纯电动汽车异步电机毕业设计论文

本科毕业设计
（2016届）
题目纯电动汽车驱动控制系统的仿真模型开发
学院信息工程学院
专业电气工程及其自动化班级
学号
学生姓名
指导教师
完成日期2015年6月
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年月日
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
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教研室（或答辩小组）及教学系意见
摘要
当前，各国政府大力推进纯电动汽车的研究与开发。

随着纯电动汽车的大力发展，如何对高性能纯电动汽车快速高效的开发成为了新的课题。

高性能纯电动汽车的研发，关键在于蓄电池技术、电机及其控制技术、电动汽车整车技术以及能量管理技术等多项电动汽车关键技术的发展。

电机是电气驱动系统的核心, 电机的性能、效率及其控制技术直接影响电动汽车的性能。

因此，本论文以纯电动汽车为对象，利用仿真分析方法，对控制纯电动汽车驱动电机系统的增量式PID控制算法相关理论与方法进行研究。

本文通过对驱动电机进行比较研究，为在满足设计目标的条件下驱动电机的合理选型和参数的合理选择与匹配提供了依据；对驱动电机的数学模型进行分析，给出其转矩和运动方程、电压方程、磁链方程，以及不同坐标系下三相异步电动机数学模型。

在此基础上，基于仿真软件MATLAB/Simulink，建立纯电动汽车异步电机控制系统的仿真模型，探讨该算法对三相异步电机控制的影响。

关键词：纯电动汽车；三相异步电机；PID控制算法；建模仿真
ABSTRACT
At present, the governments vigorously promote the research and development of pure electric vehicles. With the development of pure electric vehicles, how to develop the high performance of pure electric vehicles quickly and efficiently has became a new subject. Research and development of high performance of pure electric vehicle, the key lies in the development of battery technology, motor and its control technology, electric car vehicle technology and energy management technology. The motor is the core of electric drive system, performance, efficiency of the motor and its control technology directly affect the electric vehicle.
Therefore, the pure electric vehicle as the object, by using the method of simulation analysis and the control of pure electric vehicles drive motor system of the incremental PID control algorithm theory and method to study. Through a comparative study of the drive motor for reasonable selection of drive motor to meet the design goals of the reasonable selection and parameter and matching provides a basis; the driving motor mathematical model analysis, gives the torque and motion equations, voltage equation, flux equation, and different coordinate system three-phase asynchronous motor mathematical model. On this basis, based on MATLAB/Simulink simulation software, the establishment of pure electric vehicle induction motor control system simulation model and discuss the algorithm of three-phase asynchronous motor control effect.
Keyword: Pure electric vehicle; three-phase asynchronous motor; PID control algorithm; Modeling and simulation
目录
杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业论文
第一章绪论 (1)
1.1 本课题主要研究的目的、意义 (1)
1.2 本课题主要研究的背景 (2)
1.2.1 电动汽车的发展概况 (2)
1.2.2 纯电动汽车驱动控制系统研究 (3)
1.3 驱动控制系统的工作原理及存在的问题 (4)
1.4 纯电动汽车电机驱动系统的种类与比较 (5)
1.5文研究的主要内容 (7)
第二章纯电动汽车驱动电机模型的建立 (8)
2.1 异步电机的物理模型 (8)
2.2 异步电机的数学模型. (10)
2.2.1转矩方程 (10)
2.2.2运动方程 (11)
2.2.3电压方程 (11)
2.2.4电动机的磁链方程 (12)
第三章 PID控制原理 (15)
3.1常规PID控制 (15)
3.2增量式 PID 设计 (16)
3.3 增量式PID控制在三相异步电机中的改进 (17)
3.3.1积分环节的改进 (17)
3.3.2微分环节改进 (17)
第四章纯电动汽车用交流异步电机矢量控制方法及仿真 (18)
4.1 MATLAB2013b软件介绍 (18)
4.2矢量控制原理和异步电机控制模型 (19)
4.3参数设置 (22)
4.4仿真结果分析 (22)
4.5结论 (23)
第五章全文总结与展望 (26)
5.1总结 (26)
5.2展望 (26)
致谢 (27)
参考文献 (28)
第一章绪论
1.1 本课题主要研究的目的、意义
目前，各国政府都在推进纯电动汽车的研究。

