【文章內(nèi)容簡介】 chronous motor）交流異步電動機(jī)也稱三相異步電動機(jī)[6]，采用旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組相互作用產(chǎn)生交互電磁轉(zhuǎn)矩，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。異步電動機(jī)由于其實(shí)際可操作性較高一般在電動汽車上使用較多。異步電動機(jī)的控制系統(tǒng)（Asynchronous motor Control System）采用矢量控制（Vector control）和直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control）的方式。矢量控制是基于矢量控制理論建立的交流電動機(jī)動態(tài)控制數(shù)學(xué)模型的控制方法，需要解耦定子電流成獨(dú)立的磁鏈分量和轉(zhuǎn)矩分量，對動態(tài)數(shù)模的準(zhǔn)確度和算法精度要求高。其擁有寬廣的調(diào)速范圍、較快的響應(yīng)速度、較高的精準(zhǔn)控制和電機(jī)加速性能。直接轉(zhuǎn)矩控制是將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩作為控制對象，通過控制定子磁場向量來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，不需要復(fù)雜準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型和矢量分解的坐標(biāo)變換。具有控制精度較高、系統(tǒng)性能對轉(zhuǎn)子參數(shù)呈魯棒性和控制簡便性能優(yōu)越的特點(diǎn)。(3) 開關(guān)磁阻電動機(jī)（Switched Reluctance Motor）開關(guān)磁阻電動機(jī)[6]是一種讓磁阻隨轉(zhuǎn)子磁極與定子磁極的中心線而變化，從而使定子繞組按一定的順序通斷，才會使保持電動機(jī)在控制狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行。該電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，并且產(chǎn)量大，而且控制方便，與此同時(shí)可靠性高的特點(diǎn)，但也存在電動機(jī)的噪聲大，和高嚴(yán)重的轉(zhuǎn)矩脈動，非線性嚴(yán)重。這種類型的電機(jī)的電動汽車驅(qū)動，在目前很少使用電動汽車。主要研究方向是開關(guān)磁阻電機(jī)模型的研究。(4) 永磁式同步電動機(jī)（Permanent magnet synchronous motor）永磁同步電動機(jī)[6]由電樞鐵芯和電樞繞組組成定子，轉(zhuǎn)子由永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，永磁體磁動勢和電樞磁動勢構(gòu)成高磁通密度磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子連續(xù)運(yùn)行。通過合理設(shè)計(jì)磁場結(jié)構(gòu)可獲得很高的弱磁性能，由于在電動汽車的驅(qū)動方面有很高的應(yīng)用價(jià)值，因此在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)上有一席之地。然而，它是運(yùn)行在高速異步電動機(jī)相對比較復(fù)雜，還需要研究轉(zhuǎn)子磁極位置。此外，存在成本高，永磁體逐漸退化問題。通過對以上電機(jī)的比較得出：三相異步電動機(jī)具有體積小，價(jià)格低，維修方便，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，已成為首選，因此本文的純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)是使用三相異步電動機(jī)。本文以純電動汽車為對象，利用仿真分析的方法，對純電動汽車電機(jī)控制的相關(guān)理論與方法進(jìn)行了仿真研究，其主要研究內(nèi)容包括：(1) 通過對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行比較研究，為在滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的條件下驅(qū)動電機(jī)的合理選型和參數(shù)的合理選擇與匹配提供了依據(jù)；對驅(qū)動電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，給出其轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動方程、電壓方程、磁鏈方程，以及不同坐標(biāo)系下三相異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型在此基礎(chǔ)上，基于 MATLAB/Simulink 仿真平臺，建立了電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型；(2) 對PID控制和矢量控制方法的相關(guān)理論與方法進(jìn)行了研究，并基于模糊PID 的矢量控制方法，探討對整車控制的影響，論證該方法提高整車對測試工況的跟隨性、動力性和行駛穩(wěn)定性，改善整車的動力性、運(yùn)行效率以及對能源的經(jīng)濟(jì)性具有良好的作用；(3) 基于系統(tǒng)仿真MATLAB/Simulink，對純電動汽車異步電動機(jī)的控制系統(tǒng)建立仿真模型，基于增量式PID控制算法，探討該算法對三相異步電機(jī)控制的影響，論證該算法對提高三相異步電機(jī)勵(lì)磁繞組所產(chǎn)生的磁鏈旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，使其速度加快，及時(shí)跟隨電機(jī)對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)需求，有效地提高電機(jī)的動態(tài)特性，對實(shí)現(xiàn)電機(jī)的良好控制有著良好的作用。綜上所示，本章對國內(nèi)外電動汽車的發(fā)展，驅(qū)動控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹和概述，并對純電動汽車的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了分析。同時(shí)，給出了本論文的主要研究內(nèi)容與研究的目的和意義。第二章 純電動汽車驅(qū)動電機(jī)模型的建立驅(qū)動電機(jī)及其控制技術(shù)是純電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，純電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)與其它的電力驅(qū)動系統(tǒng)不同，它有其特殊的要求：(1)要求能頻繁的啟動、停車、加速、減速，以及良好的扭矩控制動態(tài)性能；(2)運(yùn)行速度在一個(gè)更廣泛的范圍，純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)該在恒轉(zhuǎn)矩和功率區(qū)內(nèi)工作，在同一時(shí)間內(nèi)也要有更高的效率；(3)在壞的工作環(huán)境時(shí)，要求工作可靠。