无刷直流电机在电动汽车中的应用研究

２０１０（１Ｏ）　汽车工程师　ＡＰ　
摘要：随着经济的发展，汽车燃料的消耗，社会环保的需要，电动汽车（ＥＶ）的使用发展已受到了充分重视。文　
章概述了电动汽车电力驱动中电机的发展，并建立数学模型分析无刷直流电机怎样得到最优控制，最后指出在未　
来研究工作中电动汽车电驱动系统发展方向及急需解决的问题。　
关键词：电动汽车；直流电机：数学模型　
Ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　Ｍｏｔｏｒ　ｉｎ　ＥＶ　
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｅｃｏｎｏｍｙ，ｖｅｈｉｃｌｅ　ｆｕｅｌ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｎｅｅｄｓ　ｏｆ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，　
ｇｒｅａｔｅｒ　ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ　ｉｓ　ａｔｔａｃｈｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｐｒｅａｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｍｏｔｏｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ａｎｄ　ｔｅｌｌｓ　ＵＳ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｐｒｏｄｕｃｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｍａｘｉｍｕｍ　
ｔｏｒｑｕｅ　ｂｙ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ　ａ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ　ｍｏｄｅ１．Ａｔ　ｌａｓｔ，ｉｔ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　
ｄｒｉｖｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｗｈｉｃｈ　ｓｔｉｌｌ　ｎｅｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｓｏｌｖｅｄ　ｉｎ　ｆｕｔｕｒｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ．　
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｖｅｈｉｃｌｅ；ＤＣ　ｍｏｔｏｒ；Ｍａｔｈｅｍａｔｉｅａｌ　ｍｏｄｅｌ　

１　电力驱动系统　
电力驱动系统是电动汽车的心脏，它的主要功能　
是使电能转变为机械能，并通过传动系统将能量传递　
到车轮，驱动车辆行驶。其基本构成有２部分：电力　
部分和机械装置。　
典型的电动汽车电力驱动系统功能块示意图如图　
１所示，其中双箭头和单箭头分别对应能量流和信号　
流。　

１电动汽车电力驱动系统功能块不惹图　
２　无刷直流电机的数学模型　

２．１三相绕组端电压方程　
无刷直流电机产生的反电动势为梯形波，是非正　
弦波，因此难以采用坐标变换分析。应直接在本身的　
相变量上建立数学模型。由参考文献（２）可知，如　
果电机的三相绕组在空问上完全对称，同时假设电机　
的磁场不饱和，并忽略涡流及迟滞损耗，则电机的电　
压方程为：　

［三　］＝［　］＋［ｉ兰兰］［冬］＋［　孑］鲁［耋］　
㈢　＋　
０
０　Ｌ　
Ｉ　｛　ｆ　ｆ　
０　一Ｍ／１ｗｔ　ｆ。／ｌ　

：～
Ｐ　
ｒｌＯＮ　汽车工　２０１　０年１　０月　
式中：　ｗｍ——转子机械角速度。　
假设无刷直流电机永磁体在气隙中产生的磁感应　
强度为方波，在空间占１８０。电角度；定子绕组为６０。　
相带的集中整距绕组，定子电流为在空间对称的梯形　
三相电流，各相彼此相差１２０。电角度，忽略电枢反　
应及铁损、磁损。当绕组相电流与对应的反电动势相　
位完全相同时，电机产生的电磁转矩为：　

＝　＝
ｃＴ，。　
式中：Ｅａ——反电动势幅值；　
，Ｄ。——相绕组电流的幅值；　
ｃＴ——转矩常数。　
此时电机具有恒转矩特性，即在基速以下，只要　
保持绕组电流为最大值，电机就可以产生恒定的最大　
转矩，得到较好控制。　
２．２模糊ＰＩＤ的控制方法　
为了实现实时和高准确率的控制，从而提高无刷　
直流电动机的输出性能，下面用１种模糊ＰＩＤ控制器　
来调节ＰＩＤ控制器的增益参数，连续ＰＩＤ控制的数　
学表达式为：　