随着纯电动汽车日益受到各界的关注，对高性能纯电动汽车的开发成为了新的研究重点。

高性能纯电动汽车的设计，关键在于蓄电池技术、电机及其控制技术、电动汽车整车技术以及能量管理技术等电动汽车技术的研究。

电机是驱动系统的心脏, 电机的性能及其控制技术直接影响电动汽车的性能。

因此，在发展高性能和高效率电机的同时，加强其控制技术的研究，对提高纯电机汽车的性能将具有重要的作用。

在当前的研究中，发现传统PID控制算法简单、鲁棒性好和可靠性高，不依赖于被控对象的精确模型，只需了解对象的响应特性就可通过仿真设计出相对应的控制器，因而它的设计方法不复杂，可行性高，从而较多的应用于工业过程控制，特别是适用在一些可以建立精确数学模型的控制系统中。

随着传统PID控制的应用日益增多，其不足的方面也日益突出，如PID控制器参数的整定问题等。

当整定参数一旦收到确定，在整个PID控制过程中都将是一成不变的。

而实际应用中，由于电机系统机理复杂，具有多输入、多输出的强耦合性、参数时变性和严重的非线性特性等，因此，采用常规PID 控制难以使电机系统获得满意的控制效果。

与此同时，在纯电动汽车的设计周期中，由于计算机仿真技术可对各子系统设置的参数进行灵活修改，各个模块也可重复使用，从而可有效缩短纯电动汽车的研发周期、提升纯电动汽车的各种性能，并以此加快纯电动汽车的投入生产的日期。

因此，本论文以纯电动汽车为对象，利用仿真分析的方法，对纯电动汽车的整车及与电机控制的相关理论与方法进行了仿真研究，基于增量式PID控制算法，探讨该算法对三相异步电机控制的影响，论证该算法对提高三相异步电机励磁绕组所产生的磁链旋转质量，使其速度加快，及时跟随电机对转速的调节需求，有效地提高了电机的动态特性，对实现电机的良好控制有着良好的作用。

同时，基于模糊PID的矢量控制方法，探讨对整车控制的影响，论证该方法提高整车对测试工况的跟随性、动力性和行驶稳定性，改善整车的动力性、运行效率以及能源经济性具有良好的作用。

1.2 本课题主要研究的背景
1.2.1 电动汽车的发展概况
电动汽车的发明与使用有一百多年的历史，Robert Davidsson于1873年发明了第1款的纯电动汽车，该电动汽车动力采用了不可充的化学电源作为动力电池。

1882年，Ayrton 和JOHN Perry组装了第一辆以铅酸蓄电池为动力源的纯电动三轮车，标志着可循环充放电的化学电源动力纯电动汽车进入了真正的实用化阶段，这项关键技术的突破对于当时的电动汽车而言意义十分重大。

