1、1混合动力电动汽车电机驱动控制系统摘 要能源危机和环境污染这两大问题日益突出，因此开展新型动力汽车已刻不容缓。混合动力电动汽车(HEV)凭借其高效、节能、低污染的优势脱颖而出，成为了传统汽车向纯电动汽车的完美过渡，在提高功能效率和降低污染等方面有很好的应用前景。 本文首先介绍了混合动力电动汽车的分类，最终经比较选择了兼有串联式和并联式特点的混联式驱动方式。接着介绍了混合动力电动汽车的多能源动力总成系统的总体方案设计以及混联式驱动系统总体结构。之后，本文选用脉动转矩小、功率密度大、高控制精度的永磁电机（PMSM）作为驱动电机，着重介绍电机驱动控制系统，对电机控制系统的硬件进行了设计。系统硬件接口
2、电路包括主电路，IPM 驱动电路，电流、电压、位置及转速的检测电路等，同时为了系统安全稳定工作，设计了各种故障保护电路。接下来文中在研究了永磁同步电机的结构特点、工作原理、数学模型的基础上，对其控制策略进行了分析比较，最终选用将直接转矩控制（DTC）应用到永磁同步电机控制系统上，设计了 PMSM 的直接转矩控制框图，并用 MATLAB 进行了系统仿真。 本文还提出了一种将模糊控制与神经网络相结合的直接转矩智能控制方法，并采用基于蚁群优化算法的神经网络来建立磁链观测器。文中描述了算法的实现过程，最后对其进行仿真实验。仿真表明该算法的有效性，较传统控制系统动态响应加快，转矩脉动变小，稳态性能得到了
3、提高。 关键词：混合动力电动汽车；永磁同步电机；直接转矩；模糊神经网络；蚁群算法2目 录 摘要Abstract1 绪论 . 11.1 课题研究的背景及意义 .11.2 电动汽车的发展简史及混合动力电动汽车的国内外的研究概况 .21.3 混合动力电动汽车的发展趋势 .41.4 混合动力电动汽车用电机驱动系统的发展现状 .51.4.1 混合动力电动汽车中电动机的使用现状 . 51.4.2 混合动力电动汽车用永磁同步电机控制系统的发展现状 . 61.5 研究车用电机驱动系统的意义 .71.6 本文的主要任务 .72 混合动力电动汽车的分类及特点 . 92.1 混合动力电动汽车有关定义 .92.2 混
4、合动力汽车的基本原理 . 102.3 混合动力汽车的分类 . 102.4 串联混合动力电动汽车 . 102.4.1 串联混合动力电动汽车的结构与特点 . 102.4.2 串联式混合动力电动汽车的控制模式. 112.5 并联混合动力电动汽车. 122.5.1 并联混合动力电动汽车的结构与特点. 122.5.2 并联式混合动力电动汽车的控制模式. 1332.6 混联式混合动力电动汽车. 132.6.1 混联式混合动力电动汽车的结构与特点. 132.6.2 混联式混合动力电动汽车的控制模式. 142.7 复合式混合动力电动汽车. 142.7.1 复合式混合动力电动汽车的结构与特点. 142.7.2
5、复合式混合动力电动汽车的控制模式. 152.8 混合动力电动汽车各驱动类型的比较. 152.9 本章小结. 163 基于 CAN 总线的混合动力电动汽车多能源动力总成控制系统. 173.1 引言. 173.2 CAN 总线多能源动力总成系统方案设计. 183.3 混联式电动汽车驱动系统控制策略. 203.4 本章小结 . 214 混合动力电动汽车电机驱动控制系统硬件设计. 224.1 混合电动汽车电机控制系统硬件整体结构 . 224.1.1 主控制器 DSP TMS320LF2407A 简述及外围电路设计. 234.1.2 主电路设计. 254.2 主要参量的检测及接口电路. 284.2.1
6、电流检测与接口电路 . 284.2.2 电压检测与接口电路 . 294.2.3 位置及转速检测与接口电路. 304.3 故障检测及保护电路. 3344.3.1 过流检测保护电路 . 344.3.2 过压欠压检测保护电路. 354.3.3 过温检测保护电路. 364.3.4 故障综合及保护电路. 374.4 键盘及显示控制电路. 384.5 汽车档位油门给定电路设计. 394.6 系统硬件采用的抗干扰措施 . 414.7 本章小结. 415 永磁同步电机的原理及 DTC 控制与仿真分析. 425.1 永磁同步电动机的基本原理. 425.1.1 永磁同步电动机的结构特点及工作原理. 425.2 永
