電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究

賈明勝，張 琦

（德州學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 德州 253023）

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究

賈明勝，張 琦

（德州學(xué)院 汽車工程學(xué)院，山東 德州 253023）

電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，解決這一關(guān)鍵性技術(shù)具有非常重要的意義。對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行了介紹，以對(duì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)為研究目標(biāo)，采用矢量控制的方法進(jìn)行了分析。

電動(dòng)汽車；驅(qū)動(dòng)與控制；矢量控制

汽車的發(fā)明為人類帶來方便的同時(shí)也帶來了一些消極的影響。消耗了大量的石油資源，排放大量的廢氣，制造噪音和嚴(yán)重的污染。面對(duì)如此嚴(yán)峻的環(huán)境污染和資源問題，世界各國開始致力于研究節(jié)能高效的電動(dòng)汽車，是“電氣化”和“汽車”的融合。隨著人們對(duì)空氣質(zhì)量和溫室效應(yīng)的關(guān)注，對(duì)電動(dòng)汽車的研究也開始愈演愈烈，從20世紀(jì)90年代初起，世界各大汽車公司都在研究電動(dòng)汽車方向上投入了大量的金錢和精力，并且也取得一些成果。但是電動(dòng)汽車也有其一定的不足之處，例如：續(xù)航里程不足，較長的充電時(shí)間。為了提高電動(dòng)汽車整體性能及電氣化、智能化程度，采用矢量法和建立模型法對(duì)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特性

（1）電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)。電動(dòng)汽車一般都是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其動(dòng)力來源于蓄電池。而續(xù)航里程蓄電池的儲(chǔ)電能力有著密切的關(guān)系。因此，如果想要解決電動(dòng)汽車的續(xù)航里程問題就要盡可能的節(jié)約蓄電池的能量。這就要求電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下3個(gè)條件：①保證行駛的安全性，應(yīng)當(dāng)采用重心低和免維護(hù)的整體型蓄電池，并將其放在車身后部的地板下。②為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的輕量化，提高強(qiáng)度，將車架設(shè)計(jì)成直縱梁車架。③為了最大限度地增大車廂內(nèi)乘員空間，最小限度地減小機(jī)械空間，將乘員空間與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完全分開處理，將電機(jī)，高壓電器配置在汽車前部，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)部件的高效率分配。

（2）驅(qū)動(dòng)控制的特殊性。①要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率質(zhì)量比大、結(jié)構(gòu)簡單。②由于電動(dòng)汽車要通過各種復(fù)雜的路面，進(jìn)行各種復(fù)雜的工況，所以負(fù)載也是很復(fù)雜的，這就要求驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的負(fù)載適應(yīng)能力很強(qiáng)。③考慮到速度響應(yīng)的的快速性和汽車在行駛過程中的安全性，以及在乘員乘坐時(shí)的舒適性，我們提出了一種綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)來進(jìn)行有效的控制。在這一方面，日本的一些公司已經(jīng)開發(fā)研究出了模糊自動(dòng)火車運(yùn)行系統(tǒng)。借鑒這一系統(tǒng)可以將這個(gè)技術(shù)應(yīng)用到電動(dòng)汽車上來。④電動(dòng)汽車的控制系統(tǒng)安裝在汽車上，在行駛過程中不可避免的會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)造成一些干擾和沖擊特別是在受到交通事故碰撞。因此，在設(shè)計(jì)過程中硬件設(shè)施應(yīng)采用屏蔽和隔離的措施，最大限度的減少了電磁的干擾；控制系統(tǒng)都要安裝加強(qiáng)牢固和防震的措施，震動(dòng)的情況控制系統(tǒng)下能夠正常的工作。在發(fā)生事故時(shí)，控制系統(tǒng)的損壞達(dá)到最小程度。

2 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)的基本原理。驅(qū)動(dòng)控制的首要中心技術(shù)是控制行駛速度。表達(dá)的運(yùn)動(dòng)方程式為：

式中：TG為電磁的轉(zhuǎn)矩（N·m）；TF為負(fù)載的轉(zhuǎn)矩（N·m）；J為機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為電動(dòng)機(jī)的角速度（rad/s）；t為作用時(shí)間（s）。

從上式可以得出，技術(shù)的關(guān)鍵在快速、準(zhǔn)確的控制電磁轉(zhuǎn)矩。直流電動(dòng)機(jī)的電磁的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：

式中：H'為般常數(shù)；Rf為電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流（i）；Ra為電動(dòng)機(jī)的電樞電流（i）。

如果保持勵(lì)磁電流Rf的不變，控制電樞電流Ra就可以有效控制TG。交流感應(yīng)電機(jī)，它的結(jié)構(gòu)很簡單，外殼堅(jiān)固并且很耐用，特別適合用于電動(dòng)汽車的各種復(fù)雜工況。電磁轉(zhuǎn)矩存在比較強(qiáng)的電磁耦合，不好對(duì)其進(jìn)行控制。

