电动汽车驱动控制系统设计

电动汽车驱动控制系统设计摘要驱动系统是电动汽车的心脏，也是电动汽车研制的关键技术之一，它直接决定电动汽车的性能，本文根据异步电动机矢量控制理论，结合电动汽车的实际要求，研究设计基于无速度传感器矢量控制的电动汽车驱动系统。矢量控制通过坐标变换将定子电流矢量分解为转子磁场定向的两个直流分量并分别加以控制，从而实现异步电动机磁通和转矩的解耦控制，已达到直流电动机的控制效果。最后，在Matlab环境中建立了仿真系统，验证了无速度传感器矢量控制系统原理应用于电动汽车驱动系统的可行性。关键词：电动汽车；驱动系统；异步电动机；无速度传感器矢量控制ABSTRACTDrivingsystemistheheartofEVandoneofthekeypartsofthevehiclethatdeterminestheperformanceoftheEVdirectly.Accordingtothecontroltechnique、themethodofinductionmotordrivesystemandbasedonthefactualrequirementofEV,thespeedsensorlessvectorcontrolwasdesignedinthisarticle.Bytransformingcoordinate,thestatorcurrentisdecomposingtwoDCpartswhichorientatedastherotatormagneticfieldandcontrolledrespectively,Somagneticfluxandtorquearedecoupled.Itcontrolstheasynchronousmotorasasynchronousway.Finally,intimationsystemisestablishedintheenvironmentofMatlabtovalidatethesecontrolarithmetic.Thesystemproveditsenormouspracticalvalueofapplication.Keywords:EV;Drivesystem;Inductionmotor;speedsensorlessvectorcontrol目录第1章绪论.........................................................11.1引言.......................................................11.2燃料汽车和电动汽车的对比....................................11.3电动汽车的发展现况..........................................2第2章常用的几种驱动系统...........................................32.1驱动系统电机的选择..........................................32.2常见的几种驱动系统...........................................6第3章异步电机矢量控制原理.........................................73.1三相异步电动机的多变量非线性数学模型........................73.2坐标变换....................................................83.3三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型......................93.4异步电机的矢量控制..........................................93.5按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用...................103.6无速度传感器矢量控制系统...................................12第4章基于MATLAB的电动汽车矢量控制系统仿真.......................124.1基于电流模型磁链估计的控制系统仿真.........................124.2基于电压模型的无速度传感器矢量控制系统.....................144.3仿真结果分析...............................................15第5章结束语......................................................19致谢..............................................................20参考文献...........................................................211第1章绪论1.1引言电动汽车是一种电力驱动的道路交通工具，其包括了电池电动汽车，混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车等。在第一辆电池电动汽车问世至今以来，电动汽车的发展几经沉浮，并随着科技和社会的进步跨越了不同的时代。至人类社会进入20世纪以来，能源危机和环境污染问题成了世界各国面临的两大难题。1.2燃料汽车和电动汽车的对比电动汽车以蓄电池的电能为动力，在行驶时几乎没有废气排出，比燃油汽车减少92%-98%，是最被看好的“零污染”汽车。因此，电动汽车的使用时为解决环境污染问题提供了很好的一条途径。表1-1比较了燃料汽车和电动汽车的废气排放（主要成分）。表格1-1资料来源：《国家重大科技产业工程项目电动汽车实施方案》。