【正文】 ..........................................................391 引言汽車的發(fā)展給人類帶來了便捷，同時(shí)也造成了很多環(huán)境問題。人類要實(shí)現(xiàn)與環(huán)境友好共存和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，必須著手解決交通運(yùn)輸?shù)呐欧艈栴}，尋求低排放甚至零排放的，能夠有效利用能源的交通工具。近年來，世界各國(guó)，特別是歐、美、日等發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家，紛紛以巨資推動(dòng)電動(dòng)汽車的研發(fā)工作，電力公司也相應(yīng)著手研發(fā)應(yīng)用于電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)設(shè)施。電動(dòng)汽車作為 21 世紀(jì)的重要交通工具，以其相對(duì)于燃油汽車的效率高、環(huán)境污染低、可使用多種能源、噪音低等優(yōu)勢(shì)，越來越受到重視。并且隨著世界發(fā)展]2[中國(guó)家的經(jīng)濟(jì)水平的提高，汽車的保有量會(huì)急劇增加，這在亞洲地區(qū)尤其是在中國(guó)非常明顯，而由此引起的能源與環(huán)境問題就顯得更為嚴(yán)重。然而，以汽車為主的運(yùn)輸部門因其急劇普及，伴隨著私家車的驟增，能源的消費(fèi)比其他部門大，占到能源總消費(fèi)的 25%。在當(dāng)今世界能源與環(huán)境雙重危機(jī)下，要求提高汽車的能源使用率，減少污染物的排放已是當(dāng)務(wù)之急。雖然在小范圍內(nèi)如車站、碼頭、倉(cāng)庫(kù)等場(chǎng)所也使用了微型電動(dòng)汽車,但公路用的電動(dòng)汽車幾乎尚屬空白。根據(jù)國(guó)家電動(dòng)汽車的總體發(fā)展目標(biāo),中國(guó)將在 2022 年左右研制具有中國(guó)特色、達(dá)到國(guó)外 20 世紀(jì) 90 年代水平的電動(dòng)汽車,建立具有年產(chǎn)能力為 3 000～5 000 輛經(jīng)濟(jì)專用型電動(dòng)汽車生產(chǎn)能力的開發(fā)生產(chǎn)基地,組建 2～3 個(gè)電動(dòng)汽車運(yùn)行示范區(qū)。發(fā)展電動(dòng)汽車以及其它代用燃料汽車不但是解決當(dāng)前和今后汽車工業(yè)發(fā)展方向和能源環(huán)境的重要問題,而且也是關(guān)系到中國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大問題 電動(dòng)汽車是指以電能作為驅(qū)動(dòng)能源，以電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)的車輛。電機(jī)又是電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心，必須是高性能、高效率的。2 車用異步電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)汽車采用的電動(dòng)機(jī)中，直流電動(dòng)機(jī)基本上已經(jīng)被感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)或開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)所取代。例如在功率為 70kw 內(nèi)燃機(jī)轎車改裝成用 70kw 的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車時(shí)，電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能和最高車速都將超過內(nèi)燃機(jī)汽車。 目前，大多數(shù)電動(dòng)汽車都采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。日產(chǎn)公司的FEV 電動(dòng)汽車使用兩臺(tái)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，每臺(tái)功功率 20kw，最大轉(zhuǎn)速 15000r/min，最大扭矩 永磁同步電動(dòng)機(jī)由于具有很高的能量密度，體積小、重量輕、效率高，在電動(dòng)汽車中也有很好的應(yīng)用前景。但鑒于永磁材料價(jià)格昂貴，目前國(guó)外永磁同步電機(jī)仍只限于使用在小功率或二輪、三輪電動(dòng)汽車上。目前，英國(guó)研制的 Bedford 電瓶貨車，采用20kw 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，在一般公路上成功運(yùn)行了 ，最高車7 / 40速可達(dá) 。 車用異步電動(dòng)機(jī)概述異步電動(dòng)機(jī)是一種交流電機(jī)，也稱感應(yīng)電機(jī)，主要作電動(dòng)機(jī)使用。異步電動(dòng)機(jī)定子相數(shù)有單相、三相兩類。異步電動(dòng)機(jī)主要由固定不動(dòng)的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩部分組成，定、轉(zhuǎn)子之間有氣隙，在定子兩端有端蓋支撐轉(zhuǎn)子。定子鐵芯的作用是作為電機(jī)磁路的一部分和嵌放定子繞組。