【正文】 ................................................................................................... 74 參考文獻 .................................................................................................. 75 作者簡歷 ................................................................................................... 77學位論文數(shù)據(jù)集............................................................................................. 791 緒論 課題研究的背景及意義 自從 1885 年德國工程師卡爾文中描述了算法的實現(xiàn)過程，最后對其進行仿真實驗。接下來文中在研究了永磁同步電機的結構特點、工作原理、數(shù)學模型的基礎上，對其控制策略進行了分析比較，最終選用將直接轉矩控制（DTC）應用到永磁同步電機控制系統(tǒng)上，設計了 PMSM 的直接轉矩控制框圖，并用 MATLAB進行了系統(tǒng)仿真。之后，本文選用脈動轉矩小、功率密度大、高控制精度的永磁電機（PMSM）作為驅動電機，著重介紹電機驅動控制系統(tǒng)，對電機控制系統(tǒng)的硬件進行了設計。 本文首先介紹了混合動力電動汽車的分類，最終經(jīng)比較選擇了兼有串聯(lián)式和并聯(lián)式特點的混聯(lián)式驅動方式。. .. . ..混合動力電動汽車電機驅動控制系統(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?；旌蟿恿﹄妱悠?HEV)憑借其高效、節(jié)能、低污染的優(yōu)勢脫穎而出，成為了傳統(tǒng)汽車向純電動汽車的完美過渡，在提高功能效率和降低污染等方面有很好的應用前景。接著介紹了混合動力電動汽車的多能源動力總成系統(tǒng)的總體方案設計以及混聯(lián)式驅動系統(tǒng)總體結構。系統(tǒng)硬件接口電路包括主電路，IPM 驅動電路，電流、電壓、位置及轉速的檢測電路等，同時為了系統(tǒng)安全穩(wěn)定工作，設計了各種故障保護電路。 本文還提出了一種將模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡相結合的直接轉矩智能控制方法，并采用基于蟻群優(yōu)化算法的神經(jīng)網(wǎng)絡來建立磁鏈觀測器。仿真表明該算法的有效性，較傳統(tǒng)控制系統(tǒng)動態(tài)響應加快，轉矩脈動變小，穩(wěn)態(tài)性能得到了提高。本茨發(fā)明汽車以來，汽車就成為人們日常生活中不可缺少的代步和運輸工具，給人類的出行帶來了極大的方便。它的產(chǎn)生促進了人類文明和經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，在人類的日常生活中占據(jù)了越來越重要的位置。比如說傳統(tǒng)內燃機燃燒后的產(chǎn)物二氧化碳、硫化物、氮化物等帶來溫室效應，臭氧層破壞和酸雨等環(huán)境問題。汽車的能源需求主要是石油，但是目前石油資源匱乏，由此看來汽車的發(fā)展給環(huán)保、能源等帶來巨大的挑戰(zhàn)。自 20 世紀 70 年代后期，美國、中國、日本、澳大利亞、比利時、芬蘭和前蘇聯(lián)等國都開始生產(chǎn)電動汽車，目前世界很多國家也都不惜投入大量的精力物力加入到研究電動汽車隊伍中來。純電動汽車（EEV）用電動機取代發(fā)動機，純粹用蓄電池發(fā)出的電能來驅動，因此純電動汽車實現(xiàn)了零尾氣排放，是真正的綠色環(huán)保汽車。燃料電池車（FCV）是指利用燃料電池將燃料的化學能直接轉化為電能，然后通過電機驅動的汽車?；旌想妱悠嚕℉EV）通常將發(fā)動機和電機混合使用，通過控制發(fā)動機和電機的能量分配和流動，實現(xiàn)減少油耗和排放的最終目的，是一種準環(huán)保型的車輛?；旌想妱悠嚦蔀楫斍敖鉀Q節(jié)能、環(huán)保問題切實可行的過渡方案，在世界范圍內成為新型汽車開發(fā)的熱點。傳統(tǒng)汽車利用加速來獲得動能，當需要減速時，傳統(tǒng)汽車通過制動器，將動能轉變?yōu)闊崮芟牡簦欢旌蟿恿ζ嚨尿寗与姍C可當作發(fā)電機來使用，通過發(fā)電機來制動汽車，將汽車的動能轉換為電能儲存到蓄電池中。 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大的作用。早在 1997 年 12 月的電動汽車國際會議上，大多數(shù)汽車工程師認為，在未來 10 年內世界上生產(chǎn)的汽車中混合動力汽車至少占 40%。有專家認為，混合動力汽車的發(fā)展，己不再是汽車工業(yè)的一次簡單的技術革新，而是一次新的汽車工業(yè)革命。19 世紀末，許多美國、英國和法國的公司都開始生產(chǎn)電動汽車。