闭环系统小很多。7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制车速-电流双闭环系统的动态扰动作用电动汽车直流电机驱动系统车速-电流双闭环控制仿真验证为验证电动汽车直流电机驱动系统车速-电流双闭环控制的有效性，在MATLAB下展开仿真研究。7.4.3电动汽车直流电机驱动系统车速-电流双闭环控制7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制电动汽车直流电机驱动车速-电流双闭环系统仿真框图车速调节器ASR的限幅值取5V，电流调节器的限幅值取1V，若取给定加速踏板信号为3V，则三档位的期望车速应为54km/h（15m/s），在Matlab/Simulink下的仿真结果如图所示，图中分别给出了加速踏板给定信号、PWM装置的控制电压、电机电枢电流及车速随时间变化的曲线。7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制加速踏板信号为2V时的仿真结果7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制为进一步分析车速-电流双闭环系统的特征，研究系统在加速、稳速和减速的性能，设加速踏板给定信号如图（a）所示变化，在Matlab/Simulink环境下仿真结果如图所示。加速踏板信号改变时的仿真结果7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制从图（a）可以看出，给定信号模拟了加速踏板信号的各种变化情况：给定信号为0、突加给定、缓慢加速、稳速、突减给定和缓慢减速。图（b）为控制电压的变化情况，当突加或突减给定时，其变化较快；稳速时，其保持为某一恒定值；给定信号缓慢增加或者减小时，其变化较慢。图（c）为电枢电流的变化情况。突加给定时，必有一段时间使得车速迅速上升；缓慢加速时，ASR处于非饱和状态，起调节作用；突减给定时，使得ASR饱和，这时电流调节器的输入信号为，电机电枢电流，车速迅速下降至给定值。缓慢减速时，ASR不饱和，使车速跟踪给定信号变化。由图可以看到整个调速过程中电机电枢电流，因此不会出现能量回馈到蓄电池的状态。7.4电动汽车直流电机驱动系统的车速-电流双闭环控制比较图（a）和图（d）可以看出，采用车速-电流双闭环控制系统，实际车速能够较好的跟踪加速踏板给定信号的变化，在电动汽车的行驶控制中具有一定的实际应用潜力。加速踏板信号改变时的仿真结果7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制

无刷直流电机以其高效率、高扭矩、低容积等优点，被广泛应用于电动汽车驱动系统中。传统的无刷直流电机PID调速控制具有算法简单、可靠性高、鲁棒性好等优点，但在使用无刷直流电机驱动电动汽车时，受汽车参数、道路工况及驾驶员操作等多方面因素的影响，需要对PID参数进行实时调整。

