電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)--畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 生： 學(xué) 號(hào)：專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)： 指導(dǎo)教師： 二O一六年六月摘 要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的心臟，也是電動(dòng)汽車研制的關(guān)鍵技術(shù)之一，它直接決定電動(dòng)汽車的性能，本文根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)矢量控制理論，結(jié)合電動(dòng)汽車的實(shí)際要求，研究設(shè)計(jì)基于無速度傳感器矢量控制的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。矢量控制通過坐標(biāo)變換將定子電流矢量分解為轉(zhuǎn)子磁場定向的兩個(gè)直流分量并分別加以控制，從而實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，已達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)的控制效果。最后，在Matlab環(huán)境中建立了仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證了無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)原理應(yīng)用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可行性。關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；異步電動(dòng)機(jī)

2、；無速度傳感器矢量控制ABSTRACTDriving system is the heart of EV and one of the key parts of the vehicle that determines the performance of the EV directly. According to the control technique、the method of induction motor drive system and based on the factual requirement of EV, the speed sensorless vector contr

3、ol was designed in this article. By transforming coordinate, the stator current is decomposing two DC parts which orientated as the rotator magnetic field and controlled respectively, So magnetic flux and torque are decoupled. It controls the asynchronous motor as a synchronous way. Finally, intimat

4、ion system is established in the environment of Matlab to validate these control arithmetic. The system proved its enormous practical value of application.Key words: EV; Drive system; Induction motor; speed sensorless vector control II李春曉：電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒論11.1 引 言11.2 燃料汽車和電動(dòng)汽車的對(duì)比11

5、.3 電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)況31.3.1 國外電動(dòng)汽車的發(fā)展31.3.2 我國電動(dòng)汽車的發(fā)展概述4第2章 常用的幾種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)62.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的選擇62.1.1 直流電動(dòng)機(jī)62.1.2 交流電動(dòng)機(jī)112.1.3 永磁電動(dòng)機(jī)142.1.4 磁阻電動(dòng)機(jī)152.2常見的幾種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)152.2.1直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)162.2.2交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)172.2.3 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)182.2.4 永磁無刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)18第3章 異步電機(jī)矢量控制原理203.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型203.2 坐標(biāo)變換233.3 三相異步電動(dòng)機(jī)在兩相坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型253.4 異步電機(jī)的矢量控制263.5 按轉(zhuǎn)

6、子磁鏈定向的矢量控制方程及其解耦作用273.6 無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)30第4章 基于MATLAB的電動(dòng)汽車矢量控制系統(tǒng)仿真324.1 基于電流模型磁鏈估計(jì)的控制系統(tǒng)仿真324.2 基于電壓模型的無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)344.3 仿真結(jié)果分析35第5章 結(jié)束語41致 謝42參考文獻(xiàn)43四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文第1章 緒論1.1 引 言 電動(dòng)汽車是一種電力驅(qū)動(dòng)的道路交通工具，其包括了電池電動(dòng)汽車，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車等。在第一輛電池電動(dòng)汽車問世至今以來，電動(dòng)汽車的發(fā)展幾經(jīng)沉浮，并隨著科技和社會(huì)的進(jìn)步跨越了不同的時(shí)代。而作為一種重要的交通工具，電動(dòng)汽車在人類文明史上始終占

7、據(jù)真不可忽視的地位，同時(shí)也對(duì)高科技的發(fā)展、工業(yè)的興起以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了重要的作用。 至人類社會(huì)進(jìn)入20世紀(jì)以來，能源危機(jī)和環(huán)境污染問題成了世界各國面臨的兩大難題。如何緩解并最終解決能源供需矛盾，如何改善日益嚴(yán)峻的環(huán)境狀況，各國從不同角度為此不辭辛勞。據(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計(jì)，目前世界擁有8億輛汽車，因此，能源緊張與汽車行業(yè)發(fā)展的關(guān)系十分密切，每年汽車消耗250億桶石油，占世界石油消耗的75%，同時(shí)排出大量有害氣體，嚴(yán)重污染了人類賴以生存的自然環(huán)境。同時(shí)，內(nèi)燃機(jī)汽車使用的燃料均為一次性能源，開發(fā)使用后便不可再生。伴隨著全球能源消耗的增加，地球的礦物能源已面臨枯竭，迫使人們重新考慮未來汽車的問題，而低環(huán)境污

8、染、低噪聲的電動(dòng)汽車再次進(jìn)入了人們的視野。1.2 燃料汽車和電動(dòng)汽車的對(duì)比電動(dòng)汽車以蓄電池的電能為動(dòng)力，在行駛時(shí)幾乎沒有廢氣排出，比燃油汽車減少92%-98%，是最被看好的“零污染”汽車。因此，電動(dòng)汽車的使用時(shí)為解決環(huán)境污染問題提供了很好的一條途徑。表1-1比較了燃料汽車和電動(dòng)汽車的廢氣排放（主要成分）。表格1-1資料來源：國家重大科技產(chǎn)業(yè)工程項(xiàng)目電動(dòng)汽車實(shí)施方案。 表 1-1 電動(dòng)汽車與燃油汽車的廢氣排放比較（g/km）廢氣組成燃油汽車電動(dòng)汽車CO17.00HC2.70NOX0.741（0.023）CO23200（130）注：括號(hào)的數(shù)據(jù)考慮了電廠排放的廢氣 表格1-2列出了未安裝防護(hù)設(shè)備汽車

9、的排放系數(shù)，這些事汽車在產(chǎn)生區(qū)域以平均40.233 6km/h時(shí)速為基礎(chǔ)的平均排放系數(shù)。資料來源：大氣污染影響評(píng)價(jià)實(shí)用技術(shù)。表1-2 未安裝防護(hù)設(shè)備汽車的排放系數(shù)（g/車，km）排放物質(zhì)燃油汽車排放系數(shù)電動(dòng)汽車排放系數(shù)甲醛0.870一氧化碳46.500碳?xì)浠衔?.520氮氧化合物2.400硫氧化合物2.400有機(jī)酸（醋酸）0.870有機(jī)酸（醋酸）0.2240 在表格1-3中所示，重量為1 000kg的傳統(tǒng)汽車使用無鉛汽油所排放的HC、CO、CO2、SO2分別為0.018、0.91、0.077 1、0.004 50.045 36kg。其中，電動(dòng)汽車的尾氣排放包含了發(fā)電廠氣體排放量，分為火力發(fā)電

