【正文】 ............................................. 57 建模仿真分析............................................................................... 59 本章小結(jié)............................................................................................ 62 6 蟻群優(yōu)化的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接轉(zhuǎn)矩永磁電機控制系統(tǒng)設(shè)計...................... 63 模糊理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的必要性.................................................. 63 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接轉(zhuǎn)矩永磁電機控制系統(tǒng)設(shè)計................................ 64 ..................................................................... 65 基于蟻群算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在直接轉(zhuǎn)矩中的應(yīng)用................................ 68 ...................................................................................... 68 蟻群算法...................................................................................... 69 蟻群神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的具體實現(xiàn)過程 ..................................................... 70 仿真結(jié)果分析 ................................................................................... 72 本章小結(jié)............................................................................................ 73 結(jié)論 ...................................................................................................... 74 參考文獻(xiàn) .................................................................................................. 75 作者簡歷 ................................................................................................... 77學(xué)位論文數(shù)據(jù)集............................................................................................. 791 緒論 課題研究的背景及意義 自從 1885 年德國工程師卡爾鑒于電動汽車的關(guān)鍵問題是一次充電續(xù)駛里程有限，在蓄電池技術(shù)未能突破之前，發(fā)展混合動力電動汽車，研究高效節(jié)能的電機驅(qū)動控制系統(tǒng)是實現(xiàn)電動汽車基本性能和解決這一關(guān)鍵問題的重要因素。到 70 年代后期由于能源危機和石油短缺問題不是很嚴(yán)重，電動汽車的發(fā)展緩慢。德國寶馬公司于 1989年推出 E30E，1991 年研制出第二代電動汽車E36E，奔馳公司1997年 9 月，在法蘭克福汽車展覽會上推 出一款燃料電池電動汽車。 混合動力電動汽車的發(fā)展趨勢 雖然在未來的20年中燃料電池車的商業(yè)化速度也會加快，因為只有燃料電池車在續(xù)駛里程和性能方面能與燃油車進行媲美。但由于其運行時噪聲大，轉(zhuǎn)矩紋波大，難于控制等缺點，特別是功率變換器的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，電流波動和電磁干擾噪聲等嚴(yán)重的影響了它的運用性能，加上其控制方法還不夠成熟，因此目前的電動汽車很少應(yīng)用該類電機；無刷直流電動機 (BDCM)具有功率密度大，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩密度高，易冷卻的優(yōu)點，但由于無刷直流電動機采用方波驅(qū)動，所以存在一定程度的振動，其控制精度不高；永磁同步電機(PMSM)結(jié)構(gòu)上與無刷直流電動機基本相似，不同之處在于 PMSM 采用的是正弦波驅(qū)動，所以在具備 BDCM 優(yōu)點的同時，還具有低噪聲，體積小，功率密度大，轉(zhuǎn)動慣量小，脈動轉(zhuǎn)矩小，高控制精度等獨有的特點，特別適用于混合動力電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)，以此達(dá)到減小系統(tǒng)體積，改善汽車加速性能和加強行駛平穩(wěn)等目的。