模糊自适应PID控制综合了传统PID控制和模糊控制的优点，既有模糊控制算法的灵活性及适应性强的优点，同时又具有传统PID控制无稳态误差等优点，有助于实现电动汽车车速的控制。1965年，美国加利福尼亚大学L.A.Zadeh教授提出的模糊集合论为模糊控制理论的发展奠定了基础。在20世纪70年代，英国剑桥大学E.H.Mamdani教授首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把它应用于锅炉及蒸汽机的控制系统中，这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。此后，模糊控制在家用电器、工业控制、专用系统等复杂、非线性和不确定系统中得到了广泛的应用。7.5.1模糊控制理论概述7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制模糊控制根据操作者的经验而非系统的行为参数，非常适用于诸如在被测数据不确定、要处理的数据量过大以致无法判断其兼容性、被控对象复杂可变甚至无法得到被控对象精确模型等场合。在传统控制系统中，参数或控制输出的调整是通过对一组微分方程描述的过程模型的状态分析和综合来实现的，而模糊控制器参数或控制输出的调整则利用过程函数的逻辑模型产生的规则来进行。改善模糊控制性能的最有效方法是优化模糊控制规则，通常模糊控制规则是通过将人的操作经验转化为模糊语言形式来获取的。7.5.1模糊控制理论概述7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制模糊控制器主要由4大部分组成，分别是：模糊化接口（FuzzyInterface）：其作用是将实际应用中输入的精确量转换为模糊推理机制所要求的模糊量。知识库（KnowledgeBase）：由数据库和规则库两部分组成。数据库用于存放所有输入、输出变量模糊子集的隶属度矢量值。规则库是依靠专家知识或操作人员长期积累的宝贵经验，按照人的直觉推理的一种表示形式。推理机制（InferenceMechanism）：是模糊控制的核心。推理机制可利用规则库所提供的信息，根据模糊输入寻找出相应的模糊规则，模拟出人类的推理过程，并给出相应的控制量。解模糊化接口（DefuzzyInterface）：将模糊输出量转换成精确量，用于实际控制。车速-电流双闭环控制系统以其起动加速性能优良、抗干扰能力强、便于理论分析等优势，特别适合电动汽车驱动控制系统的设计。7.5.2电动汽车无刷直流电机驱动系统模型7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制电动汽车用无刷直流电机车速-电流双闭环控制系统该系统包括一个电动汽车车速控制环和一个无刷直流电机电流控制环。车速控制环中，车速检测模块检测的信号与车辆需求车速比较后得到车速误差信号，该误差信号经过一个车速控制模块可以得到无刷直流电机的电流参考值。该电流参考值与电流环电流检测模块检测到的实际电流值进行比较得到电流误差值，该电流误差值可再经过电流控制器模块就可以得到合适的PWM信号。然后该PWM信号控制无刷直流电机逆变器模块功率器件的导通，实现对无刷直流电机的控制。最后，利用无刷直流电机输出扭矩驱动电动汽车行驶。7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制车速控制模块车速控制采用PID调节器，传统PID调节器原理如图所示。7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制PID控制系统输出可用以下公式来表示：式中，，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。车速控制模块该车速控制模块可利用需求车速与实际车速的差值，得到无刷直流电机相应的电流参考值。7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制参考电流模块参考电流模块利用车速控制模块输出的相电流和无刷直流电机位置信号，计算出无刷直流电机三相参考电流、和。经参考电流模块得到的无刷直流电机三相参考电流、和直接输入到电流控制器模块。7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制参考电流模块中利用参考电流和无刷直流电机位置信号，通过调用S函数计算出无刷直流电机三相参考电流、和，如图所示。7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制电流控制器模块电流控制器模块的作用是利用滞环控制原理实现对电流的调节，输入为无刷直流电机三相参考电流和三相实际电流，输出为无刷直流电机逆变器的PWM控制信号。7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制当无刷直流电机实际电流低于参考电流且偏差大于滞环比较器宽度时，对应相正向导通，负向关断；当无刷直流电机实际电流大于参考电流且偏差大于滞环比较器的宽度时，对应相正向关断，负向导通。车速-电流双闭环控制系统总体模型7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制使用无刷直流电机驱动电动汽车时，受汽车参数、道路工况及驾驶员操作等多方面因素的影响，要求能对PID参数进行实时调整。然而，传统PID的参数调整不方便，抗干扰能力较差，超调量大。模糊控制可依据人的经验，通过相应的逻辑规则设计出合适的控制器，设计方法简单、易于实现，但模糊控制只能按档处理，控制精度不高，存在着静态余差。模糊自适应PID控制综合了传统PID控制和模糊控制的优点，既具有模糊控制算法的灵活性及适应性强的优点，同时又具有传统PID控制无稳态误差等优点。7.5.3电动汽车无刷直流电机驱动系统自适应模糊PID控制7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制自适应模糊PID控制器设计自适应模糊PID的原理框图如图所示，模糊控制器的输入是误差和误差变化率，输出为比例系数、积分时间常数和微分时间常数。这样可以对PID参数进行在线整定，使系统具有很好的动、静态性能。7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制

7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制在PID参数整定过程中，必须考虑3个参数在不同时刻的作用及其相互之间的互联关系。以下介绍模糊PID控制器的设计过程，主要包括模糊化过程、模糊规则和模糊推理及解模糊过程三大步骤。（1）模糊化模糊化分为对输入量模糊化和输出量模糊化。7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制a.输入量模糊化对输入量模糊化即对基本论域误差和误差变化率进行模糊化。将这两种论域离散为[-6、-4、-2、0、2、4、6]七个等级，并将[-6、6]分为负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（Z）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）七个语言变量值。具体做法是：当基本论域是[A,B]，量化论域是[-N,N]时，整定公式为：根据公式便可以得到误差和误差变化率的模糊量。7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制b.输出量模糊化对输入量模糊化即对基本论域误差和误差变化率进行模糊化。将这两种论域离散为[-6、-4、-2、0、2、4、6]七个等级，并将[-6、6]分为负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（Z）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）七个语言变量值。具体做法是：当基本论域是[A,B]，量化论域是[-N,N]时，整定公式为：

根据公式便可以得到误差和误差变化率的模糊量。7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制（2）模糊规则和模糊推理隶属度函数选择三角函数，误差、误差变化率、比例系数、积分时间常数和微分时间常数的模糊量隶属度函数如图所示。模糊控制设计的核心是通过总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表。7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制Kp模糊控制规则表7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制Ki模糊控制规则表7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制Kp模糊控制规则表7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制（3）解模糊由于模糊推理得到的是模糊值，所以必须通过解模糊才能将其转换为可以执行的精确量来控制被控对象。

