电动汽车电机驱动控制策略研究

本科毕业设计（论文）GRADUATION DESIGN(THESIS)论文题目：电动汽车电机驱动控制策略研究 本科生姓名：关海波 学号：201211318指导教师姓名：赵峰 职称： 申请学位类别： 工学学士 专业：电力工程与管理 设计(论文)提交日期：（小四号楷体加黑）答辩日期：（小四号楷体加黑）本科毕业设计 (论文)电动汽车电机驱动控制策略研究Investigation on control strategy of motor drive for electric vehicle 姓 名： 关海波 学 号： 201211318 学 院： 新能源与动力工程学院 专 业 班 级： 电力工程与管理 1201 班 指 导 教 师： 赵峰 完 成 日 期： 兰 州 交 通 大 学Lanzhou Jiaotong University兰州交通大学本科毕业设计（论文）摘 要本论文首先介绍了异步电动机的数学模型，通过坐标变换，得到了异步电动机的空间矢量等效电路。并由理想逆变器的 8 种开关状态入手，得到了理想逆变器的数学模型，建立了空间电压矢量的定义。并在此基础上对定子磁链和电磁转矩与空间电压矢量之间的关系进行了分析，阐述了六边形磁链轨迹和近似圆形磁链轨迹异步电动机直接转矩控制系统的结构和工作原理。根据异步电动机直接转矩控制的工作原理，本论文在 MATLAB/Simulink 的平台下，分别搭建了六边形磁链轨迹和圆形磁链轨迹直接转矩控制系统模型。并对仿真结果进行了相应的分析，验证了异步电动机直接转矩控制策略的可行性。而且，对两种磁链轨迹直接转矩控制系统的优缺点及应用范围进行了比较。本论文以电动汽车的电机驱动部分为研究对象，对于异步电动机的直接转矩控制技术进行了较为深入的理论研究，在电动汽车及其他相关领域的应用具有一定的参考价值。关键词：电动汽车；电机驱动；直接转矩控制兰州交通大学本科毕业设计（论文）AbstractThis thesis starts with the mathematic model of the induction motor, and gets the space vector equivalent circuit by coordinate transform. The mathematic model of the inverter and the concept of the voltage space vector are gotten from the eight switched states of the inverter. Then, this thesis describes the structure and the principle of the DTC system both in hexagon flux track and in round flux track for induction motor based on the analysis of the relations between stator flux and electrical torque with voltage space vector.The DTC system models in hexagon flux track and in round flux track are built on the platform of MTATLAB/Simulink separated upon the principle of DTC. The feasibility of the strategy of the DTC for induction motor is testified by the simulation, and the performances of the two kinds of DTC system are compared also.This thesis makes a further theory research, and makes a software and hardware design on DTC system for induction motor, which takes the motor drive of electric vehicle as the researching object. This research is valuable for the application of the DTC for induction motor in electric vehicle and other relevant fields. Key Words：Electric vehicle，Motor drive，Direct torque control兰州交通大学本科毕业设计（论文）目 录摘 要 .