随着石化燃料资源的逐渐枯竭和环境污染问题，内燃机汽车的固有缺陷和局限性问题，逐渐引发了世界各国的广泛关注。

由于以电力为主要动力的纯电动汽车电力来源的可持续性和对环境零排放的友好性，逐渐成为各国关注的焦点，掀起了研究热潮。

（1）电动汽车在国外的发展概况
从上世纪末开始，在工业方面有快速发展的的西方发达国家通过对纯电动汽车的研究与开发来以此解决能源短缺、环境污染和气候变暖问题。

美国拥有世界上规模较大的汽车生产商，例如通用汽车公司。

与此同时，美国的汽车的生产量也日益增多。

因此，电动汽车(Electric vehicle)的研究是美国乃至许多发达国家科技战略的风向标，并为此投入巨额资金和人力研究纯电动车。

为了使纯电动汽车在保持原有的绿色环保概念以外，在汽车性能方面更加出色，美国依次推出了PNGV、Freedom CAR、A VP 这三项计划。

而在另一边的欧洲，法国政府也相继推出了“Predit 2002-2006”等补贴计划。

日本由于其国土资源少，因此是能源短缺的工业大国，日本国相当的注重电动汽车事业的发展，同时日本在动力电池技术方面处于全球领先水平。

1996年丰田公司推出了日本第一辆燃料电池电动车，并且从1997年开始量产混合动力方面的汽车，成为当时绿色能源技术领域和世界电动汽车产业化的领军企业。

目前各个发达国家政府相继推出多项政策大力扶持大型汽车生产商进行电动汽车的研究工作，同时也制定出多项环保和节能法规鼓励电动汽车的研发，采用税收优惠和政府补贴来促进消费者对电动汽车的购买欲望。

（2）电动汽车在国内的发展概况
中国是当今世界上最大的发展中国家，中国拥有世界上最大的生产力，被称为“世界工厂”，由于工业的发展日益加快，环保问题也因此突显，所以我国对绿色环保的纯电动汽车的发展也是相当的重视。

自1985年以来，我国开始重视电动汽车的发展。

其中，在上海燃料电池汽车动力系统有限公司和同济大学的合作下，燃料电池骄车研发在上海落下帷幕；依托清华大学和北京客车厂，燃料电池大客车的工作开展在北京；依靠东风电动汽车公司的发展，奇瑞和长安公司的加入，混合动力电动汽车在武汉正式开展了一系列的研发；由一汽集团和东风电
动汽车公司利用各自的底盘技术进行开发作为依托，把混合动力电动汽车地盘设计研发任务安排在武汉和长春；北京电动车辆股份有限公司和天津清远发电有限公司在北京和天津联合开发纯电动汽车。

中国纯电动，混合动力和燃料电池汽车的集成技术，电力系统集成技术、组件技术在政府的支持下，在技术上取得了显著的成果。

同时，中国正在建设中的专利战略和技术标准，使具有自主知识产权的新能源汽车产业有了更加可靠地支持。

1.2.2 纯电动汽车驱动控制系统研究
电动机是电动汽车的心脏，电动机控制系统主要操作为：采用主动或被动，或两者相结合的方式，在电动机控制系统的控制下，使车辆上的动力电池高效率地转换为汽车在行驶中的动能，或将汽车在行驶过程中减速制动的动能转化为可储存的电能，即实现电能-机械能和机械-电能的相互转换。

因此，纯电动汽车的加速性、最高车速、行驶里程长度、爬坡性能、能量转换性能取决于其驱动系统的控制方案。

（1）国外纯电动汽车驱动控制系统研究现状
由于欧美和日本在较早发展了工业革命，因此在电动汽车领域方面早已经有了长久的系统研究，其相对的成果也领先世界各个发展中国家，这些成果体现在以下几个方面：
第一方面，技术相对较成熟。

国外几大著名的汽车制造商都在开展对纯电动汽车驱动控制系统的研究工作，如永磁同步电动机驱动控制系统（丰田）、EV1车型直流电机驱动控制系统（通用公司）。

总体而言，在电机驱动控制系统领域，几大汽车制造商拥有比较丰富的经验，电机驱动控制器的硬件和软件开发较为完善、成熟度高和可靠性好。

其产品的实际性能经受了市场的考验，研究和开发的驱动控制策略比较完善，其节能性好、驾驶性能优越。

第二方面，行业竞争与学习机制。

在良好且具有极大潜力的纯电动车市场背景下，各个汽车企业都在投入研发、积极制造或者购买和纯电动车相关的汽车驱动控制系统。

由于市场的推动，市场上提供驱动控制器的设计方案有很多种类型，如RICARDO，FEV，A VL以及其他企业，类似的公司有很多成功可借鉴的经验。

第三方面，驱动控制器设计的标准化。

为提高发展效率，增加驱动控制器的通用性。

逐渐制定标准，可以使全球汽车制造商不断的整合交流，如通用全球汽车制造商、半导体和软件系统公司、零部件供应商等共同建立了“汽车开放系统架构联盟”，形成了AUTOSAR标准。