7、磁同步电机的数学模型. 445.2.1 坐标变换. 455.2.2 定子电压和磁链方程. 465.2.3 转矩方程. 485.3 永磁同步电动机的基本控制策略. 505.3.1 PMSM 直接转矩控制的原理. 525.3.2 定子磁链观测器. 525.3.3 电压空间矢量对定子磁链的影响. 535.4 PMSM 的 DTC 系统结构 . 575.4.1 建模仿真分析. 595.5 本章小结. 6256 蚁群优化的模糊神经网络直接转矩永磁电机控制系统设计. 636.1 模糊理论与神经网络结合的必要性. 636.2 模糊神经网络直接转矩永磁电机控制系统设计. 646.3 模糊直接转矩控制系统. 6
8、56.4 基于蚁群算法的神经网络在直接转矩中的应用. 686.4.1 神经网络. 686.4.2 蚁群算法. 696.4.3 蚁群神经网络的具体实现过程 . 706.5 仿真结果分析 . 726.6 本章小结. 73结论 . 74参考文献 . 75作者简历 . 77学位论文数据集. 7961 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 自从 1885 年德国工程师卡尔本茨发明汽车以来，汽车就成为人们日常生活中不可缺少的代步和运输工具，给人类的出行带来了极大的方便。汽车发展百年，其发展速度不断加快，已经与人们的日常生活密不可分。它的产生促进了人类文明和经济的迅猛发展，在人类的日常生活中占据了越来越重要的
9、位置。 然而，汽车在推动世界经济发展、给人民生活带来便利的同时，也带来一系列的负面效应。比如说传统内燃机燃烧后的产物二氧化碳、硫化物、氮化物等带来温室效应，臭氧层破坏和酸雨等环境问题。同时汽车在行驶过程中所释放出来的尾气和废气等带来的空气污染，危害人类生活环境和植物的生存条件1。汽车的能源需求主要是石油，但是目前石油资源匮乏，由此看来汽车的发展给环保、能源等带来巨大的挑战。人们不得不考虑未来汽车的动力问题，因此我们开发清洁、低油耗、高效智能的环保型汽车已成为必要的选择之一，电动汽车被认为是符合零排放标准的唯一可用技术，所以电动汽车迅速发展起来。自 20 世纪 70 年代后期，美国、中国、日本、
10、澳大利亚、比利时、芬兰和前苏联等国都开始生产电动汽车，目前世界很多国家也都不惜投入大量的精力物力加入到研究电动汽车队伍中来。 电动汽车广义上分为纯电动汽车、燃料电池汽车和混合电动汽车三种。纯电动汽车（EEV）用电动机取代发动机，纯粹用蓄电池发出的电能来驱动，因此纯电动汽车实现了零尾气排放，是真正的绿色环保汽车。但是，由于纯电动汽车对电池的要求很高，而目前蓄电池的发展技术受限，不能满足远距离行驶的需要，这些都限制了纯电动汽车的发展。燃料电池车（FCV）是指利用燃料电池将燃料的化学能直接转化为电能，然后通过电机驱动的汽车。但是，燃料电池技术的安全性和价格仍需进一步改善。混合电动汽车（HEV）通常将
11、发动机和电机混合使用，通过控制发动机和电机的能量分配和流动，实现减少油耗和排放的最终目的，是一种准环保型的车辆。鉴于电动汽车的关键问题是一次充电续驶里程有限，在蓄电池技术未能突破之前，发展混合动力电动汽车，研究高效节能的电机驱动控制系统是实现电动汽车基本性能和解决这一关键问题的重要因素。混合电动汽车成为当前解决节能、环保问题切实可行的过渡方案，在世界范围内成为新型汽车开发的热点。混合动力汽车可以通过回收制动能量来提高燃油经济性。传统汽车利用加速来获得动能，当需要减速时，传统汽车通过制动器，将动能转变为热能消耗掉；而混合动力汽车的驱动电机可当作发电机来使用，通过发电机来制动汽车，将汽车的动能转换
