1、5.3.1id =0控制5.3.2最大转矩电流比控制5.3.3恒磁链控制5.3.4 cos=1控制5.4永磁同步电动机弱磁控制第六章全文总结与展望在未来的一段时间内，我国将成为世界最大的汽车消费国，2010年我国汽车增加到五千六百万辆以上，不过空气污染源也会大幅度提高，空气污染将有64%来自于汽车尾气的排放，在2020年左右，我国石油消费量将超过4.5亿吨，而我国能源系统效率平均低于国际先进水平10%，但是我国60%石油消费量依赖于进口，要是仍然采用传统的内燃机技术发展汽车工业将会使我国为此付出巨大代价和对环境保护也会造成巨大的压力。在这种严峻的形势下，我国汽车工业的未来发展需要我们好好思考。
2、根据现在世界人口和汽车的增长趋势来看，今后50年中，世界人口和汽车数量分别从60亿增加到100亿和7千万增加到2亿5千万辆以上。若这些车辆都采用内燃机，能源需求和空气污染将会给人类造成巨大的压力和损坏。因此我们必须开发节能环保型以及高效智能型的交通车辆，只有这样才能在本世纪实现交通的可持续发展。能源危机曾经对世界经济带来严重影响，因此石油毕源的争夺更加强烈，石油纠纷在国际上也不断发生，甚至为了争夺石油资源而爆发的战争在近几年也不断发生。因此石油资源的解决是当今世界每个国家所面临的首要考虑的问题，石油资源解决的好坏是当今世界是否稳定的重要因素。电动汽车是将机算机、电子与化学各学科领域中的高新技术
3、于一体，是汽车、计算机、电力拖动、新材料、新能源、功率电子、自动控制、化学电源等工程技术中最新成果的集成产物。混合动力电动汽车、燃料电池汽车和纯电动汽车对世界汽车的发展以及环境的保护都起到一个前所未有的阶段，具有里程碑的意义。我国政府已将电动汽车的快速发展列入我国“十五”国家863计划，加大了对电动汽车开发和产业化的投入，与世界发达国家电动汽车发展接轨，目前已经取得了一定得成就。我国不少高等院校、相关的研究以及国内部分企业都加强了对电动汽车研究开发的力度，加快了汽车事业的发展速度。目前我国纯电动汽车研发比较顺利，可以小批量生产与应用;与此同时混合动力汽车的发展目前它的产业化也可以说具备条件;值
4、得炫耀的是我国的燃料电池汽车研发目前达到国际先进水平。因此我国建立电动汽车产业，逐步实施车用能源动为系统转型，实现节能环保目标奠定了技术基础。电动汽车是指以车载电源为动力，用全部或部分由电机驱动，并配置大容量电能储存装置,符合道路交通、安全法规各项要求的车辆现如今各国都在发展电动汽车事业，是由于它具有以下几个方面的优点:（l）污染小。电动汽车在本质上是一种零排放汽车，一般无直接排放污染物，大多是间接污染，如电池废弃物和发电的时候所消耗的能源而造成的污染都属于间接污染。然而国家目前也在大力改进间接污染，再加上电池废弃物的回收技术逐渐成熟。其次水力、原子能发电等均十分清洁，只是火力发电污染比较严重
5、，但相对于燃油汽车而言，它的控制难度就比较容易了，这样电动车就可以实现人们想要的“清洁车辆”。根据国内外相关资料调查显示，电动汽车的噪音比燃油车辆要低 5dB以上。而目前世界各大城市的噪音污染比较严重，因此要想大幅度降低噪音污染，在世界范围内电动汽车的广泛使用是必不可少的。 （2）节约能源，改善能源消耗结构。据测算，将原油提炼成柴油和汽油，要是用它们作为燃油汽车驱动能源时，它们平均只有大约14%的能量利用效率。我国石油储量仅占世界石油储量的2%一3%左右，因此我国以石油为主的能源消耗，只能通过进口才能满足国内的能源需求因此电动汽车的广泛使用，对减少石油资源消耗具有举足轻重的影响。（3）优越的车
