电动汽车驱动控制系统设计和实现车辆工程管理专业

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 control 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, intimation 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目录摘 要 IABSTRACT II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 31.3.1 国外电动汽车的发展 31.3.2 我国电动汽车的发展概述 4第2章 常用的几种驱动系统 62.1 驱动系统电机的选择 62.1.1 直流电动机 62.1.2 交流电动机 112.1.3 永磁电动机 142.1.4 磁阻电动机 152.2常见的几种驱动系统 152.2.1直流电动机系统 162.2.2交流感应电动机系统 172.2.3 开关磁阻电动机系统 182.2.4 永磁无刷电动机系统 18第3章 异步电机矢量控制原理 203.1 三相异步电动机的多变量非线性数学模型 203.2 坐标变换 233.3 三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型 253.4 异步电机的矢量控制 263.5 按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用 273.6 无速度传感器矢量控制系统 30第4章 基于MATLAB的电动汽车矢量控制系统仿真 324.1 基于电流模型磁链估计的控制系统仿真 324.2 基于电压模型的无速度传感器矢量控制系统 344.3 仿真结果分析 35第5章 结束语 41致 谢 42参考文献 43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而作为一种重要的交通工具，电动汽车在人类文明史上始终占据真不可忽视的地位，同时也对高科技的发展、工业的兴起以及经济的发展起到了重要的作用 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如何缓解并最终解决能源供需矛盾，如何改善日益严峻的环境状况，各国从不同角度为此不辞辛劳据联合国统计，目前世界拥有8亿辆汽车，因此，能源紧张与汽车行业发展的关系十分密切，每年汽车消耗250亿桶石油，占世界石油消耗的75%，同时排出大量有害气体，严重污染了人类赖以生存的自然环境同时，内燃机汽车使用的燃料均为一次性能源，开发使用后便不可再生伴随着全球能源消耗的增加，地球的矿物能源已面临枯竭，迫使人们重新考虑未来汽车的问题，而低环境污染、低噪声的电动汽车再次进入了人们的视野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40.233 6km/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）0.870有机酸（醋酸）0.2240 在表格1-3中所示，重量为1 000kg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、0.077 1、0.004 5—0.045 36kg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1-3 1000kg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）1 000kg电动汽车（火力发电）1 200kg电动汽车（天然气发电）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 同时，噪声污染同样是当今社会中的一个环境问题，车辆在行驶时，发动机、轮胎、气流、排气管等不断的发出噪声，有资料表明，大型客车噪声为70—75dB，面包车为70dB左右，交通道上的车辆噪声平均为70dB以上噪声不仅影响车内的乘客，而且影响周围的环境，当环境噪声超过一定标准时，人们通常会出现头晕、烦躁、耳鸣、恶心等不良反应，同时，长时间持续受到过高噪声的刺激，人们会感到疲倦，造成记忆力衰退，产生神经功能障碍等疾病 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1.3.1 国外电动汽车的发展 美国是世界汽车大国，其凭借雄厚的资金和技术优势在电动汽车的研制方面取得了世人瞩目的成就1900年，美国通用公司在洛杉矶展出了“冲击”牌电动轿车，其时速达到了128km/h，0-96km/h加速时间小于9s,高速公路一次充电行驶里程达到200km，电池剩余容量为15%时，采用车载充电机充电时间约为15h，而采用固定充电机时间仅为3h福特公司推出的ETX-2电动汽车，采用先进的钠硫电池和交流永磁电机驱动系统，时速高达105km/h，一次充电可行驶160km 日本尼桑公司1997年生产了尼桑的旗舰级产品的四座ALTRAEV电动汽车该车采用了质量仅为39Kg的62KW永磁同步电动机；采用了高效率的控制器，使动力系统的总效率高达89%其动力电池为钴基离子电池最高车速为120km/h,市区循环工况续驶里程为192 km丰田公司开发的Priua，是采用四缸发动机和永磁同步电动机共同驱动，是发动机主动型混合动力汽车，采用行星齿轮装置进行功率分配。