10、廠和天然氣發(fā)電廠兩種情況，意義與燃油汽車相同。表格1-3資料來源于美國通用汽車公司電動(dòng)汽車技術(shù)報(bào)告。表1-3 1000kg燃油汽車與電動(dòng)汽車的排放比較驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)類型質(zhì) 量燃油汽車（無鉛汽油）1 000kg電動(dòng)汽車（火力發(fā)電）1 200kg電動(dòng)汽車（天然氣發(fā)電）1 200kgHC0.0180.000 80.002 2CO0.910.009 10.018 2NO20.077 10.294 80.181 4CO2839141SOX0.004 5-0.453 60.181 4-0.771 10.000 3 同時(shí)，噪聲污染同樣是當(dāng)今社會(huì)中的一個(gè)環(huán)境問題，車輛在行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)、輪胎、氣流、排氣管等不斷的發(fā)出

11、噪聲，有資料表明，大型客車噪聲為7075dB，面包車為70dB左右，交通道上的車輛噪聲平均為70dB以上。噪聲不僅影響車內(nèi)的乘客，而且影響周圍的環(huán)境，當(dāng)環(huán)境噪聲超過一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，人們通常會(huì)出現(xiàn)頭暈、煩躁、耳鳴、惡心等不良反應(yīng)，同時(shí)，長時(shí)間持續(xù)受到過高噪聲的刺激，人們會(huì)感到疲倦，造成記憶力衰退，產(chǎn)生神經(jīng)功能障礙等疾病。 與燃油汽車相比，電動(dòng)汽車的僅產(chǎn)生少量的電磁噪聲和機(jī)械噪聲，在正常運(yùn)行時(shí)，通常比燃油汽車低1015dB。在表格1-4中比較了兩種汽車在不同時(shí)速下的噪聲情況。 表1-4 燃油汽車和電動(dòng)汽車在不同車速下的噪聲（dB）噪聲燃油汽車電動(dòng)汽車車內(nèi)車外車內(nèi)車外勻速3573676766507069

12、7066加速50817572665076727166 注：速度單位為：km/h從表中我們不難發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)汽車比燃油汽車在環(huán)境指標(biāo)上具有明顯的優(yōu)勢。1.3 電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)況 隨著各種科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展和能源環(huán)境問題的雙重壓力下，電動(dòng)汽車的研究開發(fā)再次進(jìn)入了一個(gè)活躍期，許多技術(shù)難點(diǎn)逐漸得到了解決，世界各大汽車制造商紛紛推出各自的電動(dòng)汽車產(chǎn)品。1.3.1 國外電動(dòng)汽車的發(fā)展 美國是世界汽車大國，其憑借雄厚的資金和技術(shù)優(yōu)勢在電動(dòng)汽車的研制方面取得了世人矚目的成就。1900年，美國通用公司在洛杉磯展出了“沖擊”牌電動(dòng)轎車，其時(shí)速達(dá)到了128km/h，0-96km/h加速時(shí)間小于9s,高速公路一次充電行駛

13、里程達(dá)到200km，電池剩余容量為15%時(shí)，采用車載充電機(jī)充電時(shí)間約為15h，而采用固定充電機(jī)時(shí)間僅為3h。福特公司推出的ETX-2電動(dòng)汽車，采用先進(jìn)的鈉硫電池和交流永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，時(shí)速高達(dá)105km/h，一次充電可行駛160km。 日本尼桑公司1997年生產(chǎn)了尼桑的旗艦級(jí)產(chǎn)品的四座ALTRAEV電動(dòng)汽車。該車采用了質(zhì)量僅為39Kg的62KW永磁同步電動(dòng)機(jī)；采用了高效率的控制器，使動(dòng)力系統(tǒng)的總效率高達(dá)89%。其動(dòng)力電池為鈷基離子電池。最高車速為120km/h,市區(qū)循環(huán)工況續(xù)駛里程為192 km。豐田公司開發(fā)的Priua，是采用四缸發(fā)動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，是發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)型混合動(dòng)力汽車，采

14、用行星齒輪裝置進(jìn)行功率分配。最高車速為160 km/h。 德國奔馳公司2000年推出了NECAR 5。該電動(dòng)汽車是由NECAR 3技術(shù)改進(jìn)發(fā)展而來的。它將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的體積減少了一半，整車質(zhì)量減少了300Kg，將系統(tǒng)最大輸出功率由原來的50KW提高到75KW，最高車速超過了150 km/h。 印度2001年推出的Reva EV是采用他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和一個(gè)48V的管狀鉛酸蓄電池組驅(qū)動(dòng)，利用車載充電器（220V，202KW）可以在3小時(shí)內(nèi)充電80%，在6小時(shí)充電100%。該車重量650 Kg，最高車速65 km/h，續(xù)駛里程為80 km。1.3.2 我國電動(dòng)汽車的發(fā)展概述 我國的電動(dòng)汽車的研究開始于20

15、世紀(jì)80年代。全國一些大的高校及其研究所如清華大學(xué)、上海新聯(lián)電動(dòng)汽車車輛研究所、北京希望集團(tuán)、華南理工大學(xué)等都相繼生產(chǎn)和研制出了自己的電動(dòng)汽車車樣。如清華大學(xué)設(shè)計(jì)、廣東南海粵海汽車改裝廠生產(chǎn)的6460NEV；清華大學(xué)設(shè)計(jì)、北京客車總廠改制6580EV電動(dòng)汽車；華南理工大學(xué)研制、廣東云山汽車裝配的EV600和EV6700電動(dòng)客車等。為了推動(dòng)全國電動(dòng)汽車的發(fā)展，1987年中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電動(dòng)車輛研究會(huì)在鄭州成立，開展了一系列旨在推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展的科研及學(xué)術(shù)交流活動(dòng)并且結(jié)合我國現(xiàn)有技術(shù)水平和交通狀況，提出了具體攻關(guān)目標(biāo)。 1987年上海新宇汽車修理廠用桑塔納轎車改裝電動(dòng)汽車，采用了10個(gè)100A的鉛