12、为电能储存到蓄电池中。混合动力电动汽车是将新老技术结合的最佳产物，它既具有纯电动汽车的高效率和低排放的性能，还具有传统汽车行驶里程长7和快速补充燃料的性能。 由此看来，混合动力电动汽车的研究和发展对解决能源危机和环境污染这两大人类面临的难题起到相当大的作用。同时，混合动力电动汽车驱动功能的实现涉及蓄电池、微处理器、电动机、电力电子等多学科领域，因此系统地研究并开发出高水平的电动机驱动控制系统，对提高我国电动汽车驱动系统水平，对我国电动汽车的实用化和产业化具有重要意义。早在 1997 年 12 月的电动汽车国际会议上，大多数汽车工程师认为，在未来 10 年内世界上生产的汽车中混合动力汽车至少占
13、40%。日本丰田汽车公司宣称到 2010 年，混合动力汽车的生产量达到 150 万辆。有专家认为，混合动力汽车的发展，己不再是汽车工业的一次简单的技术革新，而是一次新的汽车工业革命。 1.2 电动汽车的发展简史及混合动力电动汽车的国内外的研究概况 国外电动汽车的研究己有一百多年的历史，但真正取得突飞猛进的发展是近十几年，而混合动力汽车的研发还不到十年。19 世纪末，许多美国、英国和法国的公司都开始生产电动汽车。据统计，到 1890 年在全世界 4200 辆汽车中，有 38%为电动汽车，40%为蒸汽车，22%为内燃机汽车。1911 年 Kettering 发明了汽车起动机，同时由于石油的大量开采
14、，燃油汽车的续驶里程是电动汽车的 2-3 倍，使用成本低等种种优越，从此打破了电动汽车在市场上的主导地位。因此到 20 世纪 30 年代，电动汽车几乎消失了。 直到 20 世纪 70 年代能源危机和石油短缺，人们开始考虑替代石油的其他能源，因此电动汽车又一次被人瞩目，世界许多国家都开始发展电动汽车。到 70 年代后期由于能源危机和石油短缺问题不是很严重，电动汽车的发展缓慢。第三次生机开始于 20 世纪 80 年代，世界上除了已存在的能源问题之外，内燃机汽车的排放污染，给全球的环境以灾难性的影响，因此开发生产无污染的交通工具成为各国所追求的目标，电动汽车的零污染优点，使其成为当代汽车发展的主要方
15、向。 混合动力汽车作为一项崭新的技术，20 世纪 90 年代初以来，混合动力电动汽车的开发得到了美国、日本和欧洲等许多发达国家的高度重视，国外知名的汽车公司投入巨资开始进行研制和开发，发展相当迅速，而国内目前还处于探索的初级阶段。 日本：日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在混合动力汽车的产品发展方面。目前，世界上能够批量产销混合动力汽车的企业，只有日本的丰田和本田两家汽车公司2。丰田汽车公司从 1971 年开始研制电动汽车，先后研制了从 EV-10 到 EV-40 的一系列电动车。并在 1997 年成功开发了实用的混合电动汽车 Prius,它是世界上第一种大批量生产的混合
16、动力汽车，它的创新性得到了全世界的高度好评，目前累计销量已突破了 40 万辆，在混合动力汽车领域已经走在了世界的最前列，并带动了汽车行业绿色环保技术的发展。最近丰田又推出了一种新型的 Post-Prius 混合动力系统。除了丰田以外，日本的本田、日产等汽车公司也不甘落后，分别研制了属于自己的混合动力汽车，并取得了骄人的成绩。其中本田公司已投产的 Insight 混合动力汽车，被美国环保总8署评为 2001 年美国十大节能汽车的第一名，丰田汽车公司的 Prius 混合动力汽车3 则为第二名。 美国：美国是世界上最早关注并研制电动汽车的国家之一。美国的通用、福特等知名汽车公司在电动汽车发展中起着及
17、其重要的作用。迄今为止已经研发出多款混合动力电动汽车，如克菜斯勒的 ESX3、福特的 Prodigy 2000、Escape 通用的 Precept 和 Ben Z 等。但是美国的汽车公司在电动汽车产业化方面比日本逊色不少，三大汽车公司仅仅都是小批量生产。 欧洲：欧洲一直以来都很重视电动汽车的研究和推广，取得了很大的成就。欧洲各大汽车厂商争先恐后地推出了本公司研制的电动汽车4。德国宝马公司于 1989 年推出 E30E，1991 年研制出第二代电动汽车 E36E，奔驰公司 1997 年 9 月，在法兰克福汽车展览会上推 出一款燃料电池电动汽车。其 HEV 的突出代表是法国的 Berlinge，