6、辆性能。电动汽车的转矩响应迅速、加速快，比燃油汽车高出2个数量级;电机可分散配置，可直接控制车轮转速，易实现四轮独立驱动和四轮转向。（4） 提高道路利用率和交通安全性。由于信息技术和控制技术的广泛应用，电动汽车的安全性和可靠性大幅提高。电动车比传统的燃料汽车更易实现精确的控制，智能交通系统则有可能率先通过电动车来实现，从而提高道路利用率和交通安全性。（5）改善电网负荷。世界各国供电系统都存在负荷平衡问题。也就是说白天是用电高峰，夜间人们相对于白天而言用电量要少得多，因此我们利用夜间对电动汽车充电，这样不但有利于电动汽车的能量补充也能使电网负荷得到平衡，这样对降低维护电网的成本也起着至关重要的作
7、用。 （6）树立节能环保的国家形象。随着我国对外开放，我国经济发展迅速，在世界上的地位逐年不断提高，与世界各国的交往更加密切，而电动汽车的发展和广泛使用对树立中国在国际上的良好形象有着重要意义。1.3 电动汽车的基本结构如图2.1所示，主要由电力驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统等组成。各个子系统的组成如图2.1所示，加速和制动踏板作为信号的输入端，主控制器在接受到信号后，发出相应的控制指令来控制PWM功率转换器，通过功率转换器的状态来控制电动机的制动或者加速。能源子系统为电机正常运行提供能源。辅助子系统主要给电机提供动力转向以及车内温度的控制等作用。电力驱动子系统是整个系统运行的智能核
8、心，它由电控单元、功率转换器、电动机组成。电控单元的作用是接收加速踏板输入的信号，以及电机反馈的速度信号和电流信号，发出相应的控制指令来控制功率转换器的功率装置的通断，以获得电动汽车良好的动、静态运行特性和能量利用率。因此，驱动系统在很大程度上决定了整车的运行性能和效率。主能源子系统由主电源和能量管理系统构成，能源管理系统是实现能源利用监控、能量再生、协调控制等功能的关键部件。辅助控制子系统主要是为电动汽车提供控制电源，具有辅助电源的控制、动力转向、充电控制、空气调节等功能。目前研制和开发的关键技术主要有电池、电动机、电动机控制、整车设计，以及能量管理技术等。然而，制约电动汽车发展的瓶颈是电池
9、和电机驱动控制系统。电机驱动控制系统是提高汽车动力性、续驶里程和可靠性的保证。其输出特性决定了电动汽车的动力特性，同时，它的效率对电动汽车效率的影响也非常大。目前，在电池技术未取得突破的背景下，电机驱动控制策略的选择成为电动汽车技术研究的主要热点，也是提高续驶里程并使之实用化的关键，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。电机驱动子系统的研究以驱动电机的研究为中心，辅以各种新型控制技术而展开。本文对电动汽车概念，结构，驱动电机的分类及电动汽车电机控制的发展现状和趋势做了简要介绍，并针对目前最为流行的异步电机，永磁无刷直流电机，永磁同步电机的驱动控制策略的分析第二章电动汽
10、车驱动系统介绍电机驱动子系统由电控系统、电机、机械传动系统和驱动车轮等部分组成。它将蓄电池输出的电能转化为车轮上的动能，驱动电动汽车行驶，是电动汽车的关键组成部分，可以说它是电动汽车的心脏。2.1电动汽车电机驱动系统的要求电动汽车与其它的电力驱动系统相比较，有其自身的特点。它对驱动系统相应有其特殊的要求:1）能够频繁地启动、停车，加、减速，对转矩控制的动态性能要求高2）电动汽车驱动的速度、转矩变化范围大，既要工作在恒转矩区，又要运行在恒功率区，同时还要求保持较高的运行效率;3）能在恶劣工作环境下可靠地工作。正因为电动汽车对其驱动系统有这些特殊要求，所以在电动汽车电机驱动系统设计中，驱动电机的选