16、酸電池，12KW直流電動(dòng)機(jī)，車頂可以自動(dòng)翻轉(zhuǎn)。武漢長江動(dòng)力公司試制的六輪電動(dòng)雙層大客車也已經(jīng)投入試運(yùn)行。 1993年香港大學(xué)研制了U2001電動(dòng)汽車。它是四座電動(dòng)汽車，采用了功率為45KW的永磁混合電動(dòng)機(jī)和264V的鎳鎘電池組。該車的電動(dòng)機(jī)是特殊設(shè)計(jì)，它可以在一個(gè)很廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)高效率工作。該車最高車速為110 km/h，續(xù)駛里程為80 km。 2001年東風(fēng)公司研制了東風(fēng)EQ6110電動(dòng)汽車，該車采用了27KW的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，最高時(shí)速是72km/h。 2004年天津一汽紅旗研制了樣車混合電動(dòng)汽車，該車采用了功率為6.8KW的永磁無刷電動(dòng)機(jī)，最高時(shí)速是110 km/h，加速時(shí)間為14s。 2

17、004年比亞迪公司研制了比亞迪EV1電動(dòng)汽車，該車采用30KW永磁同步電動(dòng)機(jī)，最高時(shí)速是120 km/h，加速時(shí)間為15s。 目前我國已經(jīng)把電動(dòng)汽車的研究和開發(fā)列入了863重大專項(xiàng)，現(xiàn)在無論是在整車技術(shù)開發(fā)方面，還是在關(guān)鍵零部件研發(fā)方面都已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展。但已從實(shí)驗(yàn)室開發(fā)試驗(yàn)階段過渡到商品性試生產(chǎn)階段。我國電動(dòng)汽車研發(fā)與國外基本處于同一起跑線，技術(shù)水平與產(chǎn)業(yè)化的差距相對(duì)較小。目前已有了一定的基礎(chǔ)。一些企業(yè)已推出電動(dòng)汽車樣車電動(dòng)轎車概念車，燃料電池中型客車也已經(jīng)問世處于產(chǎn)業(yè)化初期準(zhǔn)備階段，具有很好的發(fā)展前景。 本章小結(jié)：電動(dòng)汽車擁有和燃料汽車相反的性能，即電動(dòng)機(jī)在環(huán)境、效率等的方面略勝一籌

18、，但是在舒適性、輸出功率大小和價(jià)格等方面較燃料汽車有一定的差距。因此，對(duì)電動(dòng)汽車高性能蓄電池、高效率電動(dòng)機(jī)、電力變流器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)是未來電動(dòng)汽車發(fā)展的主要方向。以下幾章將對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做簡要介紹。 第2章 常用的幾種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 現(xiàn)在電動(dòng)汽車的核心是高效、清潔和智能化的利用電能驅(qū)動(dòng)車輛。其關(guān)鍵技術(shù)包括汽車制造技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)、能源技術(shù)、電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等等。其中電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)被稱為電動(dòng)汽車的心臟，改系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)裝置和車輪，而電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)又是電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心，對(duì)于現(xiàn)代電動(dòng)汽車而言，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要滿足一些基本要求： 1） 高效率密度和高瞬時(shí)輸出功率； 2）

19、 在電動(dòng)汽車低速或者爬坡時(shí)，能提供低速大轉(zhuǎn)矩輸出，高速時(shí)能為巡航提供高速低轉(zhuǎn)矩特性； 3） 具有寬調(diào)速范圍，包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)； 4） 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快速； 5） 在較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩工作區(qū)內(nèi)，保持較高能量效率； 6） 再生制動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高的能量回收效率； 7） 在各種工況下，具有高的可靠性和魯棒性； 8） 價(jià)格合理2。2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)的選擇 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由能源供給系統(tǒng)、電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)組成。選擇最佳的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車的關(guān)鍵，而電動(dòng)機(jī)的性能直接決定著驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，因此電動(dòng)機(jī)的選擇成為設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要基礎(chǔ)，目前有一系列類型的電動(dòng)機(jī)均可作為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)，

20、具體如下所述。 2.1.1 直流電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)汽車在不同的歷史時(shí)期采用了不同的電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)有各種種類。直流電動(dòng)機(jī)由于控制性能好最早在電動(dòng)汽車中獲得應(yīng)用。20世紀(jì)80年代前, 幾乎所有的車輛牽引電機(jī)均為直流電機(jī)，如法國雪鐵龍SAXO電動(dòng)轎車和日本大發(fā)HIJET電動(dòng)面包車均達(dá)到年產(chǎn)1萬輛的規(guī)模。這是因?yàn)橹绷鳡恳姍C(jī)具有起步加速牽引力大，控制系統(tǒng)較簡單等優(yōu)點(diǎn)。直流電機(jī)的缺點(diǎn)是有機(jī)械換向器，當(dāng)在高速大負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，換向器表面會(huì)產(chǎn)生火花，所以電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)不能太高。由于直流電機(jī)采用機(jī)械式電刷和換向器，其過載能力、轉(zhuǎn)速范圍、功率體積比、功率重量比、系統(tǒng)效率、使用維護(hù)性均受到限制。除小型車

21、外，目前一般已不采用。 直流電動(dòng)機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是控制技術(shù)成熟，控制方法簡單，通過調(diào)節(jié)氣隙磁通和電樞電流，可以獨(dú)立控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。 根據(jù)勵(lì)磁繞組接線方式可以將直流電動(dòng)機(jī)分為他勵(lì)、串勵(lì)、并勵(lì)和復(fù)勵(lì)四種形式，下面將介紹四種直流電動(dòng)機(jī)得基本特性和工作特性。1）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組分別由不同的電源供電，圖2-1為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的等效電路。當(dāng)勵(lì)磁繞組接到一個(gè)恒定的電源時(shí)，通過調(diào)節(jié)Rf的大小，可以調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小。 圖2-1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電路他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電壓方程為： (2-1) (2-2) 上述兩式中， Vf 為勵(lì)磁電路電源電壓；Rf為勵(lì)磁電路的電阻；