采用定子磁場定向的方法，借助離散的兩點式調(diào)節(jié) (Band—Band 控制)產(chǎn)生 PWM 信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，來獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能，動態(tài)性能更好，是一種具有高靜動態(tài)性能的交流調(diào)速方法。一般認(rèn)為混合動力電動汽車就是采用燃油發(fā)動機的動力進行發(fā)電并驅(qū)動電動機的電動車。和燃油車相比較，它是一種發(fā)動機輔助性的電動汽車，主要是為了增加車輛的行駛里程。當(dāng)發(fā)動機提供的功率大于電動車所需的功率或再生制動時，電動機工作在發(fā)電機狀態(tài)，將多余的能量傳送給蓄電池進行續(xù)駛里程充電。從而保證了在更復(fù)雜的工況下同樣使系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài)下,更容易實現(xiàn)排放和油耗的控制目標(biāo),因此是最具影響力的。 混合動力電動汽車各驅(qū)動類型的比較 各類驅(qū)動類型都有其各自的特點，串聯(lián)式混合動力電動汽車完全依靠電動機提供動力，發(fā)動機、發(fā)電機和電動機的功率都很大；而且它對電池的要求較高，電池的重量、體積、成本相對較高，價格性能比較低。其基本思想是分散控制、分級管理、集中操作、組態(tài)方便。圖中，由于 DSP 芯片內(nèi)部已經(jīng)內(nèi)嵌了 CAN 總線模塊，所以 DSP 在與 CAN總線相連時就無需再使用 CAN 控制器，可直接與總線相連。只有當(dāng)發(fā)動機工作在一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下，才能使汽車的工作效率達(dá)到最佳。能源由蓄電池提供，經(jīng)過逆變器把直流電逆變成交流電給永磁電機供電，逆變器的主電路主要由中間濾波電路和逆變電路組成。 ●包括兩個配置寄存器：系統(tǒng)控制與狀態(tài)寄存器 SCSR1 和 SCSR2；兩個狀態(tài)寄存器：狀態(tài)寄存器 ST0 和 ST1。數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá) 1Mbit/s,數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá) 10km，有效地支持分布式控制和實時控制的串行通信系統(tǒng)。因此，需要在蓄電池和濾波電容之間串入一個限流電阻。當(dāng)其中任一個發(fā)生故障時，IPM 中 6 個 IGBT 會馬上切斷，同時 IPM 會輸出一個對應(yīng)的故障信號給 DSP，并通過一個故障保護綜合電路將 4 路信號綜合輸出給 DSP 的 PDPINTA腳，以便故障時及時封鎖 DSP 的 PWM 信號[16]。圖 本系統(tǒng)電流傳感器采用的是 LEM 公司生產(chǎn)的電流傳感器 LA108P（供電電壓為177。其優(yōu)點在于：出色的精度，良好的線性度，低溫漂，最佳的反應(yīng)時間，寬頻帶，無插入損壞，抗干擾能力強。光電編碼器可以分為絕對式、增量式及混合式光電編碼器三類，增量式光電編碼器（光電脈沖發(fā)生器為其中一種）廣泛用于速度閉環(huán)控制和位置增量控制系統(tǒng)中。正交編碼脈沖、定時器計數(shù)脈沖及計數(shù)方向時序邏輯如圖 所示。本文采用高速光電耦合器 4N25,來實現(xiàn)對于高頻率脈沖信號的光電隔離，同時由于 4N25輸出為與非門電路,因而還具有對于脈沖信號整形的功能,十分適用于光電編碼器輸出信號隔離電路。由于控制的需要還應(yīng)該準(zhǔn)確的獲得轉(zhuǎn)速值。該電流測量信號經(jīng)過濾波后，直接送到 DSP 相應(yīng)的 AD 采樣通道。由于 IPM 是低電平有效，只有當(dāng)驅(qū)動 PWM 信號為低電平，VCC 提供上拉電流時，進入 IPM 的 PWM 信號才有效。 C2 為無感電容。 （2）外圍電路的設(shè)計—電平轉(zhuǎn)換電路 隨著便捷式數(shù)字電子產(chǎn)品，數(shù)字式移動電話等迅速發(fā)展，要求使用體積小、功耗低、耗電小的器件，從而使得集成電路的工作電壓從 5V 降到 甚至更低。 ●串行外設(shè)模塊（SPI）。在 IPM 的輸出端 U、V、W 輸出三相相差 1200的 PWM 波來驅(qū)動永磁電機[8]，由于 IPM 具有過(欠)壓、過流和過熱探測及保護電路，當(dāng)發(fā)生以上任何一種故障時，將封鎖內(nèi)部 6 只 IGBT，同時送出故障信號通過光耦作用輸出給邏輯故障綜合電路，再輸出給 DSP 請求中斷，DSP 將立即停止 PWM 波的輸出。電機驅(qū)動控制系統(tǒng)是指電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的電氣部分，電機控制器是電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的核心，控制器設(shè)計直接影響電動汽車電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的性能。這是因為 DSPTMS320LF2407 用 供電，而 PCA82C250 用 5V 供電,而 74LVX14 兼容 5V 電平，通過它可順利完成電平轉(zhuǎn)換，同時對防止來自 CAN 總線的干擾有很好的效果。在這個總成系統(tǒng)中，本文采用的是分布式控制，多能源控制器的主控單元選用的 DSP TMS320LF24O7A，通過 CAN 總線與電機控制器、電池控制器、機械式自動變速器、發(fā)動機控制器、人機界面等系統(tǒng)進行信息通信與控制。 本章小結(jié) 本章主要論述了混合動力電動汽車的四種驅(qū)動方式:串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式和復(fù)合式。在市區(qū)運行時發(fā)動機直接帶動電動/發(fā)電機發(fā)電，主要以電力驅(qū)動模式來驅(qū)動，使得更加接近“電動汽車”的運行狀態(tài)，在郊外或高速公路上行駛時又可以充分發(fā)揮發(fā)動機驅(qū)動模式的效能。 