【文章內容簡介】 第3章：混合動力電動汽車無刷直流電機驅動系統(tǒng)設計電機（英文：Electric machinery，俗稱“馬達”）是指依據(jù)電磁感應定律實現(xiàn)電能轉換或傳遞的一種電磁裝置。在電路中用字母M（舊標準用D）表示。它的主要作用是產生驅動轉矩，作為用電器或各種機械的動力源。發(fā)電機在電路中用字母G表示。它的主要作用是利用機械能轉化為電能，目前最常用的是，利用熱能、水能等推動發(fā)電機轉子來發(fā)電。按工作電源種類劃分：可分為直流電機和交流電機。1）直流電動機按結構及工作原理可劃分：無刷直流電動機和有刷直流電動機。2）其中交流電機還可劃分：單相電機和三相電機。按結構和工作原理可劃分：可分為直流電動機、異步電動機、同步電動機。1）同步電機可劃分：永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同步電動機。2）異步電機可劃分：感應電動機和交流換向器電動機。按起動與運行方式可劃分：電容起動式單相異步電動機、電容運轉式單相異步電動機、電容起動運轉式單相異步電動機和分相式單相異步電動機。按用途可劃分：驅動用電動機和控制用電動機。1）驅動用電動機可劃分：電動工具（包括鉆孔、拋光、磨光、開槽、切割、擴孔等工具）用電動機、家電（包括洗衣機、電風扇、電冰箱、空調器、錄音機、錄像機、影碟機、吸塵器、照相機、電吹風、電動剃須刀等）用電動機及其它通用小型機械設備（包括各種小型機床、小型機械、醫(yī)療器械、電子儀器等）用電動機。2）控制用電動機又劃分：步進電動機和伺服電動機等。按轉子的結構可劃分：籠型感應電動機（舊標準稱為鼠籠型異步電動機）和繞線轉子感應電動機（舊標準稱為繞線型異步電動機）。按運轉速度可劃分：高速電動機、低速電動機、恒速電動機、調速電動機。低速電動機又分為齒輪減速電動機、電磁減速電動機、力矩電動機和爪極同步電動機等。：直流電機簡介直流電機（direct current machine）是指能將直流電能轉換成機械能（直流電動機）或將機械能轉換成直流電能（直流發(fā)電機）的旋轉電機。它是能實現(xiàn)直流電能和機械能互相轉換的電機。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉換為機械能；作發(fā)電機運行時是直流發(fā)電機，將機械能轉換為電能。直流電機的結構應由定子和轉子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。 圖31 直流電機 圖32 直流電機內部結構國產電機型號一般采用大寫的英文的漢語拼音字母的阿拉伯數(shù)字表示， 其格式為：第一部分用大寫的拼音字母表示產品代號，第二部分用阿拉伯數(shù)字表示設計序號，第三部分用阿拉伯數(shù)字表示機座代號，第四部分用阿拉伯數(shù)字表示電樞鐵心長度代號。本研究將重點研究直流電機，下面給出兩款直流電機的比較情況：項目無刷直流電機有刷直流電機換向借助轉子位置傳感器實現(xiàn)電子換向由電刷和換向器進行機械換向維護由于沒有電刷和換向器，很少需要維護需要周期性維護壽命比較長比較短機械特性（速度/力矩）平（硬）在負載條件下能在所有速度上運行中等平（中等硬）。在較高速度上運行時，電刷摩擦增加，有用力矩減小效率由于沒有電刷壓降，所以效率高有點刷地影響，中等速出功率/外形尺寸由于電樞繞組設置在與機殼相連的定子上，容易散熱。這種優(yōu)異的熱傳導特性允許減小電動機的尺寸，所以輸出功率/外形尺寸之比高中等/低。