11、择及其变流器、控制器的设计，都必须考虑到这些特殊的要求。在确定了电动车的目标性能后, 对与之相匹配的电机驱动系统的性能可提出如下要求: 电机的转矩、速度特性能满足电动车对驱动性能的要求。 能实现对输出功率和转矩的迅速、平滑的控制。 系统整体效率高, 功率密度大。 能够在恶劣的工作环境下可靠地工作。 成本低, 易维修。电动汽车电机驱动子系统又可分为电气和机械两大系统。其中电气系统包括电动机、功率变换器和电子控制器三个子系统;机械系统的组成主要包括变速装置和车轮。电机驱动系统的电气与机械系统有着多种组合方式，其基本布置方式有机械驱动布置方式、机电集成驱动布置方式、机电一体化驱动布置方式和轮毅电机驱
12、动布置方式四种布置方式。各种布置方式之间最大的区别就在于对传统的机械传动部件保留的多少。越高级的布置方式，对传统燃油汽车的机械传动部件保留得就越少，而且更能发挥电动汽车的优势。不论电动汽车的驱动系统采用哪种布置方式，其电气系统的结构基本上都相同，主要由三个部分组成，如图2.1所示。2.2电动汽车中电动机类型及其控制系统电动汽车驱动电机的特性曲线如图11所示：这条特性曲线分为两个区域：I区恒转矩区和II区恒功率区。电机在恒转矩区运行时转矩保持恒定而功率随着转速的上升而线性增加；电机在恒功率区运行时功率保持恒定而转矩随着转速的上升而呈双曲线减小。当汽车起停和加减速时，需要克服惯性阻力，对转矩要求比
13、较高，因此电动汽车主要运行于I区中。而当汽车车速较高，汽车行驶比较平稳时，主要用来克服行驶阻力，转矩消耗比较小，因此电动汽车主要运行于II区。为了满足电动汽车的这种特性，电动汽车驱动用电机及其控制系统的要求为：在整个运行范围内具有较高的效率；有较强的过载能力、快速的动态响应及良好的起动加速性能：调速范围宽，且低速运行时能够提供大转矩；高可靠性、高功率密度、低成本。目前，电动汽车的驱动电机主要有直流电动机、开关磁阻电动机、异步电动机、无刷直流电动机和永磁同步电动机（PMSM），其中后三种应用更为广泛。2.2.1直流电动机（DC）及其控制系统电动汽车驱动电机最早采用了直流电动机，其特点是成本低、控
14、制简单、调速方便。直流电动机通过脉宽调制技术改变供给直流电动机的端电压来控制电机的转矩和转速。直流电动机的电刷和换向器限制了电机转速的进一步提高，换向时产生的火花对电动汽车控制系统所造成的干扰影响也非常大。直流电动驱动系统是以直流电动机为驱动电机的电动汽车驱动系统。与直流驱动电机相匹配的变流器是斩波器，它将固定的直流电压变成可调的直流电压;调速方法主要是调压调速和调磁调速。直流电动机是最早应用于电动汽车驱动系统上的电动机。它结构简单，具有优良的电磁转矩控制特性。目前，直流电机驱动系统仍然在城市无轨电车上广泛应用。由于直流电动机使用电刷结构，使得它的转速、功率密度、使用寿命都受到了限制，同时它的
15、重量和体积也较大。随着现代交流电动机调速方法的改进，交流电动机的调速性能己经赶上了直流电动机。作为驱动电机，直流电动机最终将被交流电动机所取代。 2.2.2开关磁阻电动机（SRM） 及其控制系统在电动汽车驱动系统设计中，人们一直希望寻找一种价格低廉、运行可靠，调速范围宽的电动机。开关磁阻电机就是这样开始得到研究者的重视。20世纪80年代，研究者们就开始设计用作电动汽车驱动电机的开关磁阻电动机。开关磁阻电动机与直流电动机和交流电动机在结构上有很大的不同，它与反应式步进电动机相似，为双凸极可变磁阻电动机。其工作原理是基于电子绕组通电后，其磁路选择最小磁阻路线的趋势而产生转矩的。由于开关磁阻电动机的
