电动汽车电驱动系统控制技术

文献标识 码 ： Ａ
和 开 发 电 动 汽 车 电驱 动 系 统 提 供 了 参 考 。
中 图分 类 号 ： ６ ． ２ Ｕ４ ９ ７
０ 引 言
电动 汽 车 电驱 动 系统 按 驱动 电机 型式 可 分 为 ：１ 直 流 电机 驱动 系 统 ； ２ 交 流感 应 电 机驱 动 系统 ； ３ 永 （） （） （） 磁 同 步 电机 驱动 系 统 ；４ 开关 磁 阻 电机 驱动 系 统 。 （）
文章编号
１０ — ４ ０ （０ ３ ０ —０ ５０ ０ ４６ １ ２ ０ ） ３０ ２— ４
电动 汽 车 电驱 动 系统 控 制技 术
范健 文 ， 小 强 ， 彤 峰 马 吴
（广 西 工 学 院 汽 车 系 ， 西 柳 州 ５ ５ ０ ） 广 ４ ０ ６
摘 关
要 ： 电 驱 动 系 统 控 制 技 术 进 行 了研 究 和 分 析 ， 绍 了 当 前 电 驱 动 系 统 控 制 新 技 术 的 应 用 与 发 展 情 况 ， 研 究 对 介 为 键 词 ： 动 汽 车 ； 动 系 统 ； 制 技 术 电 驱 控
电流 分解 为 以转 子 磁 场 定 向 的定 子 磁场 电流 分量 和 与 之正 交 的定 子 转 矩 电流 分 量 ， 样 ， 对 和 这 可 进 行 分别 控 制 ， 当 于对 直 流 电机 励磁 电流和 电枢 电流 的控 制 ， 相 获得 与 直 流 电机 调速 系 统 几乎 相 当 的 系统
进 的控制 技术 ， ： 如 自适应 控 制 、 糊 逻辑 控 制技 术 、 经 网络 控 制 和专 家系 统应 用 于 电动 汽 车 电驱动 控 制 系 模 神
统 。应 用 先 进 的控 制 技术 ， 求 最优 的 驱动 控 制性 能 和最 佳 的运 行 特性 ， 谋 已成 为 当前现 代 电 动汽 车控 制 技术
研 究 领域 的一个 重 要 研 究 内容 。
１ 直 流 电 机 电驱 动 系统 控 制 技 术
直 流 电机 电驱 动 系统 采 用 有 刷直 流 电机 ， 电机 控 制 器 一般 采 用 斩 波控 制器 控 制 ， 中它 励直 流 电机 （ 其 电 机工 况 ） 制最 具 有典 型 性 。 控
式 中 ： 为 电机 转 速 ； 为 电机 同步 转 速 ； Ⅳ 为滑 差 率 ； 厂为供 电频 率 ； 户为 磁极 级数 。 ＶＶＶＦ控 制 的 基本 思 想 是通 过 协调 控 制 电机 电压 和供 电频 率 ， 调节 电机 转 速 ， 以满 足 负载 的要 求 。通 常
可利 用 功率 半 导体 器 件 构 成 的脉 宽调 制 （ ＷＭ ） Ｐ 电源 变换 器 ， 供 电 电源 的直 流 电变换 为 频 率 和 幅值 可调 的 把 交 流 电 ， 频 以下 用 恒压 恒频 控 制 ， 频 以上 用 变频 恒 压控 制 ， 现感 应 电 机 变频 调速 。但 ＶＶＶＦ控 制 由于 基 基 实
性 能较 差 ， 有气 隙磁 通偏 移 和延 时响 应等 缺 点 ， 一般 难 以满 足 高性 能 电动 汽 车 的驱动 控制 要 求 。
感 应 电机 是 一个 强 偶合 、 多变 量 、 线性 的 系统 ， 通 由定 子 电流 和 转子 电流共 同建 立 ， 转 子 电流 则 由 非 磁 而
具有 广 泛 的应 用 前景 ， 系统 控 制技 术 与感 应 电机 电驱 动 系统 的相 似 ， ＶＶＶＦ和 Ｆ Ｃ控 制 技术 。 如 Ｏ 为 获 得 高 的 系统 效 率 和控 制 特 性 ， 常 也将 两 种 或 多种 控 制 方案 结 合 ， ： 采 用最 大 转 矩 控 制 和弱 磁 通 如 可
整个 运 行 范 围 内获得 良好 的转 矩 特性 ； 利用 Ｐ ＷＭ 则可 对 电池 电压有 效 的使 用 。图 ２３ ＨＫＵ ｒ ３采用 ［为 Ｍａｋ
的 自我 调 节效 率 优 化控 制 原理 图 ， 电机 为三 相 四极 正 弦波 钕 铁永 磁 同步 电机 。 过 测量 直 流 电路 的 电压 和 电 通 流调 节逆 变 器 Ｐ ＷＭ 的输 出 电压 ， 给定 输 入 功 率 ， 自我调 节 效 率优 化 控 制 不 依 赖 电机 的损 耗模 型 ， 电机 参 对
