【文章內容簡介】 chronous motor）交流異步電動機也稱三相異步電動機[6]，采用旋轉磁場與轉子繞組相互作用產(chǎn)生交互電磁轉矩，帶動轉子旋轉，從而實現(xiàn)電能轉化為機械能。異步電動機由于其實際可操作性較高一般在電動汽車上使用較多。異步電動機的控制系統(tǒng)（Asynchronous motor Control System）采用矢量控制（Vector control）和直接轉矩控制（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動態(tài)控制數(shù)學模型的控制方法，需要解耦定子電流成獨立的磁鏈分量和轉矩分量，對動態(tài)數(shù)模的準確度和算法精度要求高。其擁有寬廣的調速范圍、較快的響應速度、較高的精準控制和電機加速性能。直接轉矩控制是將電機輸出轉矩作為控制對象，通過控制定子磁場向量來控制電機轉速，不需要復雜準確的數(shù)學模型和矢量分解的坐標變換。具有控制精度較高、系統(tǒng)性能對轉子參數(shù)呈魯棒性和控制簡便性能優(yōu)越的特點。(3) 開關磁阻電動機（Switched Reluctance Motor）開關磁阻電動機[6]是一種讓磁阻隨轉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，才會使保持電動機在控制狀態(tài)下連續(xù)運行。該電動機具有結構簡單，并且產(chǎn)量大，而且控制方便，與此同時可靠性高的特點，但也存在電動機的噪聲大，和高嚴重的轉矩脈動，非線性嚴重。這種類型的電機的電動汽車驅動，在目前很少使用電動汽車。主要研究方向是開關磁阻電機模型的研究。(4) 永磁式同步電動機（Permanent magnet synchronous motor）永磁同步電動機[6]由電樞鐵芯和電樞繞組組成定子，轉子由永磁體、轉子鐵芯和轉軸構成，永磁體磁動勢和電樞磁動勢構成高磁通密度磁場驅動轉子連續(xù)運行。通過合理設計磁場結構可獲得很高的弱磁性能，由于在電動汽車的驅動方面有很高的應用價值，因此在電動汽車驅動系統(tǒng)上有一席之地。然而，它是運行在高速異步電動機相對比較復雜，還需要研究轉子磁極位置。此外，存在成本高，永磁體逐漸退化問題。通過對以上電機的比較得出：三相異步電動機具有體積小，價格低，維修方便，操作簡單等優(yōu)點，已成為首選，因此本文的純電動汽車驅動系統(tǒng)是使用三相異步電動機。本文以純電動汽車為對象，利用仿真分析的方法，對純電動汽車電機控制的相關理論與方法進行了仿真研究，其主要研究內容包括：(1) 通過對驅動電機進行比較研究，為在滿足設計目標的條件下驅動電機的合理選型和參數(shù)的合理選擇與匹配提供了依據(jù)；對驅動電機的數(shù)學模型進行分析，給出其轉矩和運動方程、電壓方程、磁鏈方程，以及不同坐標系下三相異步電動機數(shù)學模型在此基礎上，基于 MATLAB/Simulink 仿真平臺，建立了電機控制系統(tǒng)的仿真模型；(2) 對PID控制和矢量控制方法的相關理論與方法進行了研究，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、運行效率以及對能源的經(jīng)濟性具有良好的作用；(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控制的影響，論證該算法對提高三相異步電機勵磁繞組所產(chǎn)生的磁鏈旋轉質量，使其速度加快，及時跟隨電機對轉速的調節(jié)需求，有效地提高電機的動態(tài)特性，對實現(xiàn)電機的良好控制有著良好的作用。綜上所示，本章對國內外電動汽車的發(fā)展，驅動控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進行了介紹和概述，并對純電動汽車的電機驅動系統(tǒng)的工作原理進行了分析。同時，給出了本論文的主要研究內容與研究的目的和意義。第二章 純電動汽車驅動電機模型的建立驅動電機及其控制技術是純電動汽車的關鍵技術之一，純電動汽車電機驅動系統(tǒng)與其它的電力驅動系統(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)運行速度在一個更廣泛的范圍，純電動汽車驅動系統(tǒng)應該在恒轉矩和功率區(qū)內工作，在同一時間內也要有更高的效率；(3)在壞的工作環(huán)境時，要求工作可靠。