目前常用的解模糊方法有：最大隶属度平均法、重心法和加权平均法，在此选用最大隶属度平均法，找出能代表所有的隶属度函数达到最大值的局部控制作用的平均值：式中，为隶属度达到最大值的那些输出值，为输出值的个数。7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制通过最大隶属度平均法解模糊后，就可以得到、和的增量输出，通过在MATLAB命令窗口中运行fuzzy函数，进入模糊逻辑编辑器，根据上述隶属度函数可建立一个.fis文件，然后在Simulink仿真时输入对应的文件名便可调用，其车速控制模块模糊控制器在Simulink中的模型如图所示。自适应模糊PID仿真结果分析采用MATLAB/Simulink对无刷直流电机驱动电动汽车的车速-电流双闭环控制系统进行了仿真。电机参数设置为：定子相绕组电阻，定子相绕组自感，互感，转动惯量，阻尼系数，极对数，每相反电势系数，直流电源供电。仿真采用的车辆主要参数如表示。7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制自适应模糊PID仿真结果分析为了验证电动汽车无刷直流电机驱动系统车速-电流双闭环控制系统的动、静态特性，分别考虑电动汽车空载、负载两种情况，对电动试汽车在3档位进行分析验证。7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制（1）电动汽车空载运行时以电动汽车行驶3档位为例，假定需求车速为。当系统进入稳态，车速达到需求车速时，在处突加负载质量，在t=4.5s时突然撤去负载。7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制自适应模糊PID电机三相电流波形自适应模糊PID电机反电势波形自适应模糊PID调节车速仿真波形自适应模糊PID汽车输出扭矩波形（2）电动汽车负载运行时以电动汽车3档位为例，电动汽车载重为1吨时，假定需求车速为。当系统进入稳态，车速达到需求车速时，在t=4s处突加负载质量，在t=4.5s时突然撤去负载。7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制传统PID调节汽车输出扭矩波形传统PID调节车速仿真波形传统PID调节电机三相电流波形传统PID调节电机反电势波形

7.5电动汽车无刷直流电机驱动系统的自适应模糊PID控制续驶里程一直是制约电动汽车发展的一个重要因素，在目前动力电池技术还未取得突破性进展的背景下，如何对电动汽车制动能量进行回收，是电动汽车领域的重要研究课题。对于无刷直流电机驱动的电动汽车而言，驱动电机有两种工作状态：电动运行状态和发电运行状态。在电动运行状态时，电机可通过对外输出转矩来驱动电动汽车行驶；工作于发电运行状态时，可以实现制动能量回收。电动汽车在减速制动时，利用无刷直流电机产生反向力矩，可将部分机械能转化为电能回馈给动力电池，从而可以实现能量的回收，提升电动汽车的续驶里程。7.6电动汽车无刷直流电机制动能量回收及制动力分配策略电动汽车的制动能量回收又称再生回馈制动，其基本原理是：电动汽车在制动时，将行驶的惯性能量通过驱动轮和传动装置传递给驱动电机，使电机工作在发电运行状态，然后通过控制器为车载动力电池进行充电；同时，驱动电机在发电过程中可以产生制动力矩和制动力。7.6.1电动汽车无刷直流电机制动能量回收原理7.6电动汽车无刷直流电机制动能量回收及制动力分配策略

电动汽车制动时，制动能量按照驱动轮、传动装置、驱动电机、控制器的路径依次传递，最后经控制器的动态分配将制动能量储存到车载储能设备中，实现制动能量的回收。7.6.1电动汽车无刷直流电机制动能量回收原理7.6电动汽车无刷直流电机制动能量回收及制动力分配策略无刷直流电机回馈制动原理无刷直流电机驱动电动汽车进行制动时，可利用回馈制动将电动汽车行驶动能转换为电能给车载储能设备充电，制动能量回馈过程如图所示。

7.6电动汽车无刷直流电机制动能量回收及制动力分配策略无刷直流电机能量回馈和电动运行状态一样，PWM调制方式有全桥斩波和半桥斩波两种方式。考虑到全桥斩波控制方式存在一个临界转速，即当电机转速低于临界转速时，动力电池输出能量大于电机回馈能量，就不能实现制动。另外，全桥制动下开关管的开关损耗较大。因此，本节主要对无刷直流电机回馈制动半桥斩波控制方式进行研究。半桥斩波回馈制动方式中，只对逆变器下桥臂的三个功率管VT6、VT8、VT10进行PWM调制，且三个功率管VT6、VT8、VT10各导通120°，而上桥臂三个功率管VT5、VT7、VT9始终是是截止的。7.6电动汽车无刷直流电机制动能量回收及制动力分配策略