(2) 国内纯电动汽车的驱动控制系统现状
目前，高校作为基础纯电动汽车驱动控制器的研究和开发的主要机构，但在国家“863”计划的实施下，高校与国内外企业合作交流，推动了纯电动汽车驱
动控制系统在国内的研究和发展。

目前，国内整体发展水平与国外相比差距很大，尤其是创新水平不高和生产能力不足，国外驱动控制器相对国内成熟度高，国内企业在实际生产中大多喜欢国外公司生产的产品驱动控制器。

同时，与驱动控制器的硬件配套的软件以及软件开发工具基本依赖国外进口。

1.3 驱动控制系统的工作原理及存在的问题
在车辆行驶过程中，驾驶员获取环境信息、车辆状况信息后，根据自己的驾驶经验，通过操纵系统，对车辆输入自己的驾驶指令，使车辆按照自己的意图行驶。

在这里，把这样的一个系统称为人一车一路系统，如图1-1。

和传统燃油汽车一样，在电动汽车的行驶过程中，其动力输出也是通过加速踏板来控制的，从人的感官出发，驾驶员直观的控制对象并不是驱动系统输
出的动力，而是车辆行驶速度，如果车速不能达到驾驶员的预期车速，驾驶员
就会继续改变加速踏板位置，直至达到控制标为止。

图1-1人一车一路系
因此把电动汽车看作一个整体，以车辆行驶速度为最终的，控制目标，通过控制驱动系统的输出转矩来实现驾驶员的驾驶意图由车辆行驶平衡方程可
知，驱动系统的动力输出与车辆的行驶状态之间存在着对应关系，在平直良好
路面、无风环境下，这种对应关系是一一映射的关系，驾驶员可以通过操纵加
速踏板控制驱动系统的动力输出，由于非线性因素对车辆行驶状况的影响，系
统必须采取闭环控制。

因此，建立了如图1-2模型，以此作为电动汽车电机驱
动系统的控制模型即以实际车速与目标车速之间的偏差，作为输入量，其输出
为转矩给定值T g，矢量控制模块按照这个转矩给定值控制驱动电机的动力输出。

图1-2 电动汽车驱动系统控制模型原理图
由于数据库是不完善的，所以多多少少存在一些问题。

目前，国内企业和研发机构的纯电动汽车在小批量生产科研和调试阶段，由于实验参数和基础数据库不完善，直接影响了纯电动汽车驱动控制器的设计水平，总体水平相对国外较低。

其具体表现在。

第一，基于数据库不完善。

由于研究时间有限和整体数据资源整合还在起步阶段，对于科研和研发至关重要的拘束数据库尚不完善。

第二，产品依赖国外技术，不利于工业化生产。

纯电动汽车开发中，国内驱动控制器的软件和硬件大多依赖国外技术，国内技术机构仅仅在早期阶段研制，和实际生产应用缺乏经验，这些原因都不利于工业生产。

第三，系统的可靠性和稳定性有待提高。

我国数字集成芯片制造能力非常有限，技术不过关，生产能力不够。

所以即使国内各研发机构和企业可以完成驱动控制器的设计与组装，但控制器的驱动程序的还需要改进，方向为提高可靠性和稳定性。

第四，驱动控制器的通用性、连续性和复用性比较差。

目前，国内研发机构和企业在驱动控制器的设计制造中，各个标准的定义和规范都不相同的，导致产品的通用性、连续性、和复用性较差，只能自己小批量生产，无法大批量生产。

1.4 纯电动汽车电机驱动系统的种类与比较
对纯电动车进行驱动，首先要了解驱动系统类型及其特点。

一般来说，纯电动汽车驱动系统，主要按电动车驱动电动机分类，目前驱动电动机系统主要有几大类：直流型电动机（无刷直流，Brushless DC Motor和有刷直流，Brush DC motor）、异步电动机（Asynchronous motor）、磁阻开关电动机（Switched reluctance motor）和永磁同步电动机（Permanent magnet synchronous motor）等。

