1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 电动汽车直接转矩控制系统分析与设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 由于世界能源危机和环境污染的加重，清洁环保的电动汽车 (EV)逐渐成为人们主要研究开发的对象。 直接转矩控制技术是二十世 纪 80 年代中期发展起来的一种对电机控制的新技术。它是继矢量变换控制技术之后发展起来的的一种新型的高性能的交流调速传动的控制技术，以其新颖的控制思想和简洁的系统及优良的动静态性能得到了迅速的发展。本论文主要研究和分析直接转矩控制基本原理，并利用图形仿真工具 MATLAB/simulink 完成了对直
2、接转矩控制系统的近似六边形磁链控制方法的仿真实验。 在仿真中分析了 不同负载 转矩对系统控制性能的影响， 对仿真结果进行了具体分析，验证了近似六边形磁链直接转矩控制方法（ DSC）的可行性和有效性。 关键词： 电动汽车 直接转矩控 制 DSC MATLAB II Analysis and Design of DTC Systems in EV Abstract As the world energy crisis and increasing environmental pollution, clean environmentally friendly EV increasingly beco
3、me the object of major research and development. DTC is a new developed technology for motor control in the mid-80s of twentieth century. It is a new type of high-performance control of AC variable speed drive technology developed after the vector control technology, its innovative ideas and simple
4、control system and excellent static and dynamic performance has been rapid development. In this thesis, analysis of the basic principles of direct torque control, and using graphical simulation tool MATLAB / simulink completed a direct torque control system of the approximately hexagonal flux contro
5、l of simulation experiments. In the simulation of the different load torque control performance of the system on a concrete analysis of the simulation results verify the approximate hexagonal flux direct torque control (DSC) the feasibility and effectiveness. Keywords: EV DTC DSC MATLAB III 目录 摘 要 .
6、 错误 !未定义书签。 ABSTRACT . 错误 !未定义书签。 1 绪论 . 1 1.1 背景 . 1 1.2.1 电动汽车的优势 . 1 1.2.2 电动汽车发展状况 2-5 . 1 1.3 电动汽车驱动系统中各种电机性能比较 . 2 1.4 直接转矩控制的常用方法 . 4 1.4.1 电动汽车的驱动系统 . 4 2 直接转矩基本理论 . 7 2.1 交流异步电机的数学建模 . 7 2.2 异步电机空间矢量等效电路 . 8 2.3 坐标变换 . 9 2.3.1 坐标变换的基本思路 . 9 2.3.2 三相 -二相变换（ 3/2 变换） . 10 2.3.3 静止两相 -旋转两相正交变换（
