电动汽车用电机控制策略分析

电动汽车用电机控制策略分析 摘要 第一章绪论 1.1引言 1.2电动汽车的定义及优势 1.2.1电动汽车的定义 1.2.2电动汽车的优势 1.3电动汽车的基本结构

1.4本论文选题的意义及主要内容 1.4.1选题的意义 1.4.2本文的主要内容 第二章电动汽车电机驱动系统介绍

2.1电动汽车驱动电机分类 2.2电机驱动系统系统构成与布置方式 2.3电动汽车中电动机类型及其驱动系统

2.4电动汽车电机驱动控制的发展现状和趋势 第三章交流感应电动机及其控制策略 第四章无刷直流电动机及其控制策略 第五章永磁同步电动机及其控制策略 5.1永磁同步电机的结构和特点 5.2永磁同步电机矢量控制理论

5.2.1电动机的转矩控制 5.2.2 PMSM坐标变换 5.2.3 PMSM数学模型 5.2.4电流极限圆和电压极限圆

5.3永磁同步电动机恒转矩控制 5.3.1 id =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 cosφ=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 摘要 第一章绪论 1.1引言 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。

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。

1.2电动汽车的定义及优势 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。

1.2.1电动汽车的定义 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

1.2.2电动汽车的优势 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，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。

1.4本论文选题的意义及主要内容 1.4.1选题的意义 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。

1.4.2本文的主要内容 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: ① 电机的转矩、速度特性能满足电动车对驱动性能的要求。 ② 能实现对输出功率和转矩的迅速、平滑的控制。 ③ 系统整体效率高, 功率密度大。 ④ 能够在恶劣的工作环境下可靠地工作。 ⑤ 成本低, 易维修。 2.2电机驱动系统系统构成与布置方式 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1．1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