最高车速为160 km/h 德国奔驰公司2000年推出了NECAR 5该电动汽车是由NECAR 3技术改进发展而来的它将驱动系统的体积减少了一半，整车质量减少了300Kg，将系统最大输出功率由原来的50KW提高到75KW，最高车速超过了150 km/h 印度2001年推出的Reva EV是采用他励直流电动机和一个48V的管状铅酸蓄电池组驱动，利用车载充电器（220V，202KW）可以在3小时内充电80%，在6小时充电100%该车重量650 Kg，最高车速65 km/h，续驶里程为80 km1.3.2 我国电动汽车的发展概述 我国的电动汽车的研究开始于20世纪80年代全国一些大的高校及其研究所如清华大学、上海新联电动汽车车辆研究所、北京希望集团、华南理工大学等都相继生产和研制出了自己的电动汽车车样如清华大学设计、广东南海粤海汽车改装厂生产的6460NEV；清华大学设计、北京客车总厂改制6580EV电动汽车；华南理工大学研制、广东云山汽车装配的EV600和EV6700电动客车等为了推动全国电动汽车的发展，1987年中国电工技术学会电动车辆研究会在郑州成立，开展了一系列旨在推动电动汽车发展的科研及学术交流活动并且结合我国现有技术水平和交通状况，提出了具体攻关目标。

1987年上海新宇汽车修理厂用桑塔纳轿车改装电动汽车，采用了10个100A的铅酸电池，12KW直流电动机，车顶可以自动翻转武汉长江动力公司试制的六轮电动双层大客车也已经投入试运行 1993年香港大学研制了U2001电动汽车它是四座电动汽车，采用了功率为45KW的永磁混合电动机和264V的镍镉电池组该车的电动机是特殊设计，它可以在一个很广的转速范围内高效率工作该车最高车速为110 km/h，续驶里程为80 km 2001年东风公司研制了东风EQ6110电动汽车，该车采用了27KW的开关磁阻电动机，最高时速是72km/h 2004年天津一汽红旗研制了样车混合电动汽车，该车采用了功率为6.8KW的永磁无刷电动机，最高时速是110 km/h，加速时间为14s 2004年比亚迪公司研制了比亚迪EV1电动汽车，该车采用30KW永磁同步电动机，最高时速是120 km/h，加速时间为15s 目前我国已经把电动汽车的研究和开发列入了863重大专项，现在无论是在整车技术开发方面，还是在关键零部件研发方面都已经取得了突破性的进展但已从实验室开发试验阶段过渡到商品性试生产阶段。

我国电动汽车研发与国外基本处于同一起跑线，技术水平与产业化的差距相对较小目前已有了一定的基础一些企业已推出电动汽车样车电动轿车概念车，燃料电池中型客车也已经问世处于产业化初期准备阶段，具有很好的发展前景 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、自动控制技术等等其中电力驱动技术被称为电动汽车的心脏，改系统包括电动机驱动装置、机械传动装置和车轮，而电动机驱动技术又是电力驱动系统的核心，对于现代电动汽车而言，驱动系统需要满足一些基本要求： 1） 高效率密度和高瞬时输出功率； 2） 在电动汽车低速或者爬坡时，能提供低速大转矩输出，高速时能为巡航提供高速低转矩特性； 3） 具有宽调速范围，包括恒转矩区和恒功率区； 4） 转矩响应快速； 5） 在较宽的转速和转矩工作区内，保持较高能量效率； 6） 再生制动时，可实现高的能量回收效率； 7） 在各种工况下，具有高的可靠性和鲁棒性； 8） 价格合理[2]。

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 2.1.1 直流电动机 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20世纪80年代前, 几乎所有的车辆牵引电机均为直流电机，如法国雪铁龙SAXO电动轿车和日本大发HIJET电动面包车均达到年产1万辆的规模这是因为直流牵引电机具有起步加速牵引力大，控制系统较简单等优点直流电机的缺点是有机械换向器，当在高速大负载下运行时，换向器表面会产生火花，所以电机的运转不能太高由于直流电机采用机械式电刷和换向器，其过载能力、转速范围、功率体积比、功率重量比、系统效率、使用维护性均受到限制除小型车外，目前一般已不采用 直流电动机最大的优点是控制技术成熟，控制方法简单，通过调节气隙磁通和电枢电流，可以独立控制电动机转速和转矩。