16、转子上没有绕组、滑环和永磁体等，只是在定子上装有集中绕组，因而开关磁阻电动机的结构比其它任何一种电动机都简单，具有较高的可靠性。另外开关磁阻电动机在很宽的范围内都能够保持高效率，调速范围宽，控制灵活。因此开关磁阻电动机比较符合电动汽车对驱动电机的要求。由于开关磁阻电动机为双凸极结构，不可避免地存在转矩波动，导致噪声成为开关磁阻电动机最主要的缺点。其次，由于开关磁阻电动机输出转矩波动较大，功率变换器的直流电流波动也较大，所以在直流母线上需要放置一个很大的滤波电容。同时，开关磁阻电动机需要位置检测器，会有非线性特性。目前的应用还受到限制。2.2.3交流感应电动机（AC）及其控制系统交流感应电机又称
17、异步电动机。最初由于电力电子技术以及调速方法的限制，它在电动汽车驱动系统中的应用并不被看好。随着现代电力电子技术的发展，大功率电力电子器件的出现，以及调速方法的改进，使得交流感应电机的调速性能逐渐赶上并超过了直流电动机。目前交流感应电动机己经成为在工业应用中使用最为广泛的拖动电机。异步电动机具有结构简单、可靠性高，控制技术相对成熟等优点。异步电动机的控制方法主要有恒压频比控制、矢量控制和直接转矩控制等。恒压频比控制的优点是控制方法简单，转速的改变可以通过控制电源频率实现；其缺点是动态性能不好，在突加负载或转速给定突变时容易发生失步现象。矢量控制的调速范围宽，可以对转矩实行精确控制，从零速起对转
18、速进行控制。直接转矩控制的控制方法比矢量控制简单，系统动态响应速度快；但控制精度不如矢量控制高。目前异步电动机系统在电动汽车上应用存在的问题是功率密度较低，低速性能不好，容易发热，电机参数及负载的变化对其有较大的影响。相对于直流电动机而言，交流感应电动机的调速系统比较复杂。它的变流器又称逆变器。由于蓄电池以直流的形式输出能量，所以要用蓄电池输出的能量来驱动交流感应电机，就必须将蓄电池输出的直流电进行变流处理，将其逆变为交流电。逆变器的工作原理是通过电力电子器件的开关及合理的交流电路来将直流电逆变成交流电。现代电力电子技术的发展，为交流感应电机调速性能的改善提供了硬件条件。现在，虽然交流感应电机
19、调速系统比较复杂，成本较高，但是由于电机本身具有体积小、成本低、调速范围宽、响应快等优点，目前国内大部分电动汽车还是采用了交流感应电机驱动系统。现代研究较多的调速方法有PWM调速、矢量控制（VC）和直接转矩控制（DTC）。2.2.4无刷直流电动机（BLDC） 及其控制系统无刷直流电动机系统的优点是功率密度大，控制方法简单，效率高。其缺点是换相时电流难以达到理想状况，所以会造成一定程度的转矩脉动及振动噪声，但对应用于对转速精度要求不高的电动汽车驱动不成问题。因此，BLDC系统在电动汽车驱动领域得到了广泛的重视。BLDC不需要换向器和电刷，而是由逆变器和位置检测器组成电子换相器。BLDC系统常采用
20、PWM控制，控制系统由桥式变换器、位置传感器和方波永磁无刷直流电机等几部分组成。 2.2.5永磁同步电动机（PMSM）及其控制系统永磁同步电动机具有控制精度高、转矩密度高、噪声低等优点。由于转子无导条，无铜耗，所以转子惯量可以做得很小。与普通直流电机和异步电机相比，它的功率密度大，体积小，转矩、惯量比大，传动系统动态响应快。通过合理设计永磁磁路能获得较好的弱磁性能，使得PMSM在电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，已受到国内外电动汽车界的高度重视，并己在日本得到了普遍应用。永磁同步电动机被认为是最具竞争力的电动汽车驱动电机。永磁同步电动机的转子磁链是不可控的，可以控制的只有定子绕组的电流。所以