22、If 為勵(lì)磁電流；Va為電樞電路電源電壓；ra為電樞繞組的內(nèi)阻；Ia為電樞繞組的電流；r為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；LAF為電樞繞組和勵(lì)磁繞組之間的互感。2）串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)是將直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組串聯(lián)起來，其電樞電流也是勵(lì)磁電流。為了減小其電壓降，繞組采用電阻較低的繞圈繞成。圖2-2為串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的等效電路圖。 圖2-2串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電路圖其電壓和電流滿足以下方程： (2-3) (2-4) 式中為電源電壓；和分別為電樞繞組的電壓和電流；和分別為勵(lì)磁繞組的電壓和電流。在穩(wěn)態(tài)情況下，串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)得電壓方程為 (2-5)電磁轉(zhuǎn)矩為 （2-6） 上述兩式中，為電樞繞組內(nèi)阻；為勵(lì)磁

23、繞組內(nèi)阻；為電樞繞組和勵(lì)磁繞組之間的互感；為電樞回路電流；為電磁轉(zhuǎn)矩。 由于其電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流的二次方成正比，因此串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩很大。但由于過大的電樞電流會(huì)導(dǎo)致鐵磁材料飽和，所以實(shí)際轉(zhuǎn)矩比計(jì)算出來的轉(zhuǎn)矩要小一些。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很高時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩就會(huì)隨著轉(zhuǎn)速上升而很快下降。實(shí)際驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩很小，串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)會(huì)加速到很高的轉(zhuǎn)速，但太高的速度會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生損壞，因此串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)大多應(yīng)用于電力拖動(dòng)需求較高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的場合，如電車，公交和起重機(jī)等。 3）并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組和勵(lì)磁繞組接線方式如圖2-3所示。 圖2-3 并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電路 由于電樞繞組和勵(lì)磁繞

24、組并聯(lián)，因此。在電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)滿足以下方程： （2-7） （2-8） 上述兩式中，為電樞繞組端電壓；為勵(lì)磁回路電阻；為勵(lì)磁回路電流；為電流總電流；為電樞回路電流。由式（2-2）和式（2-7）分別可以得到。穩(wěn)態(tài)時(shí)，該電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為 （2-9）式中，為電磁轉(zhuǎn)矩；為電樞繞組和勵(lì)磁繞組之間的互感。4）復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組具有串勵(lì)和并勵(lì)的特點(diǎn)，如圖2-4所示。在大多數(shù)復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，并勵(lì)磁場起主導(dǎo)作用，串勵(lì)磁場起輔助作用。當(dāng)串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通增強(qiáng)并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通時(shí)，該連接方式稱為積復(fù)勵(lì)；當(dāng)串勵(lì)繞組長生的磁通消弱并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通時(shí)，該方式稱為差復(fù)勵(lì)。如果復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)當(dāng)作電

25、動(dòng)機(jī)運(yùn)行，則串勵(lì)繞組用來消弱并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁場。如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，從電動(dòng)機(jī)空載到滿載，這種類型的連接可以提供一個(gè)近似恒定速度的工作特性。 a) 長并勵(lì)連接方式 b) 短并勵(lì)連接方式 圖2-4 復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電路復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電壓方程為 （2-10） 式中，為并勵(lì)繞組的端電壓；為電源電壓；為并勵(lì)繞組的內(nèi)阻；為電樞繞組的自感；為并勵(lì)繞組的自感；為串勵(lì)繞組的自感；為串勵(lì)繞組的內(nèi)阻；為電樞繞組和并勵(lì)繞組的互感；為并勵(lì)繞組和串勵(lì)繞組的互感；為電樞繞組和串勵(lì)繞組的互感；為電樞繞組的內(nèi)阻；為并勵(lì)繞組的電流；為串勵(lì)繞組的電流；為電樞繞組的電流；加減號(hào)分別表示兩個(gè)勵(lì)磁繞組的連接為積復(fù)勵(lì)和差復(fù)勵(lì)。 并勵(lì)繞組有兩

26、種連接方式：一種是長并勵(lì)連接；另一種是短并勵(lì)連接，如圖2-4所示。但大多采用長并勵(lì)連接方式，在這種情況下，電壓和電流滿足以下方程： （2-11） （2-12）式中， 。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，這種連接方式的電壓可表示為 （2-13） 其電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為 （2-14） 式中，為電磁轉(zhuǎn)矩；為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 上述幾種類型的直流電動(dòng)機(jī)，其驅(qū)動(dòng)特性也各有區(qū)別，對(duì)于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，其勵(lì)磁繞組電壓和電樞繞組電壓均可獨(dú)立可控，轉(zhuǎn)矩速度特性線性相關(guān)，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而下降，通過調(diào)節(jié)電樞回路的電阻可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。串勵(lì)直流點(diǎn)凍結(jié)的電樞繞組電流和勵(lì)磁繞組電流相等，轉(zhuǎn)矩的增加會(huì)引起電樞電流的增加，從而引起勵(lì)磁磁通的增加，最終引起轉(zhuǎn)

27、速的下降?？梢?，轉(zhuǎn)矩速度特性呈反比關(guān)系。串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)由于勵(lì)磁繞組和電樞繞組串聯(lián)，因此電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和低速區(qū)轉(zhuǎn)矩相對(duì)較大，被廣泛用于傳統(tǒng)低速電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。在直流電動(dòng)機(jī)中，這類電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩電流比最高，在車輛加速和爬坡階段，這個(gè)特性可以在很大程度上減小電池?fù)p耗。 但由于換向器和電刷的存在，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和永磁直流電動(dòng)機(jī)存在同樣的問題，換向器引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，限制了轉(zhuǎn)速的快速提升；電刷增加了摩擦，會(huì)引起電磁干擾。由于機(jī)械磨損，換向器和電刷需要定期維護(hù)。這些缺點(diǎn)降低了直流電動(dòng)機(jī)的可靠性和適用范圍，一定程度上也限制了其在現(xiàn)代電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。2.1.2 交流電動(dòng)機(jī) 20世紀(jì)90年代后，交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