根据励磁绕组接线方式可以将直流电动机分为他励、串励、并励和复励四种形式，下面将介绍四种直流电动机得基本特性和工作特性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 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： (2-1) (2-2) 上述两式中， Vf 为励磁电路电源电压；Rf为励磁电路的电阻；If 为励磁电流；Va为电枢电路电源电压；ra为电枢绕组的内阻；Ia为电枢绕组的电流；r为电动机的转速；LAF为电枢绕组和励磁绕组之间的互感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 图2-2串励直流电动机等效电路图其电压和电流满足以下方程： (2-3) (2-4) 式中为电源电压；和分别为电枢绕组的电压和电流；和分别为励磁绕组的电压和电流在稳态情况下，串励直流电动机得电压方程为 (2-5)电磁转矩为 （2-6） 上述两式中，为电枢绕组内阻；为励磁绕组内阻；为电枢绕组和励磁绕组之间的互感；为电枢回路电流；为电磁转矩 由于其电磁转矩与电枢电流的二次方成正比，因此串励直流电动机的启动转矩很大但由于过大的电枢电流会导致铁磁材料饱和，所以实际转矩比计算出来的转矩要小一些。

当电动机转速很高时，电磁转矩就会随着转速上升而很快下降实际驱动系统中，如果负载转矩很小，串励直流电动机会加速到很高的转速，但太高的速度会对电动机产生损坏，因此串励直流电动机大多应用于电力拖动需求较高起动转矩的场合，如电车，公交和起重机等 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 图2-3 并励直流电动机等效电路 由于电枢绕组和励磁绕组并联，因此在电动机稳态运行时满足以下方程： （2-7） （2-8） 上述两式中，为电枢绕组端电压；为励磁回路电阻；为励磁回路电流；为电流总电流；为电枢回路电流由式（2-2）和式（2-7）分别可以得到稳态时，该电动机的电磁转矩为 （2-9）式中，为电磁转矩；为电枢绕组和励磁绕组之间的互感。

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当串励绕组产生的磁通增强并励绕组产生的磁通时，该连接方式称为积复励；当串励绕组长生的磁通消弱并励绕组产生的磁通时，该方式称为差复励如果复励电动机当作电动机运行，则串励绕组用来消弱并励绕组产生的磁场如果设计得当，从电动机空载到满载，这种类型的连接可以提供一个近似恒定速度的工作特性 a) 长并励连接方式 b) 短并励连接方式 图2-4 复励直流电动机等效电路复励直流电动机的电压方程为 （2-10） 式中，为并励绕组的端电压；为电源电压；为并励绕组的内阻；为电枢绕组的自感；为并励绕组的自感；为串励绕组的自感；为串励绕组的内阻；为电枢绕组和并励绕组的互感；为并励绕组和串励绕组的互感；为电枢绕组和串励绕组的互感；为电枢绕组的内阻；为并励绕组的电流；为串励绕组的电流；为电枢绕组的电流；加减号分别表示两个励磁绕组的连接为积复励和差复励。

并励绕组有两种连接方式：一种是长并励连接；另一种是短并励连接，如图2-4所示但大多采用长并励连接方式，在这种情况下，电压和电流满足以下方程： （2-11） （2-12）式中， 稳态运行时，这种连接方式的电压可表示为 （2-13） 其电磁转矩可以表示为 （2-14） 式中，为电磁转矩；为电动机转速 上述几种类型的直流电动机，其驱动特性也各有区别，对于他励直流电动机，其励磁绕组电压和电枢绕组电压均可独立可控，转矩速度特性线性相关，转速随着转矩的增加而下降，通过调节电枢回路的电阻可以调节转速串励直流点冻结的电枢绕组电流和励磁绕组电流相等，转矩的增加会引起电枢电流的增加，从而引起励磁磁通的增加，最终引起转速的下降可见，转矩速度特性呈反比关系串励直流电动机由于励磁绕组和电枢绕组串联，因此电动机的起动转矩和低速区转矩相对较大，被广泛用于传统低速电动汽车驱动领域。