＋
砉　＋　｝　

式中：　Ｐ（　——系统输入和输出的差值；　
甜∽——由ＰＩＤ控制器产生的控制信号；　

——
比例增益；　

——
积分时问常数；　

——
微分时间常数。　
离散ＰＩＤ控制的数学表达式为：　
（　）＝　Ｐ（尼）＋　∑　（　）　。ｐ（后）一　（尼一１）］　
式中：Ｋ　＝　，　７１Ｄ／　
卜采样周期；　

，　
和　——可调节的参数。　
ＰＩＤ控制器的任务便是决定这些参数的值。　
２．３模糊ＰＩＤ控制器　
由参考文献（２）可得出模糊ＰＩＤ控制器的结构　
图如图２所示，图２中　为给定电动机的转速，　表　
示实际电动机的转速，ｅ为系统误差，ｅ　为ｅ的微分值。　
当电动机工作时，在每个采样周期，通过模糊控制指　
令，模糊推理机制便检测ｅ和ｅ　的变化率，从而分别　
产生它们的模糊变量　和　。接着该控制器将会即　
时对ＰＩＤ控制器原有的　，　和　３个参数进行调　
节，从而使得ＰＩＤ控制器总是能够对直流无刷电动机　
产生最优控制信号。　

．
５８一　

模糊逻辑控制器　
图２模糊控制器结构图　
３　无刷直流电机在电动汽车电驱动系统中的研　

究方向　
电动汽车要求其电驱动系统具有高可靠性、高性　
能、高效率、低成本，１辆性能好的电动车的成本是　
非常高的，采用无刷直流电机驱动系统，除了上述所　
说控制优化以外，则还应考虑到以下问题。　
１）无刷直流电机的效率优化控制。首先在确保　
系统具有高性能转矩特性的前提下，电机的励磁除了　
受转速控制外，还与电动汽车的运行工况联系起来，　
使得在轻载状态下，也能降低电机的励磁电流，降低　
磁链损耗，提高电机的效率，实现电机效率最优化。　
此外当电动汽车处于制动状态下，电机实现回馈　
制动可以提高车辆的续驶里程。只有当回馈制动的能　
量大于励磁所需的能量时，能量回馈才有意义，所以　
提高轻载时的效率，就可以降低一定的励磁能量，提　
高制动能量利用率，进一步提高车辆的续驶里程。　
２）提高电驱动系统的鲁棒稳定性。用于电动汽　
车中的电机通常具有２个显著特点，其一是电机具有　
较高的功率密度，电机的电磁负荷比较大；其二是由　
于车辆的运行工况较复杂，电机运行时，电机的温升　
比较大。因此，　’方面要求提高电机的绝缘等级，另　
一
方而要解决驱动系统的鲁棒稳定性问题。因为电机　
运行环境的变化及温升的增加，会引起电机模型参数　
的改变，从而影响电机的控制性能，所以提高系统的　
鲁棒性能很重要。　
４　结论　
本文在分析了无刷直流电动机数学模型的基础　
上，指出怎样得到最优控制以满足电动汽车电力装置　
要求的发展研究，为今后的建模仿真分析提供了很好　
的理论依据，要将电动汽车真正用到现实，直流电动　
机的控制优化将是一个重要课题。　
参考文献　
［１］刘启新．电机与拖动基础［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００７．　
［２］胡寿松．自动控制原理［Ｍ］北京：科学出版社，２００６．　
［３］陈敬东，张为佐．电力电子技术在汽车４２Ｖ直流总线下的应用【Ｊ】＿　
中国集成电路，２００３（４９）：５２　
［４］王贵明，王金懿电动汽车及其性能优化［Ｍ］．北京：机械工业出版　
社，２０１０．　
（收稿曰期：２０１０．０８—２３）