在設計純電動汽車的電機驅動系統(tǒng)時，考慮純電動汽車對其驅動系統(tǒng)的特殊要求，從而對于驅動系統(tǒng)來說，選擇電機和設計變流器與控制器，都需應對這些特殊要求進行考慮。目前純電動汽車按照電機種類劃分，常用驅動系統(tǒng)可分為：交流感應電動機系統(tǒng)、永磁同步電機、直流電機和開關磁阻電動機系統(tǒng)四類。各種控制算法應用于純電動汽車驅動電機時，為了探討控制算法對電機控制的影響，需對驅動電機進行相關的討論，從而首先需選定純電動汽車的驅動電機，再確定驅動電機控制的參數(shù)，最后建立其仿真的模型。 異步電機的物理模型異步電機是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，在研究其數(shù)學模型時所做的假設分別為：第一，忽略空間諧波，認為三相繞組對稱，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軸為參考坐標軸，轉子繞組a，b，c隨轉子旋轉，轉子a軸和定子A軸之間的電角度為空間角位移變量[1]。圖21 三相異步電機的物理模型對于交流電機三相對稱的靜止繞組A，B，C，通過三相平衡的正弦電流、時，所產(chǎn)生的合成磁動勢是旋轉磁動勢F，它在空間呈正弦分布，以同步轉速ω順著ABC的相序旋轉。由電機學可知，在兩相、三相、四相等多相對稱繞組中通以多相對稱電流時，都能夠產(chǎn)生旋轉磁動勢，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，通以時間上互差90度的兩相平衡交流電流、也可以產(chǎn)生旋轉磁動勢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速都相等時，即認為二者是等效的。兩個匝數(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。讓包含兩個繞組在內的整個鐵心以同步轉速旋轉，則磁動勢F自然也隨之旋轉起來，成為旋轉磁動勢。如果這個磁動勢的大小和轉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速都相等時，也認為二者是等效的。 根據(jù)旋轉磁場等效的原則，經(jīng)過三相兩相變換和旋轉變換等矢量變換，使三相交流電機的三相繞組和直流電機的直流繞組等效，從而能模擬直流電機控制轉矩的方法對交流電機的轉矩進行控制，這就是矢量變換控制。按照上述分析，以產(chǎn)生同樣的旋轉磁動勢為準則，三相坐標系下的、靜止兩相坐標系下、和旋轉兩相坐標系下的直流和是等效的。這樣，通過坐標變換，可以找到與交流三相繞組等效的直流電機模型[2]。圖22 二極直流電機的物理模型圖22所示為二極直流電機的物理模型，它可以等效為交流三相繞組的電機。圖中F為勵磁繞組，A為電樞繞組，C為補償繞組。F和C都在定子上，只有A在轉子上。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磁電流決定，使直流電動機的數(shù)學模型比較簡單，這也是直流電機的數(shù)學模型及其控制系統(tǒng)比較簡單的根本原因。如果能將異步電動機的物理模型等效地變換成類似直流電機的模式，分析和控制問題就可以大為簡化。坐標變換正是按照這種思路進行的，而不同電機模型之間彼此等效的原則是，在不同坐標系下所產(chǎn)生的磁動勢相同。 異步電機的數(shù)學模型.由機電能量轉換原理，在線性電感的條件下的多繞組電機中，磁共能和磁場的儲能為： (21) 電磁轉矩等于磁共能的變化率（電流不變），機械角位移，則： (22)根據(jù)上述兩式可得： (23)將和、的代入上式并整理得： (24)電動機的機械運動方程為： (26)其中，，分別為電機的額定輸出轉矩、負載轉矩、轉軸上總的轉動慣量和極對數(shù)。定子三相繞組的電壓平衡方程為： (27) (28) (29) 轉子三相繞組折算到定子側的電壓平衡方程為： (210) (211) (212) ，分別三相定子電壓；，分別為三相定子電流；，分別為三相轉子電壓；，分別為三相轉子電流；，分別為三相定子磁鏈； ，分別為三相轉子磁鏈；，分別為定轉子電阻。把上面兩個式子寫成矩陣形式，并用代替微分算