在直流电动机中，这类电动机转矩电流比最高，在车辆加速和爬坡阶段，这个特性可以在很大程度上减小电池损耗 但由于换向器和电刷的存在，他励直流电动机和永磁直流电动机存在同样的问题，换向器引起转矩波动，限制了转速的快速提升；电刷增加了摩擦，会引起电磁干扰由于机械磨损，换向器和电刷需要定期维护这些缺点降低了直流电动机的可靠性和适用范围，一定程度上也限制了其在现代电动汽车领域的应用2.1.2 交流电动机 20世纪90年代后，交流电机驱动系统的研制和开发有了新的突破相比直流电机，交流电机体积小、质量轻、效率高、调速范围宽、可靠性高、价格便宜、维修简单方便，在电动汽车上得到了广泛应用感应交流电机在电动汽车上应用时，完成车辆的起动、加速和恒速运行，当电动汽车减速或制动时，电机处在发电制动状态，给电池充电，实现机械能到电能的转换 交流电动机分为单相和三相，其基本结构包括定子，转子和气隙定子包括定子铁心、绕组和基座；转子包括转子铁心、转子绕组和轴，绕线转子的出线端短路连接当定子联通三相对称工频电源时，在电动机内部产生旋转磁场这个旋转磁场又在转子导体内部产生感应电动势由于转子绕组短路连接，进而形成转子电流。

磁场对其范围内通电流的导体产生力的作用，从而形成了转矩输出，就这就感应电动机的基本原理 三相感应电动机的机械特性曲线如图2-5所示，机械特性曲线参数表达式如下： （2-15） （2-16） （2-17）式中：为定子相数；为转子同步机械角速度；为定子相电压；为电机参数；为转差率 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，最后超过同步转速而稳定运行于B点，此时，，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 图2-7 异步电动机的稳态等效电路 图中，、为定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；、为定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；为定子绕组产生气隙主磁通的等效电感，即空载试验测得的励磁电感；、为定子相电压和供电角频率；为转差率由图可以导出： （2-18）其中，，在一般情况下，，则，则令电磁功率，同步机械角转速，为极对数，则异步电动机的电磁转矩为 （2-19）借助于新材料技术、计算机技术、电力电子技术和微电子技术的迅速发展，交流电机及其控制技术得以不断的发展，交流电机的控制性能已能够与直流电机性能相媲美美国以及欧洲国家研制的电动汽车多采用交流感应电机作为其驱动电机，如美国Solectric公司配套生产的电动轿车和电动大巴车，通用汽车公司生产的Impact和EVI电动汽车，Chrysler公司生产的EpicVan以及Ford公司生产的 Ranger EV 等。

异步电机其特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，基本免维护异步电机同时具有低转矩脉动，低噪声，不需要位置传感器，转速极限高等优点目前其在美国仍然是电动汽车驱动系统的主流产品[1]2.1.3 永磁电动机永磁电机是一种高性能的电机具有高的“功率/质量”比，比其它类型的电机有更高的效率和转矩，而且极限转速和制动性能优于其它类型的电机，更加适合作为电动汽车的驱动电机但是永磁材料受温度影响大，在大电流负载时可导致材料磁性能下降，恒功率控制困难电动汽车用永磁电机主要有永磁无刷直流电机和永磁交流同步电机两大类无刷永磁电机由于具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范发展前景十分广阔，在电动车辆牵引电机中是强有力的竞争者，已在国内外多种电动车辆中获得应用无刷永磁电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构，从磁钢在电机中的安放方式又可内置式无刷永磁电机和表贴式无刷永磁电机内置式永磁同步电机也称为混合式永磁磁阻电机该电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩，磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁调速，扩大恒功率范围运行内置式永磁同步电机的设计理论正在不断完善和继续深入，该电机结构灵活，设计自由度大，有望得到高性能，适合用作电动汽车高效、高密度、宽调速牵引驱动。

这些引起了各大汽车公司同行们的关注，特别是获得了日本汽车公司同行的青睐，特别是在混合动力轿车上获得了广泛的应用如本田Insight、Civic电动汽车，丰田Prius、Crown、Estima EV电动汽车，日产R’nessa EV电动汽车等当前，美国汽车公司同行在新车型设计中主要采用无刷永磁电机作为驱动电机，如美国UQM公司为美国军方机动车辆配套生产30- 100kW系列的驱动电机均采用无刷永磁电机等2.1.4 磁阻电动机开关磁阻电动机具有简单可靠、在较宽转速和转矩范围内高效运行、制动灵活、可四象限运行、响应速度快、成本较低等优点由于其磁极端部的磁路严重饱和以及磁极和沟槽的边缘效应，使其在设计和控制中要求十分精确实际应用发现，开关磁阻存在转矩波动大、噪声大、需要位置检测器等缺点，所以应用还受到一定限制最近，用于电动汽车的开关磁阻电机的优化设计方法考虑到极弧、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个调速区域损耗最小；采用模糊控制策略时的电机的非线性和噪声都不同程度的减小国内有部分研究机构研制的电动汽车采用开关磁阻电机作为驱动电机，如东风汽车股份有限公司联合重庆电机厂、武汉华中数控股份有限公司研制的EV6110HEV混合动力城市公交车、天津清源电动车辆有限公司联合北方交通大学联合研制的XL纯电动轿车中均采用开关磁阻电机作为其驱动电机。

