【文章內(nèi)容簡介】 M 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。因此，PMSM 受到了全世界各大汽車生產(chǎn)廠家的高度重視，特別是日本在用于電動汽車的 PMSM 結(jié)構(gòu)及其控制方法上做了大量研究，并取得了顯著的成果。著名的豐田 Prius 混聯(lián)式混合動力電動汽車采用了額定功率為 33kw 的 PMSM，日本 Nissan 公司的 Altra EV 使用了額定功率為 62kw的 PMSM，混合動力電動汽車 Insight 采用了額定功率為 10kw 的 PMSM 等。 綜合考慮各種電機的功率密度、效率、可控制性、可靠性、成熟性、成本等因素，永磁電機隨著技術(shù)成熟和成本減低，將是最受歡迎的。因此，研究基于永磁電機的混合動力電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)，將在保證汽車行駛里程的前提下，緩解傳統(tǒng)汽車排放對環(huán)境的危害以及對石油資源的過度消耗，這一研究將有深遠的意義。 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，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。 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。日本的本田公司電動汽車—EVPLUS 中的永磁同步電動機轉(zhuǎn)子采用了表面插入式結(jié)構(gòu)。日本豐田公司的 Prius 混合動力車中的兩臺永磁同步電機轉(zhuǎn)子采用內(nèi)置徑向式結(jié)構(gòu)。 目前，在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的控制器選擇上，電機專用數(shù)字信號處理器(DSP)占了主導(dǎo)地 位。電動汽車中電力電子器件主要采用智能功率模塊(IntelligentPower Module—IPM)。早期的交流調(diào)速采用變壓變頻（VVVF)速度開環(huán)的方式，但這種調(diào)速方式是基于電機穩(wěn)態(tài)模型的，在動態(tài)過程中磁鏈和轉(zhuǎn)矩的變化并沒有實現(xiàn)很好的控制，所以動態(tài)性能比較差，難以滿足高性能調(diào)速的要求。1971 和美國學(xué)者 等人提出交流電機磁場定向控制理論和定子電壓坐標變換原理，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的矢量控制是交流調(diào)速史上的一次質(zhì)的飛躍。矢量控制是一般應(yīng)用 PMSM 系統(tǒng)中采用的優(yōu)良的控制方式。1985 年德國魯爾大學(xué)教授 Penbrock 和日本教授 分別提出了直接轉(zhuǎn)矩控制 (DTC)方法，其中 Penbrock 教授提出的 DTC 是基于六邊形磁鏈軌跡的，而 DTC 則是基于圓形磁鏈軌跡的。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)采用空間電壓矢量的分析方法，其直接在定子坐標系下計算和控制交流電機的轉(zhuǎn)矩。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。目前，感應(yīng)電機驅(qū)動的電動汽車用 DTC 控制器已研制成功。把直接轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用于電動汽車用永磁同步電動機的控制中，一定可以進一步提高電動汽車的動力性能,但是永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)卻還不是很成熟。 研究車用電機驅(qū)動系統(tǒng)的意義 無論是研究串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)式的混合驅(qū)動系統(tǒng)，電機驅(qū)動系統(tǒng)性能的好壞直接影響整個混合驅(qū)動系統(tǒng)。在串聯(lián) HEV 中，驅(qū)動車輪的全部扭矩都由電動機提供，發(fā)動機則帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能，用于車用蓄電池充電。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。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。 