電樞產生的熱量消散在氣隙內，這樣增加了氣隙溫度，從而限制了輸出功率/外形尺寸之比轉子慣量低。因為永磁體設置在轉子上，改善了動態(tài)響應轉子慣量高，限制了動態(tài)特性速度范圍比較高。沒有電刷/換向器給予的機械限制比較低，存在電刷給予的機械限制電氣噪聲低電刷的電弧將對附近的設備產生電磁干擾制造價格比較高低控制復雜和價格貴簡單和價格不貴控制要求為了使電動機運轉必須要有控制器，但同樣的控制器可用于變速控制對于一個固定的速度而言，不需要控制器；有變速要求的時候才需要控制器表31 兩款直流電機比較 這兩款電機都是屬于直流電機，無刷直流電動機是在有刷直流電動機的基礎上發(fā)展起來的，這一淵源關系從其名稱中就可以看出來?？紤]到其各自的有缺點和本課題的需求上，本文選擇無刷直流電機作為研究的主要對象，進行整車的匹配。：無刷直流電機仿真模塊解讀 無刷直流電機（Brushless DC Motor，簡稱BLDCM），是隨著電力電子技術和永磁材料的發(fā)展而逐漸成熟起來的一種新型電機。為了有效的減少控制系統(tǒng)的設計時間，驗算各種控制算法，優(yōu)化整個控制系統(tǒng)，有必要建立BLDCM控制系統(tǒng)仿真模型。大家都知道仿真模型都是基于數(shù)學模型的基礎上建立，高度抽象出來的模型。圖33 無刷直流電機控制原理框圖以上圖為基礎，按照模塊化建模的思想搭建的系統(tǒng)的仿真模型。整個控制系統(tǒng)主要包括電動機本體模塊、逆變器模塊、電流滯環(huán)控制模塊、速度控制模塊等。利用MATLAB的豐富的電氣元件庫的豐富性，在SIMULINK環(huán)境下的SIMPOWERSYSTEM中的machine的仿真模型，但又因為在SIMLINK中電氣元件都是封裝好了的，在調用的時候，如果不展開只是會顯示一個符號。電機封裝模型圖34 Simulink下電機封裝模型如上圖紅色的圈住部分和紅色箭頭指示所顯示，就會一步步的調用出庫里面的電機模型，把剛調用封裝好的的電機模型，展開就會看到其內部仔細的電路原理圖，如下：圖35 Simulink下電機展開模型注：在上圖中的各符號代表的意思是，：無刷直流電機驅動系統(tǒng)硬件設計:無刷直流電機結構無刷直流電機的結構原理圖如下所示：它是由電機本體，位置傳感器和電子換向器組成，下面將分別對無刷直流電機的每一部分進行討論。圖36 無刷直流電機結構1)電機本體無刷直流電動機在磁路結構上最大特點是用永久磁鋼做轉子。其轉子結構主要有三種：圓柱式、星形式和拼塊式。由于圓柱式和星形式性能比較差．現(xiàn)在一般采用拼塊式轉子磁路結構。無刷永磁直流電動機的定子結構類似于普通的交流電機。繞組跨距大，在電磁上接近或等于電弧度兀繞組的各個線圈在空間上存在重疊區(qū)域，故將這種繞組稱作重疊繞組。但是輪轂式電機是扁平形的，如果采用大跨距的重疊繞組則繞組端部的周向長度可能比繞組有效軸向長度大得多，甚至于繞組端部的軸向長度也比有效長度大，繞組的利用率顯然不高。如果采用軸向氣隙結構，則有效氣隙往往很大，降低了磁鋼的利用率和電機的效率。2)電子換向器電子換相器是由功率開關和位置信號處理電路構成，主要用來控制定子各繞組通電的順序和時間。無刷直流電動機本質上是自控同步電動機，電機轉子跟隨定子旋轉磁場運動，因此，應按一定的順序給定子各相繞組輪流通電，使之產生旋轉的定子磁場，而各相繞組導通的順序和時間主要取決于來自位置傳感器的信號。由于電子換向線路的導通次序與轉子轉角同步，因而起到了機械電刷和換向器的換向作用。電子開關的結構與相數(shù)和驅動方式有關，主要有3種形式：半橋、H橋和全橋功率控制器等。