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电机驱动系统一般用四个主要部分组成，即控制器、功率变换器、电动机及传感器目前电动汽车中使用的电动机一般有直流电动机、感应电动机、开关磁阻电动机以及永磁无刷电动机等各种电动机各有其优缺点 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分为恒转矩区或恒功率区由于城市用电动汽车频繁起停工作区域宽，经常运行于低速高转矩或高速低转矩区域，不但要求电动机系统在额定运行时效率要高，而且要求电动机系统具有尽可能宽广的高效率区2.2.1直流电动机系统在过去几十年中，直流电动机曾普遍应用于电动汽车驱动系统之中近几年来，虽然直流电动机在电动汽车中的应用逐渐减少，但依然有一些电动汽车的驱动电机为直流电动机，例如日本大发公司的“H IJET”电动汽车中使用了直流串励电动机，日本马自达公司的“BANGO”使用的是直流并励电动机，意大利菲亚特公司的900E/E2电动汽车中则为直流它励电动机。

有刷直流电动机的主要优点是控制简单，技术成熟，具有交流电动机所不可比拟的优良控制特性目前直流电动机一般采用斩波器控制它励直流电动机的驱动控制最为典型，一般采用电枢电压调节与弱磁控制相结合的方法主电路中采用典型的转速、电流双闭环系统，弱磁过程的完成则采用非独立励磁结构可以事先确定磁链模型，由转速反馈信号通过查表的方法确定励磁信号的给定值也可以取消磁链模型，增加恒定的反电动势给定及反电动势闭环增加反电动势闭环的目的是为了在弱磁过程中维持反电动势E基本不变在转速低于基速时，反电动势给定应使得反电动势调节器AER饱和以提供最大恒定励磁反电动势调节器AER及励磁电流调节器AFR均可采用PI调节器消除静差无论采用上述哪一种结构，转速控制均由以下两个步骤完成： （1）基速以下改变电枢电压调节，同时保持励磁为额定值不变； （2）以上弱磁升速，保持电枢反电动势恒定直流电动机的效率调节的原理是在电机过程中保持电机的损耗最小针对直流电动机提出的恒定电流比控制(Constant Current Ratio Control)就是基于此思想其推导了励磁与电枢电流的最佳比例关系，使得电机在运行中维持效率最高。

直流电动机尽管存在控制简单的特点，但由于存在电刷及机械换向器，不但限制了电机的过载能力与速度的进一步提高，而且如果长期运行，势必需要经常维持电刷与换向器另外，由于损耗存在于转子上，使得散热困难，温升增高，限制了电机转矩重量比的进一步提高由于直流电动机存在上述缺陷，因而在现代电动汽车中应用越来越少2.2.2交流感应电动机系统 与直流电动机不同，由于现代电子技术与电机控制技术的发展，交流感应电动机已大量应用于电动汽车之中，例如日本尼桑公司的“FEV”电动汽车、美国通用汽车公司的“IM PACT”电动汽车等均使用感应电动机做为其驱动电机其中，鼠笼式感应电动应用最广 感应电动机的控制一般采用VVVF、磁场定向以及直接转矩控制VVVF在基速以下能够维持反电动势E与频率f 之比恒定，但在基速以上，磁通T必须与f 成反比降低，相当于直流电机的弱磁升速但VVVF 控制性能较差，不适于电动汽车的运行磁场定向矢量控制应用最广，基本思想是以转子磁链定向为控制目标，通过矢量运算，做到分别控制dq旋转坐标系中的磁场电流分量与转矩电流分量，实现类似直流电动机的转速调节具体实现时一般采用间接法测转子磁链，常用的有定子电流、转速磁链模型法以及定子电压、电流磁链模型法。