21、永磁同步电动机的控制方式一般是电流控制，它包括三部分:电流指令的生成、定子电流检测和电流的闭环控制。不同的是无刷直流电动机的定子电流是三相方波电流，无刷交流电动机的定子电流是三相正弦电流。2.3电动汽车电机驱动控制的发展现状和趋势当前国际上各国都在对电动汽车的高新技术进入深入研究，这是由于电动汽车是二十一世纪绿色的交通工具，在节省能源上扮演者重要的角色。它将机算机、电子与化学各学科领域中的高新技术于一体，是车辆、电力拖动、新能源、智能控制等工程技术中最新成果的集成产物。因此电动汽车的大力推广和发展，可以解除了人们对石油资源日渐枯竭的担心;同时电动汽车作为清洁、节能的新型交通工具可以做到“零排放
22、”，也就是说电动汽车在行驶过程中污染几乎为零，更重要的是，它的噪音小、热辐射低以及不消耗汽油，再加上它的结构不复杂，使用维护简单。根据以上分析，那么电动汽车的关键技术之一就是如何提高电机驱动技术的效率和高性能。丰田上世纪80年代前半期的纯电动汽车采用控制装置较简单的有刷直流电机，90年代前半期开始采用交流感应电机。现在丰田的纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车都采用无刷交流永磁同步电机，并对其不断改进提高，使电动汽车的性价比不断提高，增加其竞争力，便丰田成为混合动力汽车的先领者。美国、欧洲汽车制造商开发和生产的电动汽车，从优先考虑低成本和高可靠出发，不论是电动轿车还是电动大客车，采用交流感应
23、电机。但是也在大力开发无刷永磁电机，随着磁性材料、控制技术和永磁电机的发展，无刷永磁电机性价比不断提高，无刷永磁电机作为欧美电动汽车驱动电机将为时不远。“十一五”期间，随着我国电动汽车整车开发的需要，不少单位承担了驱动电机及其控制系统的攻关项目，以中国电子科技集团公司第二十一研究所为主承担驱动电机及其控制系统的开发项目。开发的成果有燃料电池轿车、混合动力轿车和四轮电驱动车用的驱动电机及其控制器，它们均为永磁无刷直流电机。可见电动汽车的电机驱动目前发展趋势上呈多样化趋势，但都是以异步电机，永磁无刷直流电机，永磁同步电机为主流。值得指出的是，这些电机都是多学科集于一体的综合应用，如电力电子技术、数
24、字技术、自控技术等。可见它们的发展前景十分广阔，在各种电动汽车电机中是强有力的竞争者。随着计算机技术和微电子学的巨大发展，再加上现在集成度高、速度快、成本低的微机专用芯片和数字信号处理器的应用越来越广泛，全数字化的控制系统应用于电机驱动不再是一种想象。随着软件开发功能的强大，现在用软件代替硬件，利用了这些电机的控制功能以及它具有保护、自诊断和故障监视等其它功能。除此之外，我们还可以改变控制策略、修正控制参数和模型来提高控制系统的实用性和可靠性。可见利用全数字化的简单易用性作为今后电动车控制乃至交流传动系统一个重要的发展趋势。其次目前智能化技术用在电动汽车控制系统中只是局部智能化的应用，如模糊控
25、制器、神经网络观测器等。因此完全智能化的发展是未来电动汽车发展的一个重要方向。可见，各种电机要想在未来的电动车中占有一席之地，除了要对电机结构进行优化外，还需要使电动汽车驱动控制系统趋于智能化和全数字化。 永磁无刷直流电机是随着电子技术、功率半导体和高性能的磁性材料制造技术的飞速发展而出现的一种新型的直流电动机，它不仅保持了普通直流电动机的优点，而且又具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。 永磁无刷直流电电机实质上可以看作是一台用电子换向器取代机械换向的有刷直流电机。有刷直流电机电枢绕组的导通逻辑是通过机械换向器与电刷的相互配合,使转子电枢线圈在不同磁极下的作用力保持一致，使得电机