本文的主要任務(wù) 本文主要工作包括以下幾方面的內(nèi)容：1)第一章緒論，主要通過閱讀國內(nèi)外文獻，介紹了混合動力電動汽車的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景、發(fā)展趨勢等。2)第二章論述了混合動力電動汽車的分類及各類型的結(jié)構(gòu)特點，并將各類型進行比較分析，本文最終選擇混聯(lián)式驅(qū)動。3)第三章介紹了混合動力電動汽車的動力總成系統(tǒng)的總體方案以及混聯(lián)式驅(qū)動控制總體結(jié)構(gòu)。 4)第四章對基于 DSP 的混合動力汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)進行了硬件的設(shè)計。 5)第五章主要介紹了永磁同步電動機的工作原理、數(shù)學(xué)模型，直接轉(zhuǎn)矩控制理論及 PMSM 直接轉(zhuǎn)矩控制原理結(jié)構(gòu)，并對其進行仿真。 6)第六章主要是在第五章的基礎(chǔ)上介紹了一種動態(tài)性能更好的經(jīng)過蟻群優(yōu)化的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，并對其仿真，與原始的直接轉(zhuǎn)矩控制進行了仿真對比分析。 最后對本文所做的主要工作進行總結(jié)，并在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上展望今后研究的方向。2 混合動力電動汽車的分類及特點 混合動力電動汽車有關(guān)定義 混合動力電動汽車是指汽車驅(qū)動系統(tǒng)由兩個或多個能同時運轉(zhuǎn)的單個驅(qū)動系統(tǒng)聯(lián)合組成的汽車[57]。國際電子技術(shù)委員會對混合動力車輛的定義為：“在特定的工作條件下，可以由兩種和兩種以上的儲能器、能源或轉(zhuǎn)換器作驅(qū)動能源，其中至少由一種能提供電能的車輛稱為混合動力電動汽車”。一般認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。既有內(nèi)燃機又有電動機驅(qū)動。 混合動力電動汽車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由機械子系統(tǒng)、電力電子子系統(tǒng)、以及信息子系統(tǒng)等組成[8]。機械子系統(tǒng)包括底盤和車身、驅(qū)動裝置、變速器以及電源箱體等；電力電子子系統(tǒng)主要包括能源、動力網(wǎng)、控制器電動機系統(tǒng)等；信息系統(tǒng)主要利用通訊網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理算法等來處理駕駛員的意愿，監(jiān)控汽車運行、電動機、控制器等工作狀態(tài)的。其整體結(jié)構(gòu)圖如圖 所示?；旌蟿恿﹄妱悠囼?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。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。電機驅(qū)動控制系統(tǒng)分為電氣和機械兩大系統(tǒng)，其中電氣系統(tǒng)包括控制器、功率轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動電機三部分。電機驅(qū)動控制器是電機驅(qū)動控制的核心，主要功能是采集與電機運行相關(guān)的輸入信號，采用合理的算法來處理這些信號，各種對電機操作的指令都是通過電機控制器來實現(xiàn)的。 混合動力電動汽車基本結(jié)構(gòu)圖 混合動力汽車的基本原理 混合動力汽車的基本原理是采用內(nèi)燃機和電動機作為混合的動力源，在一整套嚴密的控制策略的控制下，使燃料轉(zhuǎn)換裝置（內(nèi)燃機）、儲能裝置（蓄電池）和電動機在運行工況下，盡可能工作在高效率、低排放區(qū)域；在汽車制動工況下，通過發(fā)電機或電動機工作象限的調(diào)整回收部分制動能量，從而大大改善汽車變工況行駛時的燃油經(jīng)濟性能、尾氣排放性能、續(xù)駛里程和其它使用性能。 混合動力汽車的分類 傳統(tǒng)的混合動力車分為串聯(lián)式和并聯(lián)式，近年來根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)各部件在汽車上的位置及功能可以分為以下四種類型:串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式和復(fù)合式[2,6]。下面簡單的介紹下各驅(qū)動類型的結(jié)構(gòu)特點。 