并聯(lián)式混合動力電動汽車的控制模式 當(dāng)車輛啟動時，發(fā)動機和電動機一起工作，共同提供車輛所需要的驅(qū)動能量；車輛正常行駛時，電動機關(guān)閉，僅由發(fā)動機工作提供車輛行駛需要的動力；車輛制動或減速時，電動機工作在發(fā)電機模式，通過功率轉(zhuǎn)換器給蓄電池充電。動力傳遞過程中，由于在能量轉(zhuǎn)換中存在損失，因此降低了能量的利用率，其綜合效率低于燃油汽車。本文研究的電機驅(qū)動控制系統(tǒng)則是混合動力電動汽車的心臟，它的任務(wù)是在駕駛員的控制下，高效率地將蓄電池的能量轉(zhuǎn)化為車輪的動能，或者將車輪的動能反饋到蓄電池中。由此可見，電機驅(qū)動系統(tǒng)是混合動力汽車的關(guān)鍵部件，混合動力電動汽車對電機驅(qū)動系統(tǒng)要求較高，即它在高速、低速、加速、制動、上下坡等工況下都要能提供安全可靠的所需動力。 電動汽車用永磁同步電動機屬于調(diào)速電機，供電電源是變頻器。 混合動力電動汽車用電機驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 混合動力電動汽車的發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)包括汽車技術(shù)、電氣技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)和化學(xué)技術(shù)等等。進入 20 世紀(jì) 80 年代，隨著國民經(jīng)濟突飛猛進的發(fā)展，逐步意識到內(nèi)燃汽車給人類帶來的環(huán)境污染的嚴(yán)重性和能源危機的緊迫性，我國的電動汽車研究便開始起步。并在 1997 年成功開發(fā)了實用的混合電動汽車 Prius,它是世界上第一種大批量生產(chǎn)的混合動力汽車，它的創(chuàng)新性得到了全世界的高度好評，目前累計銷量已突破了 40 萬輛，在混合動力汽車領(lǐng)域已經(jīng)走在了世界的最前列，并帶動了汽車行業(yè)綠色環(huán)保技術(shù)的發(fā)展。同時，混合動力電動汽車驅(qū)動功能的實現(xiàn)涉及蓄電池、微處理器、電動機、電力電子等多學(xué)科領(lǐng)域，因此系統(tǒng)地研究并開發(fā)出高水平的電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)，對提高我國電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)水平，對我國電動汽車的實用化和產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。同時汽車在行駛過程中所釋放出來的尾氣和廢氣等帶來的空氣污染，危害人類生活環(huán)境和植物的生存條件[1]。. .. . ..混合動力電動汽車電機驅(qū)動控制系統(tǒng)摘 要能源危機和環(huán)境污染這兩大問題日益突出，因此開展新型動力汽車已刻不容緩。比如說傳統(tǒng)內(nèi)燃機燃燒后的產(chǎn)物二氧化碳、硫化物、氮化物等帶來溫室效應(yīng)，臭氧層破壞和酸雨等環(huán)境問題。 由此看來，混合動力電動汽車的研究和發(fā)展對解決能源危機和環(huán)境污染這兩大人類面臨的難題起到相當(dāng)大的作用。豐田汽車公司從 1971 年開始研制電動汽車，先后研制了從 EV10 到 EV40 的一系列電動車。19 世紀(jì) 20 年代，上海就出現(xiàn)了蓄電池車，直到 20 世紀(jì) 70 年代末，由于諸多原因未能繼續(xù)發(fā)展下來。不管新興技術(shù)如何發(fā)展，我們的最終的目標(biāo)是追求清潔、高效、智能的車倆。 混合動力電動汽車用永磁同步電機控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 在蓄電池技術(shù)沒有取得突破的情況下，為了滿足電動汽車高速運行，混合電動汽車用永磁同步電動機的效率及功率密度是一個很重要的指標(biāo)，弱磁性能也是電動汽車用永磁同步電動機研究的另一個重要方面。在并聯(lián) HEV 中，發(fā)動機通常工作于燃燒效率最佳的穩(wěn)定狀態(tài)，由電動機來補償發(fā)動機與駕駛意圖之間所產(chǎn)生的扭矩差。混合動力電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)，指的是所有的用于傳遞能量并使車輛獲得運動能力的部件的總稱，由車載能量源、原動機和傳動系統(tǒng)三部分組成。整個系統(tǒng)的規(guī)模龐大，增加了車輛成本及機構(gòu)布置難度。但由于并聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)動機工況要受汽車行駛工況的影響,因此不適于變化頻繁的行駛工況，相比于串聯(lián)式結(jié)構(gòu),需要較為復(fù)雜的變速裝置和動力復(fù)合裝置以及傳動機構(gòu)。主要分為兩種：發(fā)動機主動型，電力主動型[2]。經(jīng)過綜合比較分析后，本文采用的是混聯(lián)式結(jié)構(gòu)的混合動力電動汽車，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。其中的動力總成單元用來確定電動機和發(fā)動機輸出功率的比例，以此來滿足汽車的動力性能、排放性等性能指標(biāo)。圖 DSP 與 CAN 總線接口電路圖中，在信息寫入和讀出 DSP 時都經(jīng)過了兩個史密斯反相器—74LVX14。我們知道電機驅(qū)動控制系統(tǒng)是電動汽車的心臟，它的任務(wù)是在駕駛員的控制下，通過電機控制器驅(qū)動電機，電機將蓄電池的電能轉(zhuǎn)換為車輪的動能來驅(qū)動汽車，或者將車輪上的動能反饋到蓄電池中。用于驅(qū)動IPM的6路PWM信號由DSP產(chǎn)生六路PWM波經(jīng)過光耦驅(qū)動隔離后輸送給IPM的6個控制輸入端PPPNNN、WVUWVU