半橋式電子換向電路的特點是繞組采用星形結法，中性點接電源，每相繞組用一個功率開關控制，繞組中的電流方向不能變化，因此繞組產生磁場的方向也不能變化，在一個360。電角周期內每相繞組導通一次。H橋式電子開關電路的特點是每個繞組獨立并采用一個H橋電子開關電路控制，可以靈活地改變繞組電流的大小和方向，易于實現(xiàn)四象限驅動控制。因為功率開關器件數(shù)量等于相數(shù)的4倍，所以H橋功率控制器一般只在單相或兩相無刷直流電機中采用。全橋式電子開關電路的特點是功率開關器數(shù)目等于繞組相數(shù)的2倍，每個繞組的首端與一個橋臂相連。全橋式電子開關電路中，電樞繞組中只有導通相繞組才有電流流過，而沒有導通的相繞組沒有電流流過。全橋式與H式電子開關電路都要注意通相上、下橋功率管同時導通會引起電源回路直接短路的問題。早期的無刷直流電機的換向器大多由晶閘管組成，但隨著新型可關斷全控型器件的發(fā)展，在中小功率的電動中換向器多由功率MOSFET或IGBT構成，具有控制容易、開關頻率高、可靠性高等諸多優(yōu)點。3)位置傳感器位置傳感器在直流無刷電機中起著檢測轉予磁極位置的作用，位置傳感器與電機本體一樣也由靜止部分和運動部分組成，即由位置傳感器定子和位置傳感器轉予組成。當定子繞組的某一相通電時，該電流與轉子磁極所產生的磁場互相作用而產生轉矩，驅動轉子旋轉，再由位置傳感器將轉予磁極位置變換成電信號，去控制電子換向線路，從而使定子各相繞組按一定次序通電，使定子相電流隨轉子位置的變化按一定的次序換向，從而使電機能夠連續(xù)工作，因而位置傳感器與功率開關一起，起著與傳統(tǒng)有刷直流電機的機械換向器和電刷相類似的作用。位置傳感器的種類很多，且各具有特點，目前在無刷直流電機中常用的有以下的幾種：電磁式位置傳感器，光電式位置傳感器，霍爾式位置傳感器等等。：無刷直流電機工作原理圖37 無刷直流電機工作原理圖1）工作原理現(xiàn)以圖37所示來說明。圖中的BLDCM為無刷直流電動機本體，PS為電動機本體同軸連結的轉子位置傳感器，控制電路對位置傳感器的信號進行邏輯變換后產生脈寬調制PI『M信號，經過驅動放大送至逆變器各功率開關管，從而控制電動機的各相繞組按一定順序工作，而在電機氣隙中產生跳躍式旋轉磁場?，F(xiàn)以常用的二相導通星形三相六狀態(tài)無刷直流電動機為例來說明其工作原理，當轉子稀土永磁體適當位置時，轉子位置傳感器輸出磁極位置信號，經過控制電路，使功率VV6導通，即繞組A、B二相通電，A進B出，電樞繞組在空間的合成磁勢為Fl，使轉子順時針方向轉動。電流的流通路徑為：電源正極一V1管一A相一B相一V6管一電源負極，當轉子轉過60。電角度，到達另一適當位置時。位置傳感器輸出信號，經邏輯控制后使開關管V6截止、V2導通，Vl仍導通，則A、C二相通電，A進C出。此時轉子繼續(xù)沿順時針方向轉動，電流路徑為：電源正極一V1管一A相一c相一v2管一電源負極。依次類推，當轉子繼續(xù)沿順時針方向轉動時，功率開關管的導通順序為v3V2一V3V4一v5v4一v5V6一VIV6??，轉子受到合成磁場的作用沿順時針方向連續(xù)轉動。2)無刷直流電機的單片機控制無刷直流電動機是伴隨數(shù)字控制技術而產生和發(fā)展起來的，因此，采用單片機為主數(shù)字控制是無刷直流電機的主要控制手段。三相全橋無刷直流電機中，不管采用二二導通方式還是三三導通方式，都有6種導通狀態(tài)，轉予每轉60。換一種狀態(tài)．導通狀態(tài)的轉換通過軟件來完成。軟件控制導通狀態(tài)轉換非常簡單，即根據(jù)位置傳感器的輸出信號HHH3，使用控制器不斷地輸出命定，使相應的功率管導通。