1911 年 Kettering 發(fā)明了汽車起動機，同時由于石油的大量開采，燃油汽車的續(xù)駛里程是電動汽車的 23 倍，使用成本低等種種優(yōu)越，從此打破了電動汽車在市場上的主導地位。 直到 20 世紀 70 年代能源危機和石油短缺，人們開始考慮替代石油的其他能源，因此電動汽車又一次被人矚目，世界許多國家都開始發(fā)展電動汽車。第三次生機開始于 20 世紀 80 年代，世界上除了已存在的能源問題之外，內燃機汽車的排放污染，給全球的環(huán)境以災難性的影響，因此開發(fā)生產(chǎn)無污染的交通工具成為各國所追求的目標，電動汽車的零污染優(yōu)點，使其成為當代汽車發(fā)展的主要方向。 日本：日本是電動汽車技術發(fā)展速度最快的少數(shù)幾個國家之一，特別是在混合動力汽車的產(chǎn)品發(fā)展方面。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。最近豐田又推出了一種新型的 PostPrius 混合動力系統(tǒng)。其中本田公司已投產(chǎn)的 Insight 混合動力汽車，被美國環(huán)保總署評為 2001 年美國十大節(jié)能汽車的第一名，豐田汽車公司的 Prius 混合動力汽車[3] 則為第二名。美國的通用、福特等知名汽車公司在電動汽車發(fā)展中起著及其重要的作用。但是美國的汽車公司在電動汽車產(chǎn)業(yè)化方面比日本遜色不少，三大汽車公司僅僅都是小批量生產(chǎn)。歐洲各大汽車廠商爭先恐后地推出了本公司研制的電動汽車[4]。其HEV的突出代表是法國的Berlinge，法國雷諾公司開發(fā)研制的 VERT 和 HYMME 兩款混合動力汽車已進行了10000 公里的運行試驗。目前，德國己有 20 輛混合動力大客車在運行，奧迪公司生產(chǎn)的混合動力電動汽車 Duo 也已經(jīng)開始出租，預計四年內出租約 400 輛。19 世紀 20 年代，上海就出現(xiàn)了蓄電池車，直到 20 世紀 70 年代末，由于諸多原因未能繼續(xù)發(fā)展下來。目前純電動轎車和純電動客車均已通過國家質檢中心認證試驗，各項指標均滿足有關國家標準和企業(yè)標準的規(guī)定。 我國在“八五”和“九五”期間也進行了混合動力電動汽車的技術領域的開發(fā)。進入 2007 年以后，我國對于混合動力汽車的研制也進入了高峰期，一汽、東風、奇瑞、長安等汽車公司都投入了人力物力。一汽豐田也推出了國內下線的豐田普銳斯，真正國產(chǎn)意義上的混合動力汽車也有很多例子，如長安杰勛 HEV，該車從整車、發(fā)動機到混合動力系統(tǒng)，均系完全自主研發(fā)。但同國外電動汽車水平相比，我國的技術還有一定的距離。但是，由于燃料電池不可逆的特點，在制動和減速時無法回收能量，另外燃料電池汽車啟動問題也是有待解決的。同時有的專家還認為在未來的30年里，純電動汽車和混合電動汽車有可能都會市場化，并且會占有各自的市場。不管新興技術如何發(fā)展，我們的最終的目標是追求清潔、高效、智能的車倆。概括起來有三大關鍵技術，即電機驅動技術、能量存儲技術和動力總成技術[5]。電動汽車存在的主要問題是初始成本高，行駛里程不理想，為解決行駛里程的問題，正在開發(fā)一些先進高能量密度的蓄電池電池。 混合動力電動汽車中電動機的使用現(xiàn)狀 目前混合動力電動汽車使用的電機主要有直流電動機、感應電動機、永磁同步電動機、無刷直流電動機、開關磁阻電動機等幾種。下面簡單的介紹下各種電機的性能及特點。但其損耗高，要不斷冷卻電機，效率相對于永磁電機和開關磁阻電機也低，這都對感應電機在混合動力電動汽車中的應用有很大的影響；開關磁阻電機(SRM)被認為是混合動力汽車中最有潛力的汽車之一，它具有很多優(yōu)點。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 結構及其控制方法上做了大量研究，并取得了顯著的成果。 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，永磁電機隨著技術成熟和成本減低，將是最受歡迎的。 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。日本的本田公司電動汽車—EVPLUS 中的永磁同步電動機轉子采用了表面插入式結構。 目前，在電動汽車驅動系統(tǒng)的控制器選擇上，電機專用數(shù)字信號處理器(DSP)占了主導地 位。早期的交流調速采用變壓變頻（VVVF)速度開環(huán)的方式，但這種調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，難以滿足高性能調速的要求。矢量控制是一般應用 PMSM 系統(tǒng)中采用的優(yōu)良的控制方式。直接轉矩控制技術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矩。目前，感應電機驅動的電動汽車用 DTC 控制器已研制成功。 研究車用電機驅動系統(tǒng)的意義 無論是研究串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)式的混合驅動系統(tǒng)，電機驅動系統(tǒng)性能的好壞直接影響整個混合驅動系統(tǒng)。