不同的电动机驱动系统有不同的特点，在电动汽车驱动系统选型时，要考虑到这些不同特点以便满足电动车的设计要求。

电动汽车在行驶过程中，对于不同的道路工况，经常性的启动、加速和减速、爬坡和急停等，这就要求驱动系统能很好的响应这些要求。

对驱动系统基本要求主要在：第一，瞬时功率要大、带负载的启动性能好、抗过载能力强和寿命长；第二，可靠性要好，可适应苛刻环境下长寿命工作；第三，体积要小，重量要轻，以减轻整车重量，提高能量经济性指标，而以下是针对不同驱动系统电动机特点的控制方式：
(1) 直流电动机（DC Motor）
直流电动机的控制系统（DC Motor Control System）[6]由于其转速特性和机械特性可分为，电枢调压控制（Armature voltage control）、磁场控制（Magnetic field control）和电枢回路控制（Armature circuit control）。

电枢调压控制是改变他励电
动机电枢端的电压来实现控制功能，可实现在宽广范围内的连续平滑速度控制，调速比可达 1:30。

磁场控制是通过调节电机的励磁电流改变极磁通量来实现调速功能，该方法控制效率高，但调速比小（不超过 1:3）。

电枢回路控制通过改变电枢回路的电阻来实现调速，该方法调速的机械特性较软，且电机运行不稳定，适用于要求不高的小型电机。

(2) 交流异步电动机（Asynchronous motor）
交流异步电动机也称三相异步电动机[6]，采用旋转磁场与转子绕组相互作用产生交互电磁转矩，带动转子旋转，从而实现电能转化为机械能。

异步电动机由于其实际可操作性较高一般在电动汽车上使用较多。

异步电动机的控制系统（Asynchronous motor Control System）采用矢量控制（Vector control）和直接转矩控制（Direct Torque Control）的方式。

矢量控制是基于矢量控制理论建立的交流电动机动态控制数学模型的控制方法，需要解耦定子电流成独立的磁链分量和转矩分量，对动态数模的准确度和算法精度要求高。

其拥有宽广的调速范围、较快的响应速度、较高的精准控制和电机加速性能。

直接转矩控制是将电机输出转矩作为控制对象，通过控制定子磁场向量来控制电机转速，不需要复杂准确的数学模型和矢量分解的坐标变换。

具有控制精度较高、系统性能对转子参数呈鲁棒性和控制简便性能优越的特点。

(3) 开关磁阻电动机（Switched Reluctance Motor）
开关磁阻电动机[6]是一种让磁阻随转子磁极与定子磁极的中心线而变化，从而使定子绕组按一定的顺序通断，才会使保持电动机在控制状态下连续运行。

该电动机具有结构简单，并且产量大，而且控制方便，与此同时可靠性高的特点，但也存在电动机的噪声大，和高严重的转矩脉动，非线性严重。

这种类型的电机的电动汽车驱动，在目前很少使用电动汽车。

主要研究方向是开关磁阻电机模型的研究。

(4) 永磁式同步电动机（Permanent magnet synchronous motor）
永磁同步电动机[6]由电枢铁芯和电枢绕组组成定子，转子由永磁体、转子铁芯和转轴构成，永磁体磁动势和电枢磁动势构成高磁通密度磁场驱动转子连续运行。

通过合理设计磁场结构可获得很高的弱磁性能，由于在电动汽车的驱动方面有很高的应用价值，因此在电动汽车驱动系统上有一席之地。

然而，它是运行在高速异步电动机相对比较复杂，还需要研究转子磁极位置。

此外，存在成本高，永磁体逐渐退化问题。

通过对以上电机的比较得出：三相异步电动机具有体积小，价格低，维修方便，操作简单等优点，已成为首选，因此本文的纯电动汽车驱动系统是使用三相异步电动机。