串聯(lián)混合動力電動汽車 串聯(lián)混合動力電動汽車的結(jié)構(gòu)與特點 串聯(lián)式混合動力電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)是混合動力電動汽車最簡單的一種，主要由發(fā)動機、發(fā)電機、功率轉(zhuǎn)換器、蓄電池、電動機和傳動裝置等組成。結(jié)構(gòu)如圖 。系統(tǒng)中發(fā)動機作為原動機拖動發(fā)電機，發(fā)動機輸出的機械能首先通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)化后的電能一部分用來給蓄電池充電以此來延長混合動力電動汽車的行駛里程，另一部分經(jīng)由電動機和傳動裝置驅(qū)動車輪。另外，蓄電池還可以單獨向電動機提供電能來驅(qū)動電動汽車，這樣使混合動力電動汽車在零污染狀態(tài)下純電動運行。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。由于在發(fā)動機和發(fā)電機之間的機械連接裝置中沒有離合器，因而它有一定的靈活性。圖 串聯(lián)式混合動力汽車示意圖串聯(lián)式混合動力汽車的主要特點是在純電動模式下，內(nèi)燃機和發(fā)電機一起工作來產(chǎn)生汽車運行所需要的電能，結(jié)構(gòu)比較簡單，是一種能量源的混合。單一的原動機傳動系統(tǒng)，發(fā)動機總是在最佳工況下驅(qū)動發(fā)電機，因此效率比較高，能減少污染，有節(jié)能效果。但是發(fā)動機的輸出需全部轉(zhuǎn)化為電能再變?yōu)轵?qū)動汽車的機械能,由于機電能量轉(zhuǎn)換和電池充放電的效率較低,使得燃油能量的利用率比較低。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。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。 串聯(lián)式混合動力電動汽車的控制模式 在串聯(lián)式混合動力電動汽車上，由發(fā)動機帶動發(fā)電機所產(chǎn)生的電能和電池輸出的電能，共同輸出到電動機來驅(qū)動汽車行駛，電力驅(qū)動是唯一的驅(qū)動模式。車輛啟動、正常行駛或加速行駛時，發(fā)動機與發(fā)電機直接相連和蓄電池一起產(chǎn)生電能傳遞給功率轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動電動機，然后通過機械傳動裝置來驅(qū)動車輪；當(dāng)車輛輕載時，發(fā)動機發(fā)出的功率大于車輛所需要的功率，剩余的能量則通過發(fā)電機輸送給蓄電池進行充電；當(dāng)車輛制動或減速時，電動機把驅(qū)動輪的動能轉(zhuǎn)化為電能，通過功率轉(zhuǎn)換器傳給蓄電池進行充電；當(dāng)車輛停車時，發(fā)動機也可以通過發(fā)電機和功率變換器給蓄電池充電。這種驅(qū)動模式，可以減少發(fā)動機所受到的汽車運行工況的影響，使發(fā)動機進行最優(yōu)地噴油和點火控制，使其在最佳工況點附近工作。 并聯(lián)混合動力電動汽車 并聯(lián)混合動力電動汽車的結(jié)構(gòu)與特點 與串聯(lián)式相比，它只需要兩個驅(qū)動裝置：發(fā)動機和電動機。結(jié)構(gòu)如圖 所示。并聯(lián)式混合動力電動汽車采用發(fā)動機和電動機兩套獨立的驅(qū)動系統(tǒng)分別通過不同的離合器來驅(qū)動車輪。如果其中的一條驅(qū)動線路出了問題，另一個仍然可以驅(qū)動汽車。由于發(fā)動機與驅(qū)動車輪直接連接，所以發(fā)動機的運轉(zhuǎn)情況受驅(qū)動工況的影響，該系統(tǒng)不需要發(fā)電機，因此提高了能量轉(zhuǎn)化率。 它是電力輔助型的燃油車，目的是為了降低尾氣排放和燃油消耗。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。但是此時不能提供全部的動力資源，并聯(lián)式混合動力驅(qū)動系統(tǒng)通常被應(yīng)用在小型混合動力電動汽車上。 圖 并聯(lián)式混合動力汽車示意圖并聯(lián)混合型的主要特點是內(nèi)燃機和電動機通過各自的驅(qū)動軸驅(qū)動車輪。省去了獨立的發(fā)電機，結(jié)構(gòu)簡單,能量利用率較高，使得并聯(lián)式的燃油經(jīng)濟性比串聯(lián)的高。兩套動力裝置要根據(jù)汽車狀態(tài)進行切換。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)。 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。由于發(fā)動機和電動機驅(qū)動同一個驅(qū)動軸，因此車輛輕載時，發(fā)動機發(fā)出的功率可以通過電動機轉(zhuǎn)換為電能給蓄電池充電。