- 1 -ABSTRACT.- 2 -1 绪论 .- 1 -1.1 国内外电动汽车的发展及现状 .- 1 -2 电动汽车电机驱动系统分析 .- 1 -2.1 电动汽车驱动电机的特殊要求 .- 1 -2.2 电动汽车电机驱动系统的分类与选择 .- 2 -2.2.1 直流电机驱动系统. - 2 -2.2.2 交流感应电机驱动系统 .- 2 -2.2.3 永磁无刷电动机驱动系统 .- 2 -2.2.4 开关磁阻电机驱动系统. - 3 -2.2.5 电动汽车电机驱动系统的选择 .- 3 -2.3 交流感应电机的控制方法 .- 4 -2.3.1 变压变频控制 .- 4 -2.3.2 矢量控制 .- 4 -2.3.3 直接转矩控制 .- 5 -2.3.3 交流感应电机控制方法的选择 .- 5 -3 直接转矩控制系统的基本原理 .- 5 -3.1 异步电机数学模型和空间矢量等效电路 .- 5 -3.1.1 异步电机的数学模型 .- 5 -3.1.2 异步电机空间矢量等效电路 .- 7 -3.2 理想逆变器的数学模型 .- 8 -3.3 异步电机定子磁链和电磁转矩与空间电压矢量的关系 .- 9 -3.4 直接转矩控制系统的基本组成 .- 9 -3.4.1 六边形磁链直接转矩控制的原理 .- 9 -3.4.2 近似圆形磁链直接转矩控制的基本原理 .- 12 -4 基于 MATLAB/SIMULINK 的直接转矩控制系统仿真 .- 16 -4.1 六边形磁链的直接转矩控制系统建模与仿真 .- 16 -兰州交通大学本科毕业设计（论文）4.1.1 主要子模块建模 .- 16 -4.1.2 六边形磁链直接转矩控制系统的系统仿真 .- 17 -4.2 近似圆形磁链直接转矩控制系统的建模与仿真 .- 20 -4.2.1 主要子模块的建模 .- 20 -4.2.2 近似圆形磁链直接转矩控制原理的仿真 .- 21 -4.3 两种控制方法的比较分析 .- 23 -结 论 .- 25 -致 谢 .- 26 -参考文献 .- 27 -附录 A 六边形磁链直接转矩控制系统仿真图. - 28 -兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 1 -1 绪论随着经济的快速发展，更多的燃油汽车慢慢进入了人们的日常生活。而目前世界面临的两大问题就是环境污染和能源枯竭。与此同时，由于电机驱动控制技术的飞速发展，现代工业对研制无污染、结构简单、运行成本低廉的电动汽车更加容易。电动汽车是指由车载电源为电动汽车提供行驶动力，由电动汽车的驱动电机驱动汽车行驶，符合交通法规要求的汽车，目前，电动汽车有三类，分别为混合动力电动汽车、纯电动汽车和燃料电池动力汽车 1。电动汽车的大力发展，不但可以实现低排放而达到减少环境污染的效果，而且可以缓解石油资源的枯竭。因此，电动汽车的研究已经成为未来汽车研究领域的重中之重。1.1 国内外电动汽车的发展及现状在国内，电动汽车从 20 世纪末开始研究。经过我国两次五年计划的的飞速发展，国内电动汽车的发展从零到有，从刚开始的研究开发阶段上升到产业化阶段。十年内，我国共有 30 个城市参与电动汽车示范推广工程，累计推广电动汽车共计 2.1 万辆，示范推广运行里程也超过 1.9 亿多千米。因此，未来五年是我国电动汽车项目发展的重要时期。在国外，尤其是以美国、日本、欧洲为代表的众多发达国家的科研机构、电力公司、车辆公司很早就推出了电动汽车的概念车，并且一些比较先进的电动汽车研发企业已经进入生产阶段。例如，通用汽车公司开发的 E1 型电动汽车，克莱斯勒公司重点研究和设计的电动汽车；近几年日本本田公司研发的电动轿车，德国宝马公司开发的El 电动旅行车等。2 电动汽车电机驱动系统分析电动汽车由三个子系统构成，分别为能源子系统、电机驱动子系统以及辅助控制系统 2。电动汽车电动机驱动系统所需要的电能由车载蓄电池提供，并将车载蓄电池输出的电能转化为电动汽车所需要的机械能，而驱动电机的输出轴便连接至该电动汽车的驱动系统，经过驱动系统基本结构的传动装置，由传动装置产生的驱动力驱动电动汽车正常行驶。