前者的特点是转子磁链模型经过电压模型的校正给出，通过电流模型及速度确定及；后者是通过检测电动机端电压及电流，经过模型运算，得到转子磁链直接转矩控制不需要磁场定向矢量控制那样复杂的坐标变换技术，只需直接在电动机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，直接控制电机电压以达到电机系统的高性能 由于感应电动机存在转差损耗，效率调节应包括转差损耗绕线式感应电动机双馈调速系统可以实现转差功率的回馈，效率较高，但控制复杂，一般电动汽车中很少采用当感应电动机采用磁场定向控制时，在轻载情况下电机效率尤其低下，G1Junge等人采用了准最佳励磁控制，即励磁与转矩电流分量比恒定，收到了较好效果与此相似，A1K1Adnanes提出的恒转差频率控制同样可以达到调节效率的目的感应电动机用于电动汽车主要是由于它具有价格低，结构简单，可靠性高，免于维修等优点，其中矢量控制的应用可以得到类似于直流电动机的优良特性，故在当今社会被广泛应用本文将以矢量控制，对电动汽车的驱动系统进行设计2.2.3 开关磁阻电动机系统 开关磁阻电动机系统是近年来逐渐完善起来的一种新型动力系统许多文献都曾探讨过开关磁阻电动机系统在电动汽车中应用的可能性，但目前应用开关磁阻电机的电动汽车仍然很少，这类电动汽车有克劳瑞得公司的“Lucas”电动汽车 。

开关磁阻电动机结构简单，是一种双凸极磁阻电动机，基于磁阻最小原理工作开关磁阻电机一般采用三相以上的结构，随着相数增多，步距角减小，转矩脉动随之减小，但结构、控制趋于复杂目前应用较多的是三相(64 极)、四相(86 极)结构 开关磁阻电动机的运行具有严重非线性的特点，因而许多工作集中于非线性基础上的电磁转矩和铁耗的精确求解上对于开关磁阻电机的转矩、转速控制，一般在低速时采用电流斩波控制，或称之为电流滞环控制，以获得恒转矩特性； 在高速时采用角度位置控制当电机运行于恒转矩区域时，电机的开通角固定在电机效率最高，或转矩脉动最小位置当转速超过基速时，调整每相电流的开通角，使电机提前开通，使电机具有恒功率特性，此时电机效率等会有所下降当导通角增大到最大值时，电动机就具有类似于串励直流电动机的特性 关磁阻电动机系统的主要优点在于结构简单，坚固，既具有异步电动机矢量控制系统的高效率、高可靠性，又具有直流调速系统的良好控制特性虽然其运行时存在电机噪声，转矩脉动严重等缺点，但随着科技的进步，同样具有广阔的发展前景2.2.4 永磁无刷电动机系统 永磁无刷电动机系统具有较上述电机系统更高的能量密度和更高的效率，在电动汽车中具有极好的应用前景。

永磁无刷电动机系统可以分为两类，一类是方波驱动的无刷直流电动机系统(BDCM )，另一类是永磁同步电动机系统(PM SM )，也称之为正弦波驱动的无刷直流电动机系统 在永磁无刷直流电动机中，反电势波形设计为梯波形，以期获得更大更平稳的电磁转矩因而定子绕组常采用集中绕组，转子上的磁钢常采用表面磁钢结构在永磁同步电动机系统中，气隙磁场常设计为正弦波，定子采用分布式、分数槽绕组，转子可以采用表面磁钢、嵌入式、埋藏式结构在电动汽车中，永磁无刷电动机也有采用盘式结构或外转子结构的另外，方波无刷直流电动机系统不需要绝对位置传感器，一般采用霍尔元件或增量式码盘，也可以通过检测反电动势波形换相永磁同步电动机系统一般需要绝对式码盘或旋转变压器等转子位置传感器 永磁无刷电动机能量密度高于电磁式、磁阻式电机，目前的研究多集中于提高电机转矩/重量比方面一般认为，嵌入式结构出力要高于表面磁钢结构多相化可以进一步提高电机出力C·C·Chan等人开发的五相方波无刷电动机，采用了多极少槽结构，具有能量密度高等优点但该电机还存在电感较大等问题典型的永磁无刷电动机系统是一种准解耦矢量控制系统 由于永磁体只能产生固定幅值磁场，因而永磁无刷电动机系统非常适于运行于恒转矩区域，一般采用电流滞环控制或电流反馈型SP-WM法来完成。