18、法国雷诺公司开发研制的 VERT 和 HYMME 两款混合动力汽车已进行了 10000 公里的运行试验。德国西门子和博世（Bosch）等著名零部件公司也积极与汽车公司联手研制混合动力汽车。目前，德国己有 20 辆混合动力大客车在运行，奥迪公司生产的混合动力电动汽车 Duo 也已经开始出租，预计四年内出租约 400 辆。我国也是研制电动汽车技术较早的国家之一。19 世纪 20 年代，上海就出现了蓄电池车，直到 20 世纪 70 年代末，由于诸多原因未能继续发展下来。进入 20 世纪 80 年代，随着国民经济突飞猛进的发展，逐步意识到内燃汽车给人类带来的环境污染的严重性和能源危机的紧迫性，我国的电
19、动汽车研究便开始起步。目前纯电动轿车和纯电动客车均已通过国家质检中心认证试验，各项指标均满足有关国家标准和企业标准的规定。天津清源电动车辆有限公司等单位研发的纯电动轿车，其整车指标已超过法国雪铁龙公司赠送的纯电动轿车，初步形成了关键技术的研发能力。 我国在“八五”和“九五”期间也进行了混合动力电动汽车的技术领域的开发。但所开发的混合动力电动汽车形式大部分都是串联式的，只是两种动力源简单的结合，缺乏统一协调，这与真正意义上的混合动力汽车还有很大差距。进入 2007 年以后，我国对于混合动力汽车的研制也进入了高峰期，一汽、东风、奇瑞、长安等汽车公司都投入了人力物力。长安汽车公司采用的同轴 ISG
20、轻度混合方案，在国内率先开展了混合动力专用发动机开发，并成功开发了第二轮功能样车和第三轮性能样车。一汽丰田也推出了国内下线的丰田普锐斯，真正国产意义上的混合动力汽车也有很多例子，如长安杰勋 HEV，该车从整车、发动机到混合动力系统，均系完全自主研发。它除了具有基本功能外，还实现了怠速起停、动力助力、制动能量回收等标志性功能。但同国外电动汽车水平相比，我国的技术还有一定的距离。 1.3 混合动力电动汽车的发展趋势 虽然在未来的 20 年中燃料电池车的商业化速度也会加快，因为只有燃料电池车在续驶9里程和性能方面能与燃油车进行媲美。但是，由于燃料电池不可逆的特点，在制动和减速时无法回收能量，另外燃料
21、电池汽车启动问题也是有待解决的。基于以上分析，混合动力电动汽车的产业化发展是必然的趋势。同时有的专家还认为在未来的 30 年里，纯电动汽车和混合电动汽车有可能都会市场化，并且会占有各自的市场。纯电动汽车适合于特定的市场如交通、电价便宜和零排放管制的城市；而混合电动汽车适合于长途运输。不管新兴技术如何发展，我们的最终的目标是追求清洁、高效、智能的车俩。1.4 混合动力电动汽车用电机驱动系统的发展现状 混合动力电动汽车的发展关键技术包括汽车技术、电气技术、电子技术、信息技术和化学技术等等。概括起来有三大关键技术，即电机驱动技术、能量存储技术和动力总成技术5。电机驱动系统包括驱动电动机和驱动控制系统
22、，能量存储系统包括蓄电池和能量智能管理系统，动力总成系统包括动力源之间的工作协调和能量流的管理。电动汽车存在的主要问题是初始成本高，行驶里程不理想，为解决行驶里程的问题，正在开发一些先进高能量密度的蓄电池电池。但蓄电池技术始终没有取得突破的进展，因此，在蓄电池取得突破进展之前，电机驱动系统技术的研究就显得十分重要，开发性能优良的电动机、高效的驱动控制系统和合理的动力总成系统直接影响了汽车的行驶性能、尾气排放量以及续驶里程。1.4.1 混合动力电动汽车中电动机的使用现状 目前混合动力电动汽车使用的电机主要有直流电动机、感应电动机、永磁同步电动机、无刷直流电动机、开关磁阻电动机等几种。 国内外电动
23、汽车电机的使用情况：第一汽车集团公司的混合动力轿车CA7180AE 采用的是直流电机；三菱的串联 Canter 混合动力车采用的是交流感应电机；丰田的 Coaster 混合动力车采用的也是交流感应电机，但丰田 Prius 采用的则是永磁同步交流电动机；东风电动车辆股份有限公司的混合动力客车EQ6110HEV 采用的是开关磁阻电机；戴姆勒克莱斯勒的 ESX3 采用的是直流永磁无刷电机。下面简单的介绍下各种电机的性能及特点。 直流电动机（DCM）技术成熟、速度控制简单，但由于其有换向器和电刷，直流电机驱动系统体积大，效率低，可靠性低且需要定期维护，存在着较大的问题，另外随着电子器件的发展，交流感应