电机 速 度关 系 式 ：
＋ 。 Ｒ。 …
＝ ■ ： ＝ ＝ ■
式 中 ： 为 电枢 端 电压 ； 口 电枢 电路 内阻 ； 为 电枢 常数 ； ｐ为励 磁磁 通 。 Ｒ 为 Ｋ。 Ｏ
（） ３
斩 波器 既 可用 于 控 制 电机 的 电枢 电压 ， 现 电机 恒 转 矩 调 速 ， 实 也可 用 于 控制 励 磁绕 组 电压 ， 变励 磁 电 改 流 ， 现恒 功 率 弱磁 调 速 控 制 。 电机 恒 转矩 特 性 区 ， 据 速度 关 系 式 ， 常保 持 励 磁 电流 不 变 ， 实 在 根 通 通过 控 制 电 枢 电压 来 实现 对 电机 转 速 控制 ； 恒 功率 区 ， 在 据转 矩 表达 式 ， 持 电枢 电压不 变 ， 保 通过 控 制励 磁 电流实 现对 电
电机 运 动方 程 ： 一 ＝ Ｄ ＋
式 中 ： 为 电磁 转 矩 ； Ｌ 负载 转矩 ； 为阻 尼衰 减 系数 ； 为 电机 角速 度 ； 总旋 转 系统 转动 惯 量 ；为 时 Ｔ 为 Ｄ 为 ￡
间， 电机 电磁转 矩 表 达式 ：
Ｔａ＝ Ｋ ， Ｌ （） ２
式 中 ： 为 常数 ；， 励磁 电流 ； 为 电枢 电流 。 为 Ｌ
４ 开 关 磁 阻 电机 电驱 动 系统 控 制 技 术
开关 磁 阻 电动 机 驱 动 系统 采 用 开 关 磁 阻 电机 ， 统 系 图 ２ 自我调节效率优化控制系统
的可控 参 数 多 ， 有 较 宽 的调 速范 围 和高 度 的非 线 性 ， 具 控
制 要求 独 特 ， 应 电动机 和 永磁 同步 电动 机 的控 制 方法 通 常难 以满 足系 统 的控 制要 求 。 感
２ 交 流 感 应 电机 电驱 动 系 统控 制 技 术
交 流 感 应 电机 电驱 动 系统 采 用 交 流感 应 电机 ， 变频 变 压 控 制 ＶＶＶＦ与 磁场 定 向矢 量控 制 Ｆ Ｃｍ是两 种 常用 的控 制 技 术 ， Ｏ 电机 转 速 控制 方 程式 如 下 ：
Ｎ ＝ Ｎ 一 （ １ （） ４ 图 １ 琼 斯 斩 波 器 控 制 电路
控 制 原理 的控 制 技 术 ， 现 电机 效 率 最佳 化 和宽 范 围 的调 速 ， ＲＡＶ４ Ｖ 电 动汽 车 的控 制 技 术 ； 转 矩 实 如 一Ｅ 集 控制 和 Ｐ ＷＭ 控 制 特 点 的控 制 策 略 ， 电机 的转 矩控 制 采 用 了 电流 向量控 制 和 电压相 位控 制 的控 制 方案 ， 可在
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第 ３ 期
范 健 文 等 ： 动 汽 车 电 驱 动 系 统 控 制 技 术 电
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数如 温 度 的变 化不 敏 感 。 基 于 效 率 优 先 原则 的基 本 原 则 ， 种 新 的控 制 技 术 各 如 自适 应控 制 、 经 网络 控制 、 模 控制 等 在 电动 汽 车各 神 滑 种 电驱 动控 制 系统 中逐渐 得 到应 用 。
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第２４卷 ９月３ １ ３ 第 期 ０ 年 ０
Ｊ ＵＲＮＡＬＯＦＧＵＡＮＧＸ 学 院Ｖ 报Ｉ Ｙ ＯＦＴＥ ＨＮＯ ｏＧ Ｏ 广 西 工 ＩＵＮＩ学 ＥＲｓＴ ｃ Ｌ Ｙ
Ｖｏ． ４ Ｎｏ ３ １１ ．
Ｓ ｐ ｅｔ ．２０ ０３
收 稿 日期 ｔ０ ３ ０— ０ ２ ０ — ２１ 基 金 项 目 ： 西 工 学 院 青 年 科 学 基 金 项 目（ 号 ０ ０ １ ） 广 编 ３２９ 。
作者筒介 ： 范健文 （ ９ ３） 男 ， 东信 宜人 ， １６一， 广 广西工学院汽车系讲 师。