2.1 电动汽车驱动电机的特殊要求电动汽车的驱动系统，有一些特殊要求，如下所述：兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 2 -(1) 电动汽车电机基速以下输出的转矩较大，所以，为了使驱动电机在启动、加速、负荷爬坡、起停等条件下都能正常工作，驱动电机需要 3 倍左右的过载。(2) 电动汽车电机达到规定速度以上时，要求以恒功率状态运行，是为了在高速运行条件下，电动汽车能够正常行驶。(3) 驱动电机必须具有很高的动态特性、稳定精度以及非常好的可靠性；(4) 电气系统失效保障措施完善；(5) 电动汽车电机驱动系统设备要物美价廉。2.2 电动汽车电机驱动系统的分类与选择电动汽车电机驱动系统按照电机类型不同可分为：交流感应电机驱动系统、直流电机驱动系统、开关阻尼电机驱动系统以及永磁无刷电机驱动系统。2.2.1 直流电机驱动系统直流电机驱动系统使用的驱动电机为直流电机。而直流电机驱动系统所使用的变流器是斩波器，变流器的作用是将额定电压转换为可调电压；直流电机驱动系统所采用的调速方法有调压调速与调磁调速。直流电动机根据有无励磁绕组可以分为励磁绕组式和永磁式。前者有励磁绕组且磁场可由直流电流控制，而后者没有励磁绕组且永磁体的磁场是不可控制的。由于技术成熟，控制简单，它们在许多驱动系统研发中都有非常广泛的应用。2.2.2 交流感应电机驱动系统逆变器和控制器组成了交流感应电机驱动系统中的驱动控制器。驱动系统中的逆变器作用是将蓄电池中的直流电转换成交流电动机运行所需的交流电。电动机的输入电压、电流、转速、频率、波形、磁通、转矩、开关方式、导通角和关断角等都要通过控制器进行控制，才能达到从电能到机械能转换的目的，还要让控制器对交流感应电机的转矩控制效果达到最优。因此，交流感应电机及其驱动控制器要求逆变器和控制器能够同时作用、整体设计，使逆变器和控制器能够完美配合，并且能够达到一体化和集成化的整体，这样就可以大大提升交流电机的潜力，使交流感应电机更好的应用于电动汽车领域。交流感应电动机需要使用逆变器将直流电变为交流电。车载蓄电池存储的电能为直流电，而交流感应电机需要的是交流电驱动，所以必须使用逆变器对蓄电池输出的直流电处理，通过逆变器将直流电转换为交流电。2.2.3 永磁无刷电动机驱动系统永磁驱动电动机可以分为很多类型，根据永磁驱动电动机的输入信号波形，可分兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 3 -为两种，永磁直流和永磁交流电动机。由于永磁交流驱动电动机并没有装配电刷、换向器和滑环等器件，也可将永磁交流驱动电机称为永磁无刷驱动电动机。若是按照永磁驱动电机输入信号进行分类，永磁无刷电机可分为两种，分别是永磁同步电动机和永磁无刷直流电动机。永磁同步电动机需要输入的信号波形是交流正弦波，并且是采用了连续转子位置反馈信号进行换向控制；而对于另外一种永磁驱动电机而言，其输入的是交流方波，而这两者进行换向控制所采用的信号是一样的。因为方波与正弦波相比，其磁场和电流之间产生的转矩要远大于正弦波，所以，就功率密度而言，直流电机要比同步电机大。 2.2.4 开关磁阻电机驱动系统开关磁阻电机驱动系统由电机、转子位置传感器和控制器构成，所用的电机为开关磁阻电机。开关磁阻电动机是双凸结构。双凸结构十分牢固，比较适合高速旋转的状况，并且不用维护，其费用也低，所以很受工业重视。开关磁阻电动机基本结构包含位置传感器，因此即使让电机一直大转矩工作，也不会产生丢步，这是开关磁阻电机最大的优点。而它的缺点就是电机是双凸结构，就会导致转矩脉动引起的振动以及噪声太大。2.2.5 电动汽车电机驱动系统的选择通过以上的分析，对以上阐述的四种主要电机驱动系统进行优缺点对比，详细说明见表 2.1 所示。表 2.1 电动汽车电机优缺点比较电机类型 优点 缺点直流电机 结构简单，转矩控制特性优良。 存在电刷、容易出现电火花、维护不容易、价格昂贵。交流感应电动机 价格便宜、维护简单、体积较小。 控制装置较复杂。永磁无刷电动机 控制器较简单、效率高、能量密度大。 价格较贵。开关磁阻电动机 简单可靠、可调范围宽、效率高、控制灵活、成本低。 转矩波动很大、噪声较大。由上表可知，直流电动机存在电刷，维护困难，很难适应进一步发展的需要；而永磁同步电动机在价格以及研究技术上，依然不符合电动汽车电机驱动系统的最终要求。而交流感应电动机具有很多优点，所需成本很低，可靠性非常好，调速范围比较兰州交通大学本科毕业设计（论文）- 4 -宽，研究时间较长，使用经验较足，而且交流