24、电机和永磁电动机将有取代直流电机的趋势；感应电机是应用最广的电动机，结构简单，牢固，可靠性高，成本和维护费用也不高，其驱动技术最成熟，因此，混合动力驱动电机广泛采用感应电动机作为驱动电机。但其损耗高，要不断冷却电机，效率相对于永磁电机和开关磁阻电机也低，这都对感应电机在混合动力电动汽车中的应用有很大的影响；开关磁阻电机(SRM)被认为是混合动力汽车中最有潜力的汽车之一，它具有很多优点。但由于其运行时噪声大，转矩纹波大，难于控制等缺点，特别是功率变换器的结10构很复杂，电流波动和电磁干扰噪声等严重的影响了它的运用性能，加上其控制方法还不够成熟，因此目前的电动汽车很少应用该类电机；无刷直流电动机
25、(BDCM)具有功率密度大，转速和转矩密度高，易冷却的优点，但由于无刷直流电动机采用方波驱动，所以存在一定程度的振动，其控制精度不高；永磁同步电机(PMSM)结构上与无刷直流电动机基本相似，不同之处在于 PMSM 采用的是正弦波驱动，所以在具备 BDCM 优点的同时，还具有低噪声，体积小，功率密度大，转动惯量小，脉动转矩小，高控制精度等独有的特点，特别适用于混合动力电动汽车电机驱动系统，以此达到减小系统体积，改善汽车加速性能和加强行驶平稳等目的。因此，PMSM 受到了全世界各大汽车生产厂家的高度重视，特别是日本在用于电动汽车的 PMSM 结构及其控制方法上做了大量研究，并取得了显著的成果。著名
26、的丰田 Prius 混联式混合动力电动汽车采用了额定功率为 33kw 的 PMSM，日本 Nissan 公司的 Altra EV 使用了额定功率为 62kw 的 PMSM，混合动力电动汽车 Insight 采用了额定功率为 10kw 的 PMSM 等。 综合考虑各种电机的功率密度、效率、可控制性、可靠性、成熟性、成本等因素，永磁电机随着技术成熟和成本减低，将是最受欢迎的。因此，研究基于永磁电机的混合动力电动汽车的驱动系统，将在保证汽车行驶里程的前提下，缓解传统汽车排放对环境的危害以及对石油资源的过度消耗，这一研究将有深远的意义。1.4.2 混合动力电动汽车用永磁同步电机控制系统的发展现状 在蓄
27、电池技术没有取得突破的情况下，为了满足电动汽车高速运行，混合电动汽车用永磁同步电动机的效率及功率密度是一个很重要的指标，弱磁性能也是电动汽车用永磁同步电动机研究的另一个重要方面。 电动汽车用永磁同步电动机属于调速电机，供电电源是变频器。日本的本田公司电动汽车EVPLUS 中的永磁同步电动机转子采用了表面插入式结构。日本丰田公司的 Prius 混合动力车中的两台永磁同步电机转子采用内置径向式结构。 目前，在电动汽车驱动系统的控制器选择上，电机专用数字信号处理器(DSP)占了主导地 位。电动汽车中电力电子器件主要采用智能功率模块(IntelligentPower ModuleIPM)。早期的交流调
28、速采用变压变频（VVVF)速度开环的方式，但这种调速方式是基于电机稳态模型的，在动态过程中磁链和转矩的变化并没有实现很好的控制，所以动态性能比较差，难以满足高性能调速的要求。1971 年德国的 F.Blaschke 和美国学者 P.C.Custman 等人提出交流电机磁场定向控制理论和定子电压坐标变换原理，在此基础上发展起来的矢量控制是交流调速史上的一次质的飞跃。矢量控制是一般应用 PMSM 系统中采用的优良的控制方式。1985 年德国鲁尔大学教授 M.De Penbrock 和日本教授 I.Takahashi 分别提出了直接转矩控制 (DTC)方法，其中 M.De Penbrock 教授提出的 DTC 是基于六边形磁链轨迹的，而 I.Takahashi 教授提出的 DTC 则是基于圆形磁链轨迹的。直接转矩控制技术采用空间