機(jī)座的作用主要是固定和支撐定子鐵芯，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。轉(zhuǎn)子鐵芯是電機(jī)磁路的一部分，一般由 硅鋼片沖制后疊壓而成。 氣隙異步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間氣隙很小，對(duì)于中小型異步電機(jī)來說，氣隙一般為~。為了降低電機(jī)的空載電流和提高電機(jī)的功率，氣隙應(yīng)盡可能小，但氣隙太小又可能造成定、轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中發(fā)生摩擦，因此異步電機(jī)氣隙長(zhǎng)度常為定、轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中不發(fā)生機(jī)械摩擦所允許的最小值。為了描述轉(zhuǎn)速，引入?yún)?shù)轉(zhuǎn)差率。當(dāng) 0n n ，即 0s1 時(shí)，如圖（）所示，轉(zhuǎn)子中導(dǎo)體以與 n 相反的s方向切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，導(dǎo)體中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流。該力矩能克服負(fù)載制動(dòng)力矩而拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從軸上輸出機(jī)械功率。因此在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速 n 不可能達(dá)到同步轉(zhuǎn)速 n 。利用簡(jiǎn)化等效電路，并忽略勵(lì)磁支路，k則異步電機(jī)的啟動(dòng)電流（相電流）為 ??kst ZUUIXR1239。1 ?????一般籠型異步電機(jī) =~，在額定電壓（ =1）下直接啟動(dòng)，Zk? ?1=4~7，則啟動(dòng)電流倍數(shù)為st? 7~41?INst而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù) =~。啟動(dòng)電流大還會(huì)有以下影響：一方面使電源電壓在電機(jī)啟st動(dòng)時(shí)下降，特別是電源容量較小時(shí)電壓下降更大；另一方面大的啟動(dòng)電流會(huì)在線路和電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生損耗而引起發(fā)熱。交流異步電機(jī)有很多種調(diào)速方法，其中很常見的有轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、降電壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、雙饋電動(dòng)機(jī)調(diào)速、變極對(duì)數(shù)調(diào)速和變壓變頻調(diào)速等。在采用一定的技術(shù)改進(jìn)后使得變壓變頻調(diào)速可以具有高動(dòng)態(tài)性能，從而使得交流調(diào)速系統(tǒng)的性能能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。 基于穩(wěn)態(tài)模型的控制策略 調(diào)速的根本在于實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制，早期的異步電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)是基于異步電機(jī)的 T 型穩(wěn)態(tài)等效電路來建立電磁轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，但無法實(shí)現(xiàn)高效的電磁轉(zhuǎn)矩控制，因而得不到較為理想的動(dòng)態(tài)性能，但是由于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在不需要高動(dòng)態(tài)性能的場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)轉(zhuǎn)差頻率 較小時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩公式近似為1 （）RUnTrspe39。的穩(wěn)態(tài)等效電路折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)頻率較低時(shí)需要對(duì) 進(jìn)行補(bǔ)償以Us避免定子壓降的影響。 轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率控制 ]8~6[ 從式（）能夠看出，若能實(shí)現(xiàn)對(duì) 的控制，則能控制電磁轉(zhuǎn)矩，從而提?s高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。轉(zhuǎn)速閉環(huán)、轉(zhuǎn)差頻率控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制，動(dòng)靜態(tài)性能均優(yōu)于11 / 40轉(zhuǎn)速開環(huán)、恒壓頻比控制。矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是當(dāng)今很成熟的基于交流電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的控制策略，在交流調(diào)速領(lǐng)域中已經(jīng)獲得廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用，反饋線性化解耦控制由于實(shí)現(xiàn)了磁鏈和速度的完全解耦控制，得到了快速發(fā)展和應(yīng)用。矢量控制的基本思路是將定子電流分解成勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立控制 （）?rstrmpeiLnT? （）smr1?式中： 為經(jīng)坐標(biāo)變換后在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互Lm感， 為在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子等效兩相繞組的自感， 為轉(zhuǎn)子總磁鏈，r ?r為定子電流轉(zhuǎn)矩分量， 為定子電流勵(lì)磁分量， 為轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)，pist ism T為微分算子。 （）???????????????。電流模型估算轉(zhuǎn)子磁鏈的準(zhǔn)確性受到電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)?的影響較大；電壓模型由于包含一個(gè)純積分項(xiàng)，磁鏈估算的準(zhǔn)確性受積分累計(jì)誤差和初始值的影響較大。提高轉(zhuǎn)子磁鏈估算模型的準(zhǔn)確性和魯棒性是改進(jìn)矢量控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。 直接轉(zhuǎn)矩控制 矢量控制在理論上實(shí)現(xiàn)了磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，但復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和轉(zhuǎn)子磁鏈的難以準(zhǔn)確定向限制了矢量控制的使用范圍。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制原理如下： ???sin23rmpeLT?其中， ，通過選擇電壓矢量使定子磁鏈在保持幅值恒定的情況下作Lmrs2???加速旋轉(zhuǎn)，則定子磁鏈 與 的夾角 增大（小于 /2） ，電磁轉(zhuǎn)矩增大， 實(shí)?sr???質(zhì)上代表了轉(zhuǎn)差率。計(jì)算定子磁鏈的模型有基于定子電壓、電流的 UI 法，基于定子電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的 I 法以及兩者的結(jié)合 U 法。]178[ 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制基于雙位式控制器的經(jīng)典直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的典型缺陷是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)過大。普通變頻器]19[只能生成 8 個(gè)電壓矢量，離散空間矢量調(diào)制通過 8 個(gè)電壓矢量的線性組合產(chǎn)生更多的電壓矢量，根據(jù)多級(jí)雙位控制器的輸出來合理選擇電壓矢量以保證較小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。楊家強(qiáng)等提出一種基于電壓空間矢量脈寬調(diào)制的誤差拍控制方法，從理論上可以得到在下一采樣周期中使采樣和轉(zhuǎn)矩誤差為零的電壓空間矢量，從而消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；另外采用 SVPWM 方法可以通過調(diào)節(jié)占空比來生成任意大小的電壓矢量，無差拍控制雖然從理論上可以消除轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但是由于計(jì)算量過大，同時(shí)對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴性大，魯棒性較差。反饋線性化控制通過非線性狀態(tài)反饋和非線性變換實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)解耦和全局線性化，分為微分幾何反饋線性化和直接反饋線性化。黃濟(jì)榮詳細(xì)介紹微分幾何方法在異步電機(jī)控制中的應(yīng)用，通過微分同胚坐標(biāo)變換和非線性靜態(tài)狀態(tài)反饋將異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型解耦成轉(zhuǎn)速和磁通 2 個(gè)子系統(tǒng)，解耦后的子系統(tǒng)可以分別根據(jù)線性系統(tǒng)理論來設(shè)計(jì)控制律。 直接反饋線性化直接反饋線性化采用非線性逆系統(tǒng)理論來設(shè)計(jì)控制律，由我國(guó)學(xué)者首先提出。圖 直接反饋線性化系統(tǒng)圖 現(xiàn)代控制策略由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間變化，電機(jī)參數(shù)如電阻和電感隨溫服和頻率變化，傳統(tǒng)的控制策略普遍受電機(jī)參數(shù)和擾動(dòng)的影響較大；因此，人們開始不完全依賴于數(shù)學(xué)模型、魯棒性更強(qiáng)的現(xiàn)代控制理論應(yīng)用于交流調(diào)速控制系統(tǒng)。