（2）矢量控制計(jì)算方法。采用了矢量控制的方法來解決通過測(cè)量和控制交流電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量，矢量控制的方法使交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩得到成功的解耦,由此我們就獲得了直流電動(dòng)機(jī)的特性。經(jīng)過坐標(biāo)可以轉(zhuǎn)換成我們得到關(guān)于M-T旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的電磁的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：

式中：TG為電磁的轉(zhuǎn)矩（N·m）；ne為磁極的對(duì)數(shù)（個(gè)）；Ln為轉(zhuǎn)子和定子間的等效互感；Lr為轉(zhuǎn)子的等效互感；φ2為轉(zhuǎn)子的磁鏈幅值；it1為定子的電流交軸分量。

這個(gè)表達(dá)式與直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式形式相同，我們可以很方便地來控制交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)就像控制直流電動(dòng)機(jī)一樣。矢量控制框圖如圖1所示。

圖1 矢量控制框圖

采用矢量控制的方式使通用的變頻器不僅在調(diào)速的范圍上可以和直流電動(dòng)機(jī)很好地進(jìn)行匹配，而且還可以控制電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確被控的電動(dòng)機(jī)參數(shù)，有的通用的變頻機(jī)在使用過程中還需要準(zhǔn)確無誤地輸入電動(dòng)機(jī)的一些參數(shù)，有的通用變頻機(jī)還需要速度傳感器和編碼器，還必須使用廠家指定的變頻機(jī)專用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，如果出現(xiàn)差錯(cuò)將不會(huì)達(dá)到理想的控制效果。

（3）參數(shù)的設(shè)定和校正。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性可以由一組微分方程進(jìn)行描述，最后得到電動(dòng)機(jī)的有關(guān)參數(shù)。利用調(diào)速系統(tǒng)自帶的硬件資源，采用參數(shù)自設(shè)定和自動(dòng)校正技術(shù)，可以獲得重要參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整精確度很高的電動(dòng)機(jī)參數(shù)，這樣就可以使電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的性能得到很大提高。參數(shù)自設(shè)定的方法是利用變頻器本身在電動(dòng)機(jī)開啟之前進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)，然后把測(cè)量結(jié)果自動(dòng)的設(shè)定到控制系統(tǒng)中去。參數(shù)自動(dòng)校正的方法是在電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的過程中采用自動(dòng)適應(yīng)的控制技術(shù)。

（4）運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。電動(dòng)汽車的獨(dú)立輪邊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制將是電動(dòng)汽車的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。在我國這一項(xiàng)研究領(lǐng)域還沒有完全開啟，但是在歐美國家，日本，對(duì)這一領(lǐng)域已經(jīng)開始了研究設(shè)計(jì)。我國一些汽車研究所通過對(duì)電動(dòng)汽車的整車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了建模并對(duì)整車運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析，對(duì)電動(dòng)汽車前輪的驅(qū)動(dòng)和后輪的驅(qū)動(dòng)效率進(jìn)行詳細(xì)的比較。把公交車作為研究目標(biāo)，因?yàn)楣卉囋诔鞘薪煌ǖ缆飞系霓D(zhuǎn)向行駛時(shí)間比較長，后輪的驅(qū)動(dòng)車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)一般驅(qū)動(dòng)效率比較低。我們提出了的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制方法。采用這種方法我們就可以把前后輪上的驅(qū)動(dòng)力的力矩進(jìn)行合理分配，減少前輪所受的側(cè)向力。

3 結(jié)語

到現(xiàn)在為止，電動(dòng)汽車的優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)慢慢趨于成熟，電動(dòng)汽車也開始能夠滿足一些市區(qū)交通的要求。電動(dòng)汽車能夠普及使用的限制性問題就是價(jià)格昂貴和續(xù)航里程不理想。電動(dòng)汽車通過電動(dòng)機(jī)、控制器、蓄電池等組合成驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的車輛，它的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了汽車的清潔、高效、智能的運(yùn)輸新系統(tǒng)。通過對(duì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特性分析并采用矢量控制的方法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了最優(yōu)化的方案。

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Research on Electric Vehicle Drive Control System

JIA M ing-sheng，ZHANG Qi
（Automobile Engineering College of Dezhou University，Dezhou，Shandong 253023，China）

Electric drive control system is one of the key technologies of electric vehicles，and has very important significance of solving the key technology.This paper introduces the structure and characteristics of the electric vehicle drive control system，takes the optimization design of drive control system as research object，and analyzes by themethod of vector control.

electric auto；drive and control；vector control

TH122

A

2095-980X（2015）08-0060-02

2015-07-17

德州學(xué)院科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（311673）

賈明勝(1991-)，男，山東聊城人，大學(xué)本科。