表1-1电动汽车与燃油汽车的废气排放比较（g/km）废气组成燃油汽车电动汽车CO17.00HC2.70NOX0.741（0.023）CO23200（130）注：括号的数据考虑了电厂排放的废气表格1-2列出了未安装防护设备汽车的排放系数，这些事汽车在产生区域以平均40.2336km/h时速为基础的平均排放系数。资料来源：《大气污染影响评价实用技术》。表1-2未安装防护设备汽车的排放系数（g/车，km）排放物质燃油汽车排放系数电动汽车排放系数甲醛0.870一氧化碳46.500碳氢化合物3.520氮氧化合物2.400硫氧化合物2.400有机酸（醋酸）0.8702有机酸（醋酸）0.2240在表格1-3中所示，重量为1000kg的传统汽车使用无铅汽油所排放的HC、CO、CO2、SO2分别为0.018、0.91、0.0771、0.0045—0.04536kg。其中，电动汽车的尾气排放包含了发电厂气体排放量，分为火力发电厂和天然气发电厂两种情况，意义与燃油汽车相同。表格1-3资料来源于美国通用汽车公司电动汽车技术报告。表1-31000kg燃油汽车与电动汽车的排放比较驱动系统类型质量燃油汽车（无铅汽油）1000kg电动汽车（火力发电）1200kg电动汽车（天然气发电）1200kgHC0.0180.00080.0022CO0.910.00910.0182NO20.07710.29480.1814CO2839141SOX0.0045-0.45360.1814-0.77110.0003与燃油汽车相比，电动汽车的仅产生少量的电磁噪声和机械噪声，在正常运行时，通常比燃油汽车低10—15dB。在表格1-4中比较了两种汽车在不同时速下的噪声情况。表1-4燃油汽车和电动汽车在不同车速下的噪声（dB）噪声燃油汽车电动汽车车内车外车内车外匀速35736767665070697066加速50817572665076727166注：速度单位为：km/h从表中我们不难发现，电动汽车比燃油汽车在环境指标上具有明显的优势。1.3电动汽车的发展现况随着各种科学技术的高速发展和能源环境问题的双重压力下，电动汽车的研3究开发再次进入了一个活跃期，许多技术难点逐渐得到了解决，世界各大汽车制造商纷纷推出各自的电动汽车产品。本章小结：电动汽车拥有和燃料汽车相反的性能，即电动机在环境、效率等的方面略胜一筹，但是在舒适性、输出功率大小和价格等方面较燃料汽车有一定的差距。因此，对电动汽车高性能蓄电池、高效率电动机、电力变流器、驱动系统的开发是未来电动汽车发展的主要方向。以下几章将对电动汽车驱动系统做简要介绍。第2章常用的几种驱动系统现在电动汽车的核心是高效、清洁和智能化的利用电能驱动车辆。其关键技术包括汽车制造技术、电子技术、信息技术、能源技术、电力驱动技术、自动控制技术等等。2.1驱动系统电机的选择电动汽车驱动系统由能源供给系统、电力驱动系统和机械传动系统组成。选择最佳的驱动系统是设计电动汽车的关键，而电动机的性能直接决定着驱动系统的性能，因此电动机的选择成为设计电动汽车驱动系统的主要基础，目前有一系列类型的电动机均可作为电动汽车驱动系统的电动机，具体如下所述。电动汽车在不同的历史时期采用了不同的电动机作为驱动电机，电动汽车用电动机有各种种类。直流电动机由于控制性能好最早在电动汽车中获得应用。1）他励直流电动机他励直流电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由不同的电源供电，图2-1为他励直流电动机的等效电路。当励磁绕组接到一个恒定的电源时，通过调节Rf的大小，可以调节励磁电流的大小。MarFAFrILaVaIfIfRfVFFLAAL---图2-1他励直流电动机等效电路他励直流电动机稳态运行时的电压方程为：fffIRV(2-1)4FAFraaaILIrV(2-2)2）串励直流电动机串励直流电动机是将直流电动机的励磁绕组和电枢绕组串联起来，其电枢电流也是励磁电流。为了减小其电压降，绕组采用电阻较低的绕圈绕成。图2-2为串励直流电动机的等效电路图。MAALar----fVFFsLaVfsIfsAFrILaIfsRfsV图2-2串励直流电动机等效电路图3）并励直流电动机并励直流电动机的电枢绕组和励磁绕组接线方式如图2-3所示。M---aVfVaIarAALfAFrILfIfrFFL图2-3并励直流电动机等效电路4）复励直流电动机复励直流电动机的励磁绕组具有串励和并励的特点，如图2-4所示。在大多数复励直流电动机运行中，并励磁场起主导作用，串励磁场起辅助作用。5M----arAALFFLaVfVFFsLfsRaIfsIfsV-tVtIfsrAFsfrAFILILfRa)长并励连接方式M----arAALFFLaVfVFFsLfsRaIfsV-tVfsrAFsfrAFILILfRIb)短并励连接方式图2-4复励直流电动机等效电路图2-5三相交流电动机机械特性曲线当电机工作点在第Ⅰ象限时，例如A点，电机为正向电动运行状态（如驱动电动汽车前进）；当工作点在第Ⅲ象限时，例如B点，电机为反向电动运行状态（如电动汽车倒车）。电动运行状态下，电磁转矩为驱动转矩。6当电动汽车下坡时，汽车往往需要制动，交流电动机的再生制动如图2-6所示。当电机运行速度不断增大，最后超过同步转速1n而稳定运行于B点，此时，1nnB，系统处于再生制动状态。图2-6三相交流电动机再生制动而异步电机在当今社会中被广泛应用，其特性如下所示。根据电机学原理，异步电动机在下述三个假定条件下：a.忽略空间和时间谐波；b.忽略磁饱和；c.忽略铁损，其稳态等效电路如图2-7所示。sIsRlsL'lrLmLsRr''rI0IlsU图2-7异步电动机的稳态等效电路2.2常见的几种驱动系统现代电动汽车是融合了电力、电子、机械控制、材料科学以及化工技术等多种高新技术的综合产品。整体的运行性能、经济性等首先取决于电池系统和电机驱动控制系统。电动汽车的运行，与一般的工业应用不同，不但要求电机驱动系统具有高转矩重量发。比、宽调速范围、高可靠性，而且由于电源功率的限制等，其转矩一转速特性应根据电动汽车起动、爬坡和行驶等不同阶段