15 / 40 滑模變結(jié)構(gòu)控制 滑模變結(jié)構(gòu)控制是變結(jié)構(gòu)控制的一種控制策略，其基本思想是通過不連續(xù)的控制律使得系統(tǒng)按照所期望的軌跡運(yùn)動(dòng)。 自適應(yīng)速度控制通過大量的試驗(yàn)，結(jié)果表明自適應(yīng)速度控制器有較強(qiáng)的魯棒性和快速響應(yīng)特性，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)矩電流內(nèi)環(huán)會(huì)產(chǎn)生較大的穩(wěn)態(tài)誤差，但是通過速度外環(huán)的自適應(yīng)控制可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，使轉(zhuǎn)速能夠跟蹤給定值。為了解決在交流調(diào)速系統(tǒng)中某些狀態(tài)不可直接測(cè)量的問題，由系統(tǒng)可測(cè)狀態(tài)和參數(shù)重構(gòu)的自適應(yīng)觀測(cè)器近年來得到較快發(fā)展。采用磁鏈自適應(yīng)觀測(cè)器的又是是可以設(shè)計(jì)自適應(yīng)律，根據(jù)實(shí)際輸出量和預(yù)估輸出量對(duì)磁鏈觀測(cè)模型進(jìn)行校正，得到更準(zhǔn)確的磁鏈觀測(cè)值?？柭鼮V波器作為一類特殊的自適應(yīng)觀測(cè)器，兼有狀態(tài)觀測(cè)器和濾波器的功能。然而交流調(diào)速系統(tǒng)多為非線性系統(tǒng)，為此人們將交流調(diào)速系統(tǒng)方程在最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)附近按泰勒級(jí)數(shù)展開，建立卡爾曼濾波方程，稱為擴(kuò)展卡爾曼濾波器（extended Kalman filter近年來 DSP 等高性能控制芯片的快速發(fā)展促使 EKF 在交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)和磁鏈、轉(zhuǎn)速觀測(cè)中獲得廣泛應(yīng)用。雖然基于 EKF 的觀測(cè)器提高了參數(shù)辨識(shí)和狀態(tài)觀測(cè)的準(zhǔn)確性，但是擴(kuò)展卡爾曼濾波器的精確性和收斂性在很大程度上取決于系統(tǒng)噪聲協(xié)方差 Q 和量測(cè)噪聲協(xié)方差矩陣 R 的選取。EKF 的濾波參數(shù)優(yōu)化問題將會(huì)成為一個(gè)重要的研究方向。在矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速和電流控制器均可以設(shè)計(jì)成模糊控制器，從而提高系統(tǒng)對(duì)電機(jī)參數(shù)變化和負(fù)載擾動(dòng)的抑制能力。傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，由于采用磁鏈和轉(zhuǎn)矩的雙位式控制無法分辨磁鏈和轉(zhuǎn)矩的誤差，當(dāng)控制系統(tǒng)剛啟動(dòng)或者改變磁鏈和轉(zhuǎn)矩參考值時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)緩慢。結(jié)合 SVPWM 技術(shù)的模糊直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)既抑制了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，又提高了系統(tǒng)抗干擾能力。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在交流調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)。在變頻調(diào)速過程中，要綜合考慮電壓和頻率的協(xié)調(diào)控制，而且電壓、轉(zhuǎn)速、磁通之間相互耦合，如磁通由電流、電壓等計(jì)算得到；電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)磁通和電流相互作用產(chǎn)生，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中存在磁通與轉(zhuǎn)速的乘積項(xiàng)；轉(zhuǎn)速的變化要考慮慣性和阻尼等因素的影響。因此，對(duì)系統(tǒng)的控制是比較復(fù)雜的，在根據(jù)電機(jī)學(xué)原理對(duì)其電壓、電流、磁鏈等關(guān)系進(jìn)行合理分析的基礎(chǔ)上建立合適的電機(jī)模型，是對(duì)控制方法進(jìn)行研究的前前提和基礎(chǔ)。為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化其數(shù)學(xué)模型，常作以下一些假設(shè)：（1） 假定電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子繞組是各自對(duì)成的，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)在空間上按正弦分布；（2） 假定磁路是線性的，忽略鐵心損耗；（3） 不考慮磁飽和和溫度等對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響。 磁鏈方程根據(jù)圖 可以寫出定、轉(zhuǎn)子各相繞組的磁鏈方程： ??????????????