为进一步扩充转速，永磁电机也可以采用弱磁控制永磁同步电动机弱磁控制的实质是使相电流相位角超前，提供直轴去磁磁势来减弱定子绕组中磁链方波无刷电动机的弱磁控制与开关磁阻电机相仿，通过调节开通角来达到弱磁效果 近年来开始的电动汽车，应用方波无刷直流电动机系统的越来越多，而采用永磁同步电动机系统的电动汽车也为数不少在电动汽车的直接驱动方面，这两种电机较上述各种电机具有更明显的优势但其成本较高，故应用不是很广泛 本章小结：通过对电动汽车几种常用控制方法的对比，可以看出在当今社会中，交流感应电动机驱动系统具有结构简单、使用方便、运行可靠、效率较高、制造容易、成本低廉的优点，在电动汽车驱动中得到广泛的应用，针对现实的使用情况，本文选择交流异步电动机驱动系统对电动汽车驱动系统进行设计，同时并对该系统进行仿真，验证其可行性第3章 异步电机矢量控制原理在电动汽车控制系统中，异步电机的矢量控制实现了交流电动机磁通和转矩的解耦控制，使其系统的动态特性有了显著的改善本章首先阐述异步电动机在三相坐标系下的数学模型，然后根据坐标变换理论，得到了其在两相静止坐标系下和两相同步坐标系下的数学方程，并介绍了异步电机的矢量控制原理。

3.1 三相异步电动机的多变量非线性数学模型 由于异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，故在研究异步电动机的数学模型时，常常做出如下假设： 1） 忽略铁耗对电机的影响； 2） 在频率和温度变化，忽略其对绕组电阻的影响； 3） 认为各绕组的互感和自感都是线性的，即忽略磁路饱和的影响； 4） 设三相绕组对称，在空间中互差1200电角度，产生的磁动势沿气隙按正弦分布，忽略空间谐波[3]三相异步电动机转子绕组分为绕线型和笼型型，其均可以等效为三相绕线转子，折算到定子侧后，其定子和转子绕组匝数都相等电机绕组等效后的三相异步电动机的物理模型如图3-1所示图3-1 三相异步电动机的物理模型图中，以A轴为参考坐标系轴，定子三相绕组轴线A、B、C在空间中固定，转子对称绕组的轴线a、b、c随转子一起旋转,转子a轴和定子A轴间的电角度为空间角位移变量规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则异步电动机的数学模型主要由电压方程、磁链方程、转矩方程、运动方程组成，如下所示1) 电压方程 三相定子绕组的电压平衡方程为 (3-1) 将三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为 (3-2) 式中，为定子和转子相电压的瞬时值；为定子和转子相电流的瞬时值；为各相绕组的全磁链；为电子和转子绕组电阻。

上述各量都已折算到定子侧，为了简单起见，表示折算的上角标“’”均省略，以下同此 用微分算子p代替微分符号d/dt，将电压方程写为矩阵形式，如下： （3-3）或改写为： （3-4）2） 磁链方程 由定义可以知道，每个绕组的磁链等于其自身的自感磁链加上其他绕组对其的互感磁链之和，故将六个绕组的磁链表达为矩阵，如下所示： （3-5）或写为： （3-6）在实际中，与电机绕组交链的磁通主要只有两类：一类是只与一相绕组交链而不穿过气隙的漏磁通；另一类是穿过气隙的互感磁通，称为主磁通式中，L是6×6的电感矩阵，其中对角线元素为各个绕组的自感，其他为绕组间的互感 由于各相绕组所交链的磁通等于主磁通与漏磁通之和，故定子各相自感为： （3-7）转子各相自感为： （3-8）式中，为定子漏感；为转子漏感；为定子互感；为转子互感。