28、的研制和開發(fā)有了新的突破。相比直流電機(jī)，交流電機(jī)體積小、質(zhì)量輕、效率高、調(diào)速范圍寬、可靠性高、價(jià)格便宜、維修簡單方便，在電動(dòng)汽車上得到了廣泛應(yīng)用。感應(yīng)交流電機(jī)在電動(dòng)汽車上應(yīng)用時(shí)，完成車輛的起動(dòng)、加速和恒速運(yùn)行，當(dāng)電動(dòng)汽車減速或制動(dòng)時(shí)，電機(jī)處在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，給電池充電，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。 交流電動(dòng)機(jī)分為單相和三相，其基本結(jié)構(gòu)包括定子，轉(zhuǎn)子和氣隙。定子包括定子鐵心、繞組和基座；轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和軸，繞線轉(zhuǎn)子的出線端短路連接。當(dāng)定子聯(lián)通三相對(duì)稱工頻電源時(shí)，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場又在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。由于轉(zhuǎn)子繞組短路連接，進(jìn)而形成轉(zhuǎn)子電流。磁場對(duì)其范圍內(nèi)通電流

29、的導(dǎo)體產(chǎn)生力的作用，從而形成了轉(zhuǎn)矩輸出，就這就感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的基本原理。 三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖2-5所示，機(jī)械特性曲線參數(shù)表達(dá)式如下： （2-15） （2-16） （2-17）式中：為定子相數(shù)；為轉(zhuǎn)子同步機(jī)械角速度；為定子相電壓；為電機(jī)參數(shù)；為轉(zhuǎn)差率。 圖2-5 三相交流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線 當(dāng)電機(jī)工作點(diǎn)在第象限時(shí)，例如A點(diǎn)，電機(jī)為正向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài) （如驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車前進(jìn)）；當(dāng)工作點(diǎn)在第象限時(shí)，例如B點(diǎn)，電機(jī)為反向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài) （如電動(dòng)汽車倒車）。電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電動(dòng)汽車下坡時(shí)，汽車往往需要制動(dòng)，交流電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)如圖2-6所示。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行速度不斷增大，最后超過同步

30、轉(zhuǎn)速而穩(wěn)定運(yùn)行于B點(diǎn)，此時(shí)，系統(tǒng)處于再生制動(dòng)狀態(tài)。 圖2-6 三相交流電動(dòng)機(jī)再生制動(dòng) 而異步電機(jī)在當(dāng)今社會(huì)中被廣泛應(yīng)用，其特性如下所示。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，異步電動(dòng)機(jī)在下述三個(gè)假定條件下：a.忽略空間和時(shí)間諧波；b.忽略磁飽和；c.忽略鐵損，其穩(wěn)態(tài)等效電路如圖2-7所示。 圖2-7 異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路 圖中，、為定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；、為定子每相漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感；為定子繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的等效電感，即空載試驗(yàn)測得的勵(lì)磁電感；、為定子相電壓和供電角頻率；為轉(zhuǎn)差率。由圖可以導(dǎo)出： （2-18）其中，在一般情況下，則，則。令電磁功率，同步機(jī)械角轉(zhuǎn)速，為極對(duì)數(shù)，則

31、異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為 （2-19）借助于新材料技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電機(jī)及其控制技術(shù)得以不斷的發(fā)展，交流電機(jī)的控制性能已能夠與直流電機(jī)性能相媲美。美國以及歐洲國家研制的電動(dòng)汽車多采用交流感應(yīng)電機(jī)作為其驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如美國Solectric公司配套生產(chǎn)的電動(dòng)轎車和電動(dòng)大巴車，通用汽車公司生產(chǎn)的Impact和EVI電動(dòng)汽車，Chrysler公司生產(chǎn)的EpicVan以及Ford公司生產(chǎn)的 Ranger EV 等。異步電機(jī)其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、成本低廉、運(yùn)行可靠，基本免維護(hù)。異步電機(jī)同時(shí)具有低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，低噪聲，不需要位置傳感器，轉(zhuǎn)速極限高等優(yōu)點(diǎn)。目前其在美國仍然

32、是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流產(chǎn)品1。2.1.3 永磁電動(dòng)機(jī)永磁電機(jī)是一種高性能的電機(jī)。具有高的“功率/質(zhì)量”比，比其它類型的電機(jī)有更高的效率和轉(zhuǎn)矩，而且極限轉(zhuǎn)速和制動(dòng)性能優(yōu)于其它類型的電機(jī)，更加適合作為電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。但是永磁材料受溫度影響大，在大電流負(fù)載時(shí)可導(dǎo)致材料磁性能下降，恒功率控制困難。電動(dòng)汽車用永磁電機(jī)主要有永磁無刷直流電機(jī)和永磁交流同步電機(jī)兩大類。無刷永磁電機(jī)由于具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調(diào)速范發(fā)展前景十分廣闊，在電動(dòng)車輛牽引電機(jī)中是強(qiáng)有力的競爭者，已在國內(nèi)外多種電動(dòng)車輛中獲得應(yīng)用。無刷永磁電機(jī)可采用圓柱形徑向磁場結(jié)構(gòu)或盤式軸向磁場結(jié)構(gòu)，從磁鋼在電機(jī)中的安放方式又可內(nèi)置式無