目前，本田的 Insight 混合電動汽車采用的就是類似的驅(qū)動控制方式。通常有四種組合驅(qū)動方式:驅(qū)動力結(jié)合式、雙軸式轉(zhuǎn)矩結(jié)合式、單軸式轉(zhuǎn)速結(jié)合式和轉(zhuǎn)速結(jié)合式。 混聯(lián)式混合動力電動汽車 混聯(lián)式混合動力電動汽車的結(jié)構(gòu)與特點 混聯(lián)式混合電動汽車在結(jié)構(gòu)上綜合了串并聯(lián)式的特點。如圖 所示，發(fā)動機發(fā)出的功率一部分通過機械傳動輸送給傳動裝置驅(qū)動車輪,另一部分則驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。發(fā)電機發(fā)出的電能傳送給電動機或蓄電池,電動機產(chǎn)生的驅(qū)動力通過傳動裝置傳送給驅(qū)動橋來驅(qū)動車輪。其控制策略為:在汽車低速行駛時,驅(qū)動系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作；當(dāng)汽車高速穩(wěn)定行駛時,則以并聯(lián)方式為主。圖 混聯(lián)式混合動力汽車示意圖混聯(lián)式驅(qū)動系統(tǒng)充分發(fā)揮了串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點,能夠使發(fā)動機、發(fā)電機、電動機等部件進行更好的優(yōu)化匹配, 可以使發(fā)動機經(jīng)常保持在高效率，低排放的平穩(wěn)工況下工作[9]。車輛可以以發(fā)動機，電動機多種合成方式驅(qū)動。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,因此是最具影響力的。但是總體結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，質(zhì)量大，維修不便。由于它有多種驅(qū)動模式，對控制系統(tǒng)的功能和精度等要求很高，也增加了制造成本。豐田的 Prius就是混聯(lián)型混合動力電動汽車的最典型代表。 混聯(lián)式混合動力電動汽車的控制模式 混聯(lián)兼有串并聯(lián)的特點，因此它有很多控制模式。主要分為兩種：發(fā)動機主動型，電力主動型[2]。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。簡單的介紹下電力主動型，當(dāng)車輛啟動或輕載運行時，發(fā)動機關(guān)閉，由蓄電池給電動機提供電能驅(qū)動汽車；車輛正常運行、加速行駛時，發(fā)動機和電動機一起工作，共同提供車輛所需要的功率。通常用行星齒輪機構(gòu)將一部分功率用于驅(qū)動車輛，一部分用來驅(qū)動發(fā)電機；車輛減速或制動時，電動機工作在發(fā)電機模式并通過功率轉(zhuǎn)換器給蓄電池充電；停車時，發(fā)動機也可以通過發(fā)電機給蓄電池充電，豐田的 Prius 混合動力電動汽車就采用了這種控制方式?？衫秒x合器使該系統(tǒng)在串聯(lián)和并聯(lián)系統(tǒng)之間切換。當(dāng)汽車在城市里行駛時，要求低排放，此時可以斷開離合器，系統(tǒng)工作在串聯(lián)模式；而當(dāng)高速行駛時，有較高的負載要求，串聯(lián)系統(tǒng)由于發(fā)動機的高功率輸出而不能有效工作，于是結(jié)合離合器，轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒙?lián)系統(tǒng)模式。 復(fù)合式混合動力電動汽車 復(fù)合式混合動力電動汽車的結(jié)構(gòu)與特點 復(fù)合式的結(jié)構(gòu)與混聯(lián)相似，但兩者有一定的區(qū)別，主要在于復(fù)合型中的發(fā)電機允許功率流雙向流動，而混聯(lián)型中的發(fā)電機只允許功率流單向流動。雙向流動有更多的控制模式，現(xiàn)在有些新型的電動汽車采用這種復(fù)合式系統(tǒng)。圖 復(fù)合式混合動力汽車示意圖 復(fù)合式混合動力電動汽車的控制模式 復(fù)合式混合動力電動汽車的發(fā)展主要集中于雙軸驅(qū)動混合動力系統(tǒng)。該系統(tǒng)，前軸和后軸之間沒有轉(zhuǎn)換器或驅(qū)動軸相連，這樣可以大大減輕驅(qū)動系統(tǒng)的重量，增強車輛裝配的靈活性，而且同時回收 4 個車輪的制動動能，可以大大提高車輛的燃油利用率[2]。該復(fù)合式 HEV 主要有前軸混合驅(qū)動后軸電驅(qū)動和前軸電驅(qū)動后軸混合驅(qū)動兩種驅(qū)動方式。 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)