两相绕组之间之存在互感，其可分为两类：一、定子三相彼此之间和转子三相彼此之间位置都是固定的，为常值；二、定子任一相与转子任一相之间的位置是变化的，互感为角位移的函数在假定气隙磁通为正弦分布的情况下，两相绕组的互感如下： （3-9）当定子、转子两相绕组轴线一致时，两者间的互感值最大，就是每相的最大互感将式（3-6）~式（3-9）带入式（3-5），就可以得到完整的磁链方程3） 转矩方程假设线性磁路、磁动势在空间中按正弦分布，则电机的转矩方程如下： (3-10)式中电流都是实际瞬时值4） 电力拖动运动方程 假设在电动汽车电力拖动系统的传动机构中的和扭转弹性和粘性摩擦忽略，则系统的运动方程如下： （3-11）式中，为负载转矩，为机组的转动惯性3.2 坐标变换 在异步电动机的分析中可以看出，其数学模型由于存在一个复杂的6×6电感矩阵而比较复杂采用坐标变换的方法可以使变换后的数学模型容易处理一些，有利于异步电机的分析和控制因此，坐标变换是实现矢量控制的关键。

由异步电动机坐标系可以看到，它涉及到了两种坐标变换式:3s/2s变换和2s/2r旋转变换，又称克拉克(Clark)变换和2s/2r变换即派克(Park)变换通过坐标变换的方法，使得变化后的数学模型得到简化1） 三相-两相变换（3/2变换） 在三相静止绕组A、B、C和两相绕组、之间的变换，称为三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换 由电机学原理可知，将三相平衡的正弦电流通在交流电机三相对称的静止绕组A、B、C上，产生旋转磁动势F，并以同步转速旋转两相绕组的轴线分别为、 ，在空间位置相差，构成、 两相静止坐标系(坐标轴逆时针超前坐标轴)将时间上相差的两相平衡交流电流、 施加在该两相固定绕组 、 时，可以产生与三相定子合成磁动势相同的空间矢量F，且同步角频率为 三相异步电动机的定子三相绕组和与之等效的两相异步电动机定子绕组、 ，各相磁势矢量的空间位置如图3-2所示 图3-2 三相静止到两相静止变换假设磁动势按正弦分布，那么当三相磁动势与两相磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在α、β轴上的投影是相等的，则其反变换形式如下： （3-12）这样经过三相-两相的变换就可以将三相异步电动机变换为两相正交的异步电机模型。

2） 两相-两相旋转变换（2s/2r变换） 从两相静止坐标系到两相旋转坐标系M, T的变换称作两相-两相旋转变换，简称2s/2r变换，其中r表示旋转，s表示静止如图3-3所示，旋转坐标系的两个直流分量和静止坐标系的两相交流分量产生相同大小的同步旋转磁动势 图3-3 两相静止到两相旋转变换由图可知，其变换矩阵为： （3-13）3.3 三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型在前面的坐标变换中不难看出其可以将异步电动机的数学模型简化很多，因此在对异步电动机分析常将其变换在两相坐标中分析1）异步电动机在两相同步旋转坐标系的模型 a.电压方程 (3-14)式中，为定子的同步角频率，为转差角频率b.磁链方程 （3-15）式中，为MT坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感；为MT坐标系定子等效两相绕组的自感；为MT坐标系转子等效两相绕组的自感 c.转矩方程 （3-16） d.运动方程如式（3-11）所示。

2） 异步电机在两相静止坐标系的数学模型 a.电压方程 （3-17）b.磁链方程 (3-18)c.转矩方程 （3-19）d.运动方程如式（3-11）所示在坐标系中绕组都落在两根相互垂直的轴上，两组绕组间没有耦合，矩阵中所有元素均为常系数，消除了异步电动机在三相静止坐标系上的数学模型中的一个非线性的根源上述方程是矢量控制中的重要方程3.4 异步电机的矢量控制 20世纪70年代初,由美国学者和德国学者各自提出的矢量控制(vector control)理论，同时在实践中经过改进，形成了现在普遍采用的矢量控制方法矢量控制的基本思想为：按照旋转磁场等效的原则，通过一系列的坐标变换(矢量变换)，把定子电流分解成互相垂直的转矩分量和励磁分量，在交流调速系统中，如果能保持励磁分量不变，控制转矩分量，就可以像控制直流电机那样控制交流电机了[3]它们的诞生使交流变频调速技术大大的迈进了一步，历经几十年的实践中，许多学者进行了大量的工作，经过不断的研究和改进，最终达到了可与直流调速系统相媲美的程度。

其不但解决了大型电动汽车对高速领域中大转矩的和大范围内恒定输出功率的运转需求，还解决了以前的电动机体积大的问题 异步电。