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坐标 变换 也 比较 复杂 ， 子 时 间 常数 随着 工 作温 度 和 磁饱 和 度 的 变 化而 发 生 很 大 的变 化 ， 得 Ｆ Ｃ控 制 性 转 使 Ｏ 能 变差 ， 改 善 Ｆ Ｃ 控制 性 ， 般 可通 过 对转 子 时 间常 数进 行 在线 辩识 ， 为 Ｏ 一 采用 Ｆ ＯＣ控 制器 来 更 新 参数 ， 或通 过 复杂 的控 制 算 法使 Ｆ Ｃ控 制 器不 受 电机参 数 变化 的影 响［ 。 Ｏ １ ３
电驱 动 系 统 的控 制 方 案 决定 于 电动汽 车 的性 能 ， 常规 的线 性 控 制算 法 ， Ｐ 、 Ｉ 等 调 节方 法 己不 能 满 如 ＩＰ Ｄ 足 高性 能 的 控制 要 求 ［ 。随着 对 现代 电动 汽 车性 能要 求 的不 断 提 高 和微 处理 器 、 字 信号 处 理 器 （ Ｐ 、 １ ］ 数 ＤＳ ） 微 控制器、 专用 集 成 电路 芯 片 （ Ｉ 的不 断发 展 ， ＡＳ Ｃ） 普遍 要 求 采 用 闭环 控 制 并使 用 各种 高 级控 制 算 法 手段 ， 先 将
动 态特 性 。 。
ห้องสมุดไป่ตู้
Ｆ Ｃ控 制 技 术 以转 子 磁 场定 向 ， Ｏ 采用 磁 场 定 向矢 量 变 换 方法 ， 现 了对 交 流 电机 转 速 和 磁链 控 制 的完 实 全解 偶 ， 是感 应 电机 驱 动控 制 的 首选 方 案 ， Ｆ 但 ＯＣ控 制 仍存 在 许 多 缺 点 ， 系 统 特性 受 电机参 数 影 响较 大 ， 如
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广 西 工 学 院学 报
２ ０ 年 ９月 ０３
机 转矩 和 转 速控 制 。 １ 为 琼 斯斩 波 器 电路 ， 过控 制 脉 冲接 通 时 间 ７。 图 通 １与脉 冲周期 时 间 Ｔ， 比值 ， 整 电 的 调
压或 电流 的平 均 值 和均 方值 。 直 流 电机 电 驱 动 系统 控 制技 术 简 单 ， 态 特性 好 ， 着 大 功 动 随 率 半导 体新 器 件 的 出现 ， 用 快 速功 率 器件 ， 用 高频 斩 波控 制 技 利 采 术 ， 使 控 制 系统 获 得更 高 的系 统 效率 、 可 减小 噪声 ， 同 时对 换 向 但 电路 和保 护 电路 的 设计 也要 求 更 精确 ， 控制 器 成本 也 更 高 。
定子 电流 、 速等 电机 的状 态所 决 定 ， 法直 接控 制 。 Ｏ 转 无 Ｆ Ｃ控 制技 术 通过 引 入与 转子 绕 组交 链 的 转子 磁 通这
个 物理 量 来 建立 电机 控 制 模 型 ， 以产 生 等效 的旋 转 磁场 的原 则下 ， 过 坐 标 变换 方 法 ， 感 应 电机 的定 子 在 通 把
直 接转 矩 控 制技 术 （ ＴＣ 不 需要 象 Ｆ Ｃ那 样 复杂 的 坐标 变换 技 术 ， 以直 接在 电动机 定 子 坐标 上计 算 Ｄ ） Ｏ 可 磁链 的模 和 转矩 的 大小 ， 接控 制 电机 电压 以 获得 电机 调 速 系 统 的 高性 能 ， ＴＣ是 一种 很 有 前 途 的感 应 电 直 Ｄ 机 电驱 动 系统 的 控制 技 术 。
３ 永磁 同步 电机 电驱 动 系统 控 制 技 术
永 磁 同步 电机 电驱 动 系统 控 制具 有 较 高 的鲁棒 性 ， 电机 气 隙较小 使 其 具有 较 强 的 电枢 反 应 ， 以控 制 电 可
机 在恒 转 速 及 弱磁 恒 功 率 区 高 速运 行 ， 控 制特 性 非 常适 合 电动 汽 车 的运 行特 点 而 在 电动 汽 车 驱 动 系统 中 其
开关 磁 阻 电机转 矩 一 转 速 特性 曲线 见 图 ３‘， Ｅ。 采用 速度 调 节 控 制 ， 电机 有 两个 基本 的工作 方 式 ； 。 在 转 速低 于基 速 时 ， 电感 Ｌ很 小 ， 时 保 持触 发 角 和关 断 角 ％ 此