在設(shè)計(jì)純電動汽車的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)時(shí)，考慮純電動汽車對其驅(qū)動系統(tǒng)的特殊要求，從而對于驅(qū)動系統(tǒng)來說，選擇電機(jī)和設(shè)計(jì)變流器與控制器，都需應(yīng)對這些特殊要求進(jìn)行考慮。目前純電動汽車按照電機(jī)種類劃分，常用驅(qū)動系統(tǒng)可分為：交流感應(yīng)電動機(jī)系統(tǒng)、永磁同步電機(jī)、直流電機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)系統(tǒng)四類。各種控制算法應(yīng)用于純電動汽車驅(qū)動電機(jī)時(shí)，為了探討控制算法對電機(jī)控制的影響，需對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行相關(guān)的討論，從而首先需選定純電動汽車的驅(qū)動電機(jī)，再確定驅(qū)動電機(jī)控制的參數(shù)，最后建立其仿真的模型。 異步電機(jī)的物理模型異步電機(jī)是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，在研究其數(shù)學(xué)模型時(shí)所做的假設(shè)分別為：第一，忽略空間諧波，認(rèn)為三相繞組對稱，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布；第二，忽略磁路飽和影響，認(rèn)為各繞組的自感和互感都是恒定的；第三，忽略鐵芯損耗；第四，不考慮頻率和溫度變化對繞組電阻的影響。圖21為矢量控制中異步電機(jī)的物理模型。其中，定子三相繞組軸線A, B, C在空間是固定的，以A軸為參考坐標(biāo)軸，轉(zhuǎn)子繞組a，b，c隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子a軸和定子A軸之間的電角度為空間角位移變量[1]。圖21 三相異步電機(jī)的物理模型對于交流電機(jī)三相對稱的靜止繞組A，B，C，通過三相平衡的正弦電流、時(shí)，所產(chǎn)生的合成磁動勢是旋轉(zhuǎn)磁動勢F，它在空間呈正弦分布，以同步轉(zhuǎn)速ω順著ABC的相序旋轉(zhuǎn)。由電機(jī)學(xué)可知，在兩相、三相、四相等多相對稱繞組中通以多相對稱電流時(shí)，都能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢，其中以兩相最為簡單，兩相靜止繞組α和β，它們在空間互差90度，通以時(shí)間上互差90度的兩相平衡交流電流、也可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢F，該磁動勢與三相對稱的靜止繞組A，B，C所產(chǎn)生的磁動勢的大小和轉(zhuǎn)速都相等時(shí)，即認(rèn)為二者是等效的。兩個(gè)匝數(shù)相等且互相垂直的繞組M與T，其中分別通以直流電流和，產(chǎn)生合成磁動勢F，其位置相對于繞組來說是固定的。讓包含兩個(gè)繞組在內(nèi)的整個(gè)鐵心以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，則磁動勢F自然也隨之旋轉(zhuǎn)起來，成為旋轉(zhuǎn)磁動勢。如果這個(gè)磁動勢的大小和轉(zhuǎn)速與三相對稱的靜止繞組A，B，C所產(chǎn)生的磁動勢的大小和轉(zhuǎn)速都相等時(shí)，也認(rèn)為二者是等效的。 根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場等效的原則，經(jīng)過三相兩相變換和旋轉(zhuǎn)變換等矢量變換，使三相交流電機(jī)的三相繞組和直流電機(jī)的直流繞組等效，從而能模擬直流電機(jī)控制轉(zhuǎn)矩的方法對交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，這就是矢量變換控制。按照上述分析，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準(zhǔn)則，三相坐標(biāo)系下的、靜止兩相坐標(biāo)系下、和旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系下的直流和是等效的。這樣，通過坐標(biāo)變換，可以找到與交流三相繞組等效的直流電機(jī)模型[2]。圖22 二極直流電機(jī)的物理模型圖22所示為二極直流電機(jī)的物理模型，它可以等效為交流三相繞組的電機(jī)。圖中F為勵(lì)磁繞組，A為電樞繞組，C為補(bǔ)償繞組。F和C都在定子上，只有A在轉(zhuǎn)子上。把F的軸線稱為直軸或d軸，主磁通的方向就在d軸上，A和C的軸線則稱為交軸或q軸。由于電樞磁動勢的軸線始終被電刷限定在q軸位置上，好像一個(gè)在q軸上靜止的繞組，但由于它不切割磁力線且與d軸垂直，故而對主磁通影響甚微，所以其主磁通基本上唯一地由勵(lì)磁電流決定，使直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型比較簡單，這也是直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其控制系統(tǒng)比較簡單的根本原因。如果能將異步電動機(jī)的物理模型等效地變換成類似直流電機(jī)的模式，分析和控制問題就可以大為簡化。坐標(biāo)變換正是按照這種思路進(jìn)行的，而不同電機(jī)模型之間彼此等效的原則是，在不同坐標(biāo)系下所產(chǎn)生的磁動勢相同。 異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型.由機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，在線性電感的條件下的多繞組電機(jī)中，磁共能和磁場的儲能為： (21) 電磁轉(zhuǎn)矩等于磁共能的變化率（電流不變），機(jī)械角位移，則： (22)根據(jù)上述兩式可得： (23)將和、的代入上式并整理得： (24)電動機(jī)的機(jī)械運(yùn)動方程為： (26)其中，，分別為電機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)軸上總的轉(zhuǎn)動慣量和極對數(shù)。定子三相繞組的電壓平衡方程為： (27) (28) (29) 轉(zhuǎn)子三相繞組折算到定子側(cè)的電壓平衡方程為： (210) (211) (212) ，分別三相定子電壓；，分別為三相定子電流；，分別為三相轉(zhuǎn)子電壓；，分別為三相轉(zhuǎn)子電流；，分別為三相定子磁鏈； ，分別為三相轉(zhuǎn)子磁鏈；，分別為定轉(zhuǎn)子電阻。把上面兩個(gè)式子寫成矩陣形式，并用代替微分算