7.6电动汽车无刷直流电机制动能量回收及制动力分配策略由于第三相反电势且，所以二极管VD9、VD10均被反向偏置，故。因此电机A、B相通过VT6、VD8进行续流，其续流状态如回路①所示。此时，外部的动能一部分以热的形式消耗在电阻上，另一部分存储在电机电感上。7.6电动汽车无刷直流电机制动能量回收及制动力分配策略此时的状态方程如下（以电源负极为参考0点）：其中，为无刷直流电机C相绕组出线端端电压，为蓄电池端电压。A、B两相形成的充电回路等效电路如图所示。7.6电动汽车无刷直流电机制动能量回收及制动力分配策略B点即点，A点即参考0点，因此可得：从而可以得到：，即可以得到续流时的电流方程式为：无刷直流电机制动时，通过外部所产生的一部分能量以磁能的形式存放在电感中，另一部分能量以热的形式消耗掉。7.6电动汽车无刷直流电机制动能量回收及制动力分配策略2）当时由于第三相反电势，所以二极管VD9被反向偏置，根据无刷直流电机三相反电动势的波形图可知转子位置为时，所以二极管VD10被反向偏置，此时，其电路状态与相同。7.6电动汽车无刷直流电机制动能量回收及制动力分配策略

（2）受PWM信号调制VT6处于关断时受PWM信号调制VT6处于关断时，其系统状态图如图中回路①所示。VT6关断时，由于电感中电流的续流作用，使得电感的感应电动势与反电势之和大于蓄电池电压，因此可以为储能设备充电。7.6电动汽车无刷直流电机制动能量回收及制动力分配策略当时，二极管VD10被反向偏置，，对应的电路状态方程如式所示（以电源负极为参考0点）：其中，为无刷直流电机C相绕组出线端端电压，为蓄电池端电压。A、B两相形成的充电回路等效电路如图所示。7.6电动汽车无刷直流电机制动能量回收及制动力分配策略A点即点，电源负极即参考0点，因此可得：所以可以得到蓄电池半桥充电的端电压：7.6电动汽车无刷直流电机制动能量回收及制动力分配策略电动汽车无刷直流电机制动能量回收以下对电动汽车用无刷直流电机能量回收系统进行建模，基于表中给出的制动能量回收时的功率管导通逻辑，本节通过修改参考电流模块来得到车辆再生制动时无刷直流电机三相参考电流、和。其中，制动能量回收时无刷直流电机位置信号angle和三相参考电流之间的对应关系如表所示。7.6电动汽车无刷直流电机制动能量回收及制动力分配策略电动汽车运行在车速为40km/h时，在1.5s处车辆制动，对应电动汽车车速、无刷直流电机反电势、主回路中电流及无刷直流电机电磁转矩波形如图所示。

制动能量回收车速波形制动能量回收无刷直流电机反电势波形

制动能量回收主电路中电流波形制动能量回收无刷直流电机电磁转矩波形7.6电动汽车无刷直流电机制动能量回收及制动力分配策略

制动能量回收车速波形制动能量回收无刷直流电机反电势波形

制动能量回收主电路中电流波形制动能量回收无刷直流电机电磁转矩波形电动汽车能量回馈制动时主回路中电流变为负值，将车辆行驶动能转换为电能回馈至储能设备中，同时无刷直流电机电磁转矩变为负值，产生制动力矩进行车辆制动，随着车速下降，无刷直流电机感应电动势也相应减小。7.6电动汽车无刷直流电机制动能量回收及制动力分配策略电动汽车再生制动时，回收制动能量的能力同时取决于电机转速和车载储能设备的储能状况。若电机转速在基速以下，电机能够回收的最大制动功率与电机的转速成正比；若电机转速在基速以上，电机能够回收的最大制动功率为定值。此时，若车载储能设备储能充足，需要回收的制动能量较少；若车载储能设备储能不足，则可以更多地回收制动能量。电动汽车制动时，若制动功率超过了驱动电机能提供的最大功率，或制动回收能量超过了车载储能设备的储能需求，仅仅依靠驱动电机再生制动往往不能满足制动要求，为保证行车安全必须配合摩擦制动来实现快速制动。7.6.2电动汽车制动力分配策略及制动能量回收7.6电动汽车无刷直流电机制动能量回收及制动力分配策略电动汽车制动力分配方案制动能力是电动汽车的主要性能之一，直接关系到交通安全。为了使电动汽车安全稳定地运行，只有将驱动轮再生制动、摩擦制动与从动轮摩擦制动有效结合，才能形成一个高效、安全的制动系统。因此，电动汽车制动时，面临着总需求制动力如何在前、后轮之间进行分配以及驱动轮上摩擦制动力与再生制动力如何协调的问题。电动汽车方向稳定性是指汽车不发生跑偏、侧滑以及失去转向能力的性能，是汽车制动性的重要评价