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。 本文的主要任務 本文主要工作包括以下幾方面的內容：1)第一章緒論，主要通過閱讀國內外文獻，介紹了混合動力電動汽車的國內外研究現(xiàn)狀及應用前景、發(fā)展趨勢等。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)式驅動控制總體結構。 5)第五章主要介紹了永磁同步電動機的工作原理、數(shù)學模型，直接轉矩控制理論及 PMSM 直接轉矩控制原理結構，并對其進行仿真。 最后對本文所做的主要工作進行總結，并在現(xiàn)有研究基礎上展望今后研究的方向。國際電子技術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、能源或轉換器作驅動能源，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”。既有內燃機又有電動機驅動。機械子系統(tǒng)包括底盤和車身、驅動裝置、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、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?；旌蟿恿﹄妱悠囼寗酉到y(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。電機驅動控制系統(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、功率轉換器和驅動電機三部分。 混合動力電動汽車基本結構圖 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，使燃料轉換裝置（內燃機）、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。下面簡單的介紹下各驅動類型的結構特點。結構如圖 。另外，蓄電池還可以單獨向電動機提供電能來驅動電動汽車，這樣使混合動力電動汽車在零污染狀態(tài)下純電動運行。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。單一的原動機傳動系統(tǒng)，發(fā)動機總是在最佳工況下驅動發(fā)電機，因此效率比較高，能減少污染，有節(jié)能效果。整個系統(tǒng)的規(guī)模龐大，增加了車輛成本及機構布置難度。 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動汽車行駛，電力驅動是唯一的驅動模式。這種驅動模式，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。結構如圖 所示。如果其中的一條驅動線路出了問題，另一個仍然可以驅動汽車。 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。但是此時不能提供全部的動力資源，并聯(lián)式混合動力驅動系統(tǒng)通常被應用在小型混合動力電動汽車上。省去了獨立的發(fā)電機，結構簡單,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。但由于并聯(lián)式驅動系統(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)式結構,需要較為復雜的變速裝置和動力復合裝置以及傳動機構。由于發(fā)動機和電動機驅動同一個驅動軸，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換為電能給蓄電池充電。通常有四種組合驅動方式:驅動力結合式、雙軸式轉矩結合式、單軸式轉速結合式和轉速結合式。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動車輪,另一部分則驅動發(fā)電機發(fā)電。其控制策略為:在汽車低速行駛時,驅動系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作；當汽車高速穩(wěn)定行駛時,則以并聯(lián)方式為主。車輛可以以發(fā)動機，電動機多種合成方式驅動。但是總體結構很復雜，質量大，維修不便。豐田的 Prius就是混聯(lián)型混合動力電動汽車的最典型代表。主要分為兩種：發(fā)動機主動型，電力主動型[2]。簡單的介紹下電力主動型，當車輛啟動或輕載運行時，發(fā)動機關閉，由蓄電池給電動機提供電能驅動汽車；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。可利用離合器使該系統(tǒng)在串聯(lián)和并聯(lián)系統(tǒng)之間切換。 復合式混合動力電動汽車 復合式混合動力電動汽車的結構與特點 復合式的結構與混聯(lián)相似，但兩者有一定的區(qū)別，主要在于復合型中的發(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。圖 復合式混合動力汽車示意圖 復合式混合動力電動汽車的控制模式 復合式混合