通過適當?shù)目刂瓶梢詫崿F(xiàn)二二導通和三三導通方式的功率管導通情況。無刷直流電動機的轉速控制原理與普通直流電動機一樣，可以通過P雕方法來控制電樞電流，實現(xiàn)轉速控制。只要根據(jù)三個位置傳感器信號來改變開關管的通電順序就可以實現(xiàn)電動機的正、反轉，這可以由軟件控制來完成。：無刷直流電機控制系統(tǒng)硬件設計為了研究無刷直流電機驅動系統(tǒng)，先選取霍爾傳感器的直流無刷電動機(BLDCM)作為研究對象進行研究，控制系統(tǒng)器硬件主要由中央處理單元電路、驅動及逆變單元電路和外圍輔助電路組成。外圍輔助電路有：位置檢測電路、蓄電池電壓采集電路、電機主回路電流采樣電路、串口通訊接口電路、駕駛員的轉速給定電路、DC／DC變換電路等。本文所側重的是設計的驅動電路如圖3—8（a）所示。在驅動電路中，PWM0～PWM3為中央處理電路輸出的3路PWM波，PWM0、2由IR2101的8in腳輸入，HO腳輸出控制功率逆變電路中上半橋的三個高端功率開關管，而三路開關量D00、D0D02由IR2101的Lin腳輸入，L0腳輸出控制功率逆變電路中下半橋的三個低端功率開關管。圖38（a） 驅動系統(tǒng)電路圖圖38（b） 驅動系統(tǒng)電路圖 電路中，與IR2101的8腳相連的電容是自舉電容，為IR2101內部的三路驅動高端功率MOSFET器件的功率驅動器提供懸浮電源。D3與0．1uF的電容串聯(lián)，要求它們具有足夠的反向耐壓值，并且必須大于被驅動MOSFET器件工作的主電路中的峰值母線電壓，同時為了防止自舉電容兩端電壓放電，并且滿足主電路功率開關頻率的要求，應選擇高頻快恢復二極管。由于IR2101內部的驅動器輸出阻抗較低，直接驅動舯S門功率器件，會引起它的快速開通和關斷，引起MOSFET器件漏源極間電壓的震蕩，為此在MOSFET器件的柵極與IR2101的輸出之間串聯(lián)一個小電阻，如圖3—8（a）中所示的RR2。另外，當功率管處于關斷狀態(tài)時，電機電流通過開關管兩端的續(xù)流二極管續(xù)流，當開關管導透時，續(xù)流二極管通過其反向恢復狀態(tài)脫離導通狀態(tài)．這時出現(xiàn)一個尖峰電流，也會帶來振蕩和射頻干擾。同樣采用柵極電阻的方法可以減少尖峰電流。柵極電阻增大，開關時間變長，開關損耗增加，但是尖峰電壓和電流減少。第4章：基于ADVISOR2002軟件的混合動力電動汽車仿真 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車在設計和制造都又了新的要求。更貼近實際的一些仿真軟件開始應運而生。其實，早在上個世紀七十年代就有很多國家開始研制電動汽車仿真軟件，到現(xiàn)在為止，汽車的仿真軟件已經發(fā)展很多種類了，而且他們各有所長。其總結起來有如下特點：仿真模型采用模塊化的思想設計開放仿真模型和源代碼與其它多種軟件進行聯(lián)合仿真通常電動汽車的仿真方法分為前向方法和后向方法電動汽車仿真軟件的仿真模型采用動態(tài)模型、穩(wěn)態(tài)模型、準穩(wěn)態(tài)模型和實驗數(shù)據(jù)；實驗圖表相結合的設計策略；智能化輔助設計功能；硬件在回路的實時仿真和快速原型功能；虛擬現(xiàn)實。 選擇基于Windows環(huán)境的MATLAB軟件作為仿真平臺。采用標準的Windows操作系統(tǒng)的GUI(圖形用戶界面)界面。目前國內較常用的有三種，即：ADVISOR仿真軟件、PSAT仿真軟件和EVSIM仿真軟件。：仿真軟件簡介