26、稳定运行。在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。要使永磁无刷直流电机的转子所受的电磁力保持一致,就必须根据每个时刻转子磁极位置来确定电枢绕组的导通逻辑,所不同的是,此时电枢绕组是安装在定子上,其本身不能旋转,要通过电子换向装置变换其导电顺序及分配导通规律。 直流无刷电动机一般由控制器、转子位置检测器和电动机本体三部分组成（如图4.1所示），控制器一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机，实现机电能量的
27、转换。图4-1永磁无刷直流电机系统框图4.1电动汽车的电机驱动控制策略分析理想的车辆驱动应用场合下原动机的输出特性为恒功率特性，即T=const，但实际上当。0时不可能达到T，因此，在工程可实现的范围内，理想的车辆原动机的输出特性应如图4-2所示，即在低速时为恒转矩特性，在高速时则为恒功率特性。图4-2理想的车辆原动机的驱动特性对于传统的燃油汽车，内燃机以其热效率高、重量小、体积紧凑的特点，在传统车辆驱动中占据统治地位。内燃机在其主要工作转速范围内，为近似的恒力矩特性，且高效率工作的转速范围较窄。为适应车辆行驶的不同驱动力的要求，由内燃机车辆传动系中的离合器、变速器实现对内燃机输出转矩、转速的
28、再分配。 以汽车为例，驾驶者主要的控制输入是对加速踏板（俗称油门）的操作，由此汽车的发动机控制系统通过调节发动机的燃油喷射、节气门的开度和点火时刻（如车辆有自动变速系统，还相应地自动换档，调节变速器的传动比），调整车辆驱动特性以响应驾驶者的操作。在驾驶者的不同加速踏板踏位下，汽车的驱动特性示意图如图4-3所示。一般内燃机汽车的变速器有46档，图中曲线示意在不同变速档位下，相应的加速踏板踏位控制下的驱动特性。可见，在行驶阻力不变条件下，不同的踏板踏位对应于不同的行驶车速;在行驶车速不变的条件下，不同的踏板踏位对应不同的驱动力矩。换句话说，在任意档位下，加速踏板踏位的变化，必导致行驶状态的变化。图
29、4-3内燃机的驱动特性对于电动车辆，一般继承己被人们接受的传统内燃机车辆踏板式或手柄式的控制方式，对驾驶者的驱动意识，也应具有与传统内燃机车辆一致或更优良的驱动响应。因此，对电动汽车，尤其是对取消了传统车辆传动系统的轮式驱动方式，更需作细致的深入分析和比较，以确定与之相匹配的电机控制策略。4.2无刷直流电动机控制策略4.2.1电压控制策略 通常所称的调压调速特性，即属电压控制策略。此外，采用线性的电流调节系数的电流负反馈控制系统，也属于电压控制范畴。 直流有刷电机系统和三相永磁无刷直流电机系统，在PWM调压驱动下的机械特性为 （4.1） 其中,R0绕组相电阻;Kt转矩系数;Ke电动势系数; 电
30、动机转速;为单极性PWM控制时的占空比（设定与踏板踏位成线性关系）;u为逆变电源电压。 在限制最大输出电流的条件下，其机械特性如图4-4所示。图4- 4 PWM调压控制下的机械特性如果采用线性调节系数的电流负反馈控制，控制框图如图4-5所示。其输出特性为 （4.2）其中;珠为与控制Rf=Ra+Kf+Ki踏板对应的电流控制指令。该机械特性图示于图4-5采用线性调节系数的电流负反馈控制框图图4-4和图4-6表明，电压控制策略下的无刷直流电机系统具有线性控制特性，即对应于一定的输出转矩，输入指令和速度呈线性关系;对应于一定的速度，输入指令和输出转矩呈线性关系。此与内燃机汽车的踏板控制比较类似，有与传统汽车类似的驾驶感觉。此外，采用电压控制策略除了具有与内燃机车辆相一致的驱动特性，要达到驾驶者期望的车速，是通过驾驶者相应的控制反应实现的。由式4.2可得图4-6线性电流负反馈控制下的机械特性 （4.3）这表明电压控制策略对应于车辆的加速度控制，并随着车速的提高，同一指令控制下所产生的加速度相应减小。当Vin为阶跃输入时，转速响应为 （4.4）即对输入指令而言，转