33、刷永磁電機(jī)和表貼式無刷永磁電機(jī)。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)也稱為混合式永磁磁阻電機(jī)。該電機(jī)在永磁轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上迭加了磁阻轉(zhuǎn)矩，磁阻轉(zhuǎn)矩的存在有助于提高電機(jī)的過載能力和功率密度，而且易于弱磁調(diào)速，擴(kuò)大恒功率范圍運(yùn)行。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)理論正在不斷完善和繼續(xù)深入，該電機(jī)結(jié)構(gòu)靈活，設(shè)計(jì)自由度大，有望得到高性能，適合用作電動(dòng)汽車高效、高密度、寬調(diào)速牽引驅(qū)動(dòng)。這些引起了各大汽車公司同行們的關(guān)注，特別是獲得了日本汽車公司同行的青睞，特別是在混合動(dòng)力轎車上獲得了廣泛的應(yīng)用。如本田Insight、Civic電動(dòng)汽車，豐田Prius、Crown、Estima EV電動(dòng)汽車，日產(chǎn)Rnessa EV電動(dòng)汽車等。當(dāng)前，美

34、國汽車公司同行在新車型設(shè)計(jì)中主要采用無刷永磁電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如美國UQM公司為美國軍方機(jī)動(dòng)車輛配套生產(chǎn)30- 100kW系列的驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用無刷永磁電機(jī)等。2.1.4 磁阻電動(dòng)機(jī)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)具有簡單可靠、在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運(yùn)行、制動(dòng)靈活、可四象限運(yùn)行、響應(yīng)速度快、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。由于其磁極端部的磁路嚴(yán)重飽和以及磁極和溝槽的邊緣效應(yīng)，使其在設(shè)計(jì)和控制中要求十分精確。實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，開關(guān)磁阻存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、噪聲大、需要位置檢測器等缺點(diǎn)，所以應(yīng)用還受到一定限制。最近，用于電動(dòng)汽車的開關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法考慮到極弧、高度及最大磁通密度的限制，采用有限元分析的方法使得整個(gè)調(diào)速區(qū)域損耗最??；

35、采用模糊控制策略時(shí)的電機(jī)的非線性和噪聲都不同程度的減小。國內(nèi)有部分研究機(jī)構(gòu)研制的電動(dòng)汽車采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如東風(fēng)汽車股份有限公司聯(lián)合重慶電機(jī)廠、武漢華中數(shù)控股份有限公司研制的EV6110HEV混合動(dòng)力城市公交車、天津清源電動(dòng)車輛有限公司聯(lián)合北方交通大學(xué)聯(lián)合研制的XL純電動(dòng)轎車中均采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為其驅(qū)動(dòng)電機(jī)。2.2常見的幾種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 現(xiàn)代電動(dòng)汽車是融合了電力、電子、機(jī)械控制、材料科學(xué)以及化工技術(shù)等多種高新技術(shù)的綜合產(chǎn)品。整體的運(yùn)行性能、經(jīng)濟(jì)性等首先取決于電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般用四個(gè)主要部分組成，即控制器、功率變換器、電動(dòng)機(jī)及傳感器。目前電動(dòng)汽車中使

36、用的電動(dòng)機(jī)一般有直流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)以及永磁無刷電動(dòng)機(jī)等。各種電動(dòng)機(jī)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。 電動(dòng)汽車的運(yùn)行，與一般的工業(yè)應(yīng)用不同，不但要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高轉(zhuǎn)矩重量發(fā)。比、寬調(diào)速范圍、高可靠性，而且由于電源功率的限制等，其轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性應(yīng)根據(jù)電動(dòng)汽車起動(dòng)、爬坡和行駛等不同階段分為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)或恒功率區(qū)。由于城市用電動(dòng)汽車頻繁起停工作區(qū)域?qū)?，?jīng)常運(yùn)行于低速高轉(zhuǎn)矩或高速低轉(zhuǎn)矩區(qū)域，不但要求電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在額定運(yùn)行時(shí)效率要高，而且要求電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有盡可能寬廣的高效率區(qū)。2.2.1直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在過去幾十年中，直流電動(dòng)機(jī)曾普遍應(yīng)用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之中。近幾年來，雖然直流電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用逐漸

37、減少，但依然有一些電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直流電動(dòng)機(jī)，例如日本大發(fā)公司的“H IJET”電動(dòng)汽車中使用了直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，日本馬自達(dá)公司的“BANGO”使用的是直流并勵(lì)電動(dòng)機(jī)，意大利菲亞特公司的900E/E2電動(dòng)汽車中則為直流它勵(lì)電動(dòng)機(jī)。 有刷直流電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，技術(shù)成熟，具有交流電動(dòng)機(jī)所不可比擬的優(yōu)良控制特性。目前直流電動(dòng)機(jī)一般采用斬波器控制。它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制最為典型，一般采用電樞電壓調(diào)節(jié)與弱磁控制相結(jié)合的方法。主電路中采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，弱磁過程的完成則采用非獨(dú)立勵(lì)磁結(jié)構(gòu)?？梢允孪却_定磁鏈模型，由轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)通過查表的方法確定勵(lì)磁信號(hào)的給定值。也可以取消磁鏈模型，

38、增加恒定的反電動(dòng)勢給定及反電動(dòng)勢閉環(huán)。增加反電動(dòng)勢閉環(huán)的目的是為了在弱磁過程中維持反電動(dòng)勢E基本不變。在轉(zhuǎn)速低于基速時(shí)，反電動(dòng)勢給定應(yīng)使得反電動(dòng)勢調(diào)節(jié)器AER飽和以提供最大恒定勵(lì)磁。反電動(dòng)勢調(diào)節(jié)器AER及勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)器AFR均可采用PI調(diào)節(jié)器消除靜差。無論采用上述哪一種結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速控制均由以下兩個(gè)步驟完成： （1）基速以下改變電樞電壓調(diào)節(jié)，同時(shí)保持勵(lì)磁為額定值不變； （2）以上弱磁升速，保持電樞反電動(dòng)勢恒定。直流電動(dòng)機(jī)的效率調(diào)節(jié)的原理是在電機(jī)過程中保持電機(jī)的損耗最小。針對(duì)直流電動(dòng)機(jī)提出的恒定電流比控制(Constant Current Ratio Control)就是基于此思想。其推導(dǎo)了勵(lì)磁與電

39、樞電流的最佳比例關(guān)系，使得電機(jī)在運(yùn)行中維持效率最高。直流電動(dòng)機(jī)盡管存在控制簡單的特點(diǎn)，但由于存在電刷及機(jī)械換向器，不但限制了電機(jī)的過載能力與速度的進(jìn)一步提高，而且如果長期運(yùn)行，勢必需要經(jīng)常維持電刷與換向器。另外，由于損耗存在于轉(zhuǎn)子上，使得散熱困難，溫升增高，限制了電機(jī)轉(zhuǎn)矩重量比的進(jìn)一步提高。由于直流電動(dòng)機(jī)存在上述缺陷，因而在現(xiàn)代電動(dòng)汽車中應(yīng)用越來越少。2.2.2交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 與直流電動(dòng)機(jī)不同，由于現(xiàn)代電子技術(shù)與電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)已大量應(yīng)用于電動(dòng)汽車之中，例如日本尼桑公司的“FEV”電動(dòng)汽車、美國通用汽車公司的“IM PACT”電動(dòng)汽車等均使用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)做為其驅(qū)動(dòng)電機(jī)。其中

40、，鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)應(yīng)用最廣。 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制一般采用VVVF、磁場定向以及直接轉(zhuǎn)矩控制。VVVF在基速以下能夠維持反電動(dòng)勢E與頻率f 之比恒定，但在基速以上，磁通T必須與f 成反比降低，相當(dāng)于直流電機(jī)的弱磁升速。但VVVF 控制性能較差，不適于電動(dòng)汽車的運(yùn)行。磁場定向矢量控制應(yīng)用最廣，基本思想是以轉(zhuǎn)子磁鏈定向?yàn)榭刂颇繕?biāo)，通過矢量運(yùn)算，做到分別控制dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的磁場電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量，實(shí)現(xiàn)類似直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)一般采用間接法測轉(zhuǎn)子磁鏈，常用的有定子電流、轉(zhuǎn)速磁鏈模型法以及定子電壓、電流磁鏈模型法。前者的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子磁鏈模型經(jīng)過電壓模型的校正給出，通過電流模型及速度確定及；后者

41、是通過檢測電動(dòng)機(jī)端電壓及電流，經(jīng)過模型運(yùn)算，得到轉(zhuǎn)子磁鏈。直接轉(zhuǎn)矩控制不需要磁場定向矢量控制那樣復(fù)雜的坐標(biāo)變換技術(shù)，只需直接在電動(dòng)機(jī)定子坐標(biāo)上計(jì)算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，直接控制電機(jī)電壓以達(dá)到電機(jī)系統(tǒng)的高性能。 由于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)存在轉(zhuǎn)差損耗，效率調(diào)節(jié)應(yīng)包括轉(zhuǎn)差損耗。繞線式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差功率的回饋，效率較高，但控制復(fù)雜，一般電動(dòng)汽車中很少采用當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)采用磁場定向控制時(shí)，在輕載情況下電機(jī)效率尤其低下，G1Junge等人采用了準(zhǔn)最佳勵(lì)磁控制，即勵(lì)磁與轉(zhuǎn)矩電流分量比恒定，收到了較好效果。與此相似，A1K1Adnanes提出的恒轉(zhuǎn)差頻率控制同樣可以達(dá)到調(diào)節(jié)效率的目的。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)用于電

42、動(dòng)汽車主要是由于它具有價(jià)格低，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，免于維修等優(yōu)點(diǎn)，其中矢量控制的應(yīng)用可以得到類似于直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良特性，故在當(dāng)今社會(huì)被廣泛應(yīng)用。本文將以矢量控制，對(duì)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.2.3 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是近年來逐漸完善起來的一種新型動(dòng)力系統(tǒng)。許多文獻(xiàn)都曾探討過開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在電動(dòng)汽車中應(yīng)用的可能性，但目前應(yīng)用開關(guān)磁阻電機(jī)的電動(dòng)汽車仍然很少，這類電動(dòng)汽車有克勞瑞得公司的“Lucas”電動(dòng)汽車 。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，是一種雙凸極磁阻電動(dòng)機(jī)，基于磁阻最小原理工作。開關(guān)磁阻電機(jī)一般采用三相以上的結(jié)構(gòu)，隨著相數(shù)增多，步距角減小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)隨之減小，但結(jié)構(gòu)、控

43、制趨于復(fù)雜。目前應(yīng)用較多的是三相(64 極)、四相(86 極)結(jié)構(gòu)。 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行具有嚴(yán)重非線性的特點(diǎn)，因而許多工作集中于非線性基礎(chǔ)上的電磁轉(zhuǎn)矩和鐵耗的精確求解上。對(duì)于開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速控制，一般在低速時(shí)采用電流斬波控制，或稱之為電流滯環(huán)控制，以獲得恒轉(zhuǎn)矩特性； 在高速時(shí)采用角度位置控制。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域時(shí)，電機(jī)的開通角固定在電機(jī)效率最高，或轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小位置。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過基速時(shí)，調(diào)整每相電流的開通角，使電機(jī)提前開通，使電機(jī)具有恒功率特性，此時(shí)電機(jī)效率等會(huì)有所下降。當(dāng)導(dǎo)通角增大到最大值時(shí)，電動(dòng)機(jī)就具有類似于串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的特性。 關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固，既

44、具有異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的高效率、高可靠性，又具有直流調(diào)速系統(tǒng)的良好控制特性。雖然其運(yùn)行時(shí)存在電機(jī)噪聲，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)嚴(yán)重等缺點(diǎn)，但隨著科技的進(jìn)步，同樣具有廣闊的發(fā)展前景。2.2.4 永磁無刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 永磁無刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有較上述電機(jī)系統(tǒng)更高的能量密度和更高的效率，在電動(dòng)汽車中具有極好的應(yīng)用前景。永磁無刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可以分為兩類，一類是方波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(BDCM )，另一類是永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)(PM SM )，也稱之為正弦波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。 在永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)中，反電勢波形設(shè)計(jì)為梯波形，以期獲得更大更平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩。因而定子繞組常采用集中繞組，轉(zhuǎn)子上的磁鋼常采用表面磁鋼結(jié)構(gòu)

45、。在永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，氣隙磁場常設(shè)計(jì)為正弦波，定子采用分布式、分?jǐn)?shù)槽繞組，轉(zhuǎn)子可以采用表面磁鋼、嵌入式、埋藏式結(jié)構(gòu)。在電動(dòng)汽車中，永磁無刷電動(dòng)機(jī)也有采用盤式結(jié)構(gòu)或外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的。另外，方波無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不需要絕對(duì)位置傳感器，一般采用霍爾元件或增量式碼盤，也可以通過檢測反電動(dòng)勢波形換相。永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)一般需要絕對(duì)式碼盤或旋轉(zhuǎn)變壓器等轉(zhuǎn)子位置傳感器。 永磁無刷電動(dòng)機(jī)能量密度高于電磁式、磁阻式電機(jī)，目前的研究多集中于提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩/重量比方面。一般認(rèn)為，嵌入式結(jié)構(gòu)出力要高于表面磁鋼結(jié)構(gòu)。多相化可以進(jìn)一步提高電機(jī)出力。CCChan等人開發(fā)的五相方波無刷電動(dòng)機(jī)，采用了多極少槽結(jié)構(gòu)，具有能量密度高

46、等優(yōu)點(diǎn)。但該電機(jī)還存在電感較大等問題。典型的永磁無刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是一種準(zhǔn)解耦矢量控制系統(tǒng)。 由于永磁體只能產(chǎn)生固定幅值磁場，因而永磁無刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)非常適于運(yùn)行于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，一般采用電流滯環(huán)控制或電流反饋型SP-WM法來完成。為進(jìn)一步擴(kuò)充轉(zhuǎn)速，永磁電機(jī)也可以采用弱磁控制。永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制的實(shí)質(zhì)是使相電流相位角超前，提供直軸去磁磁勢來減弱定子繞組中磁鏈。方波無刷電動(dòng)機(jī)的弱磁控制與開關(guān)磁阻電機(jī)相仿，通過調(diào)節(jié)開通角來達(dá)到弱磁效果。 近年來開始的電動(dòng)汽車，應(yīng)用方波無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的越來越多，而采用永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的電動(dòng)汽車也為數(shù)不少。在電動(dòng)汽車的直接驅(qū)動(dòng)方面，這兩種電機(jī)較上述各種電機(jī)具有更明顯的

47、優(yōu)勢。但其成本較高，故應(yīng)用不是很廣泛。 本章小結(jié)：通過對(duì)電動(dòng)汽車幾種常用控制方法的對(duì)比，可以看出在當(dāng)今社會(huì)中，交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、運(yùn)行可靠、效率較高、制造容易、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)中得到廣泛的應(yīng)用，針對(duì)現(xiàn)實(shí)的使用情況，本文選擇交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證其可行性。第3章 異步電機(jī)矢量控制原理在電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)中，異步電機(jī)的矢量控制實(shí)現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，使其系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有了顯著的改善。本章首先闡述異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)坐標(biāo)變換理論，得到了其在兩相靜止坐標(biāo)系下和兩相同步坐標(biāo)

48、系下的數(shù)學(xué)方程，并介紹了異步電機(jī)的矢量控制原理。3.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型 由于異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，故在研究異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，常常做出如下假設(shè)： 1） 忽略鐵耗對(duì)電機(jī)的影響； 2） 在頻率和溫度變化，忽略其對(duì)繞組電阻的影響； 3） 認(rèn)為各繞組的互感和自感都是線性的，即忽略磁路飽和的影響； 4） 設(shè)三相繞組對(duì)稱，在空間中互差1200電角度，產(chǎn)生的磁動(dòng)勢沿氣隙按正弦分布，忽略空間諧波3。三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組分為繞線型和籠型型，其均可以等效為三相繞線轉(zhuǎn)子，折算到定子側(cè)后，其定子和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)都相等。電機(jī)繞組等效后的三相異步電動(dòng)機(jī)的

49、物理模型如圖3-1所示。圖3-1 三相異步電動(dòng)機(jī)的物理模型圖中，以A軸為參考坐標(biāo)系軸，定子三相繞組軸線A、B、C在空間中固定，轉(zhuǎn)子對(duì)稱繞組的軸線a、b、c隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子a軸和定子A軸間的電角度為空間角位移變量。規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動(dòng)機(jī)慣例和右手螺旋定則。異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型主要由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程、運(yùn)動(dòng)方程組成，如下所示。1) 電壓方程 三相定子繞組的電壓平衡方程為 (3-1) 將三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為 (3-2) 式中，為定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值；為定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值；為各相繞組的全磁鏈；為電子和轉(zhuǎn)子繞組電阻。上述各量都已折算到定子側(cè)

50、，為了簡單起見，表示折算的上角標(biāo)“”均省略，以下同此。 用微分算子p代替微分符號(hào)d/dt，將電壓方程寫為矩陣形式，如下： （3-3）或改寫為： （3-4）2） 磁鏈方程 由定義可以知道，每個(gè)繞組的磁鏈等于其自身的自感磁鏈加上其他繞組對(duì)其的互感磁鏈之和，故將六個(gè)繞組的磁鏈表達(dá)為矩陣，如下所示： （3-5）或?qū)憺椋?（3-6）在實(shí)際中，與電機(jī)繞組交鏈的磁通主要只有兩類：一類是只與一相繞組交鏈而不穿過氣隙的漏磁通；另一類是穿過氣隙的互感磁通，稱為主磁通。式中，L是66的電感矩陣，其中對(duì)角線元素為各個(gè)繞組的自感，其他為繞組間的互感。 由于各相繞組所交鏈的磁通等于主磁通與漏磁通之和，故定子各相自感為： （3-7）轉(zhuǎn)子各相自感為： （3-8）式中，為定子漏感；為轉(zhuǎn)子漏感；為定子互感；為轉(zhuǎn)子互感。兩相繞組之