7、 2s/2r 变换） . 12 2.4 逆变器的数学模型及空间电压矢量 . 13 2.5 电压空间矢量 PWM（ SVPWM）控制技术（磁链跟踪控制技术） . 17 2.5.1 Park 矢量变换 . 17 2.5.2 电压空间矢量对电机转矩的影响 . 20 3 直接转矩系统 MATLAB/SIMULINK 仿真 . 21 3.1 MATLAB SIMULINK 仿真软件介绍 . 23 3.2 异步电机的 MATLAB 仿真 . 25 3.3 定子磁链观测模型对直接转矩控制（ DTC）性能的影晌 . 27 3.3.1 u-i 模型 . 27 3.3.2 i-n 模型 . 28 3.3.3 u-
8、n 模型 . 28 3.4.1 转矩计算模型 . 29 3.4.2 转矩调节器 ATR . 29 3.5 磁链自控单元 . 30 4 直接转矩控制仿真结果 . 31 IV 4.1 各个模块的仿真及结果 . 31 4.2 仿真结论 . 36 5 参考文献 . 37 6 致谢 . 错误 !未定义书签。 附 录 . 39 电动汽车直接转矩控制系统分析与设计 1 1 绪论 1.1 背景 电动汽车具有低噪声、零排放、高效率、节能及能源多样化和综合利用等显著优点 , 成为各国开发的主流。电动汽车的发展有赖于技术的进步 , 尤其是需要进一步提高其驱动系统的性能 。 电动汽车是一个新的行业，虽然已发展了几十年
9、，但在我国基本上还是一个 新生事物，按其发展可分为以下三种类型，即纯电动汽车（ PEV） 、混合动力汽车（ HEV）以及燃料电池电动汽车（ FCEV）和派生出的一种外接充电式混合动力汽车（ Plug in）。丰田、通用、日产、雷诺等世界大汽车公司以及我国的众多汽车公司都纷纷规划电动汽车的发展方向，推出各种电动汽车。 电动客车的相关技术在国际上还是处于比较领先的位置，但电动轿车与国外相比较还基本上处于同一水平上，所以加大对电动汽车相关技术的研究和资金投入、还有相关政策上的资助是在我国大力发展电动汽车的关键所在。 1.2.1 电动汽车的优势 电动 汽车与传统的燃油汽车相比较其最大的优势在于其运行成
10、本，普通轿车每一百公里它的消耗为 7 升，按现在 93 号汽油的油价 6.23 元计算，约为 43.61元 /100Km.，而电动汽车按每度电 0.6 元，经测算约为 13.25 元 /100Km。举个例子如比亚迪纯电动汽车，快速充电站充电小时可充电 57 度，可行驶达 300 公里，每一百公里只要 11.4 元，奇瑞生产的一款纯电动汽车，一次充电可续行里程 120150 公里，每百公里仅耗电 811 度，每百公里仅仅只要 6 元 1 。电动汽车的运行成本只是普通轿车的三分之一，所以在运行费用方面 电动汽车是相当竞争力的。还有，电动汽车的制造成本及技术要比传统的燃油汽车价格更低。第三，电动汽车
11、的售后服务工作建设比如建设充电站和对电池的更新换代技术等等。最后国家对电动汽车的大力扶持和相关的优惠政策，电动汽车在我国及世界范围内的发展潜力无穷。 1.2.2 电动汽车发展状况 2-5 丰田、通用、日产、雷诺等世界大汽车公司以及我国的众多汽车公司都纷纷制订电动汽车发展计划，推出各种电动汽车。 目前，日本已经开发出了一些比较成熟的电动汽车。例如日本庆应义塾大学 2004 年与 38 家企业合作，开发出了时电动汽车直接转矩控制系统分析与设计 2 速可达 370 公里的 电动汽车“ E liica”。三菱汽车公司 2009 年 6 月宣布开发出轻型电动汽车“ i-M iEV”。它采用高性能锂电池，
12、一次充电可以行驶 160 公里，充电需 7 小时，如使用快速充电器，约 30 分钟就可充电 80%。 但由于电动汽车中的电池及快速充电等相关技术这些汽车的价格要比普通燃油汽车高出很多。技术及成本问题是电动汽车发展普及所面临的最大障碍。一次充电的最大行驶距离提高至 300 公里，将大大促进电动汽车的推广和普及。日本有关人士认为，由于电动汽车价格高昂，且相关基础设施不完备，所以目前仍不能完全普及，电动汽车产业高速发展 尚需时日。 德国政府于 2009 年 8 月颁布了“国家电动汽车发展计划”，目标是至 2020年使德国拥有 1 100 万辆电动汽车。欧盟轮值主席国西班牙首相萨帕特罗 2010年表示
13、，作为未来经济发展战略的一个组成部分，欧盟将出台计划大力推动电动汽车的研发和使用。法国总统萨科齐在 2008 年的巴黎国际车展上宣布，政府会投入 4 亿欧元，用于研发新能源汽车。 与发达国家相比，中国发展电动汽车虽稍晚，但在这方面正迎头赶上西方同行。比亚迪、吉利、东风、长安等汽车厂家开始顺势而上，大力发展电动汽车。比亚迪是我国发展电动汽车的排头兵，已推 出了新能源车 F3DM 双模混合动力电动汽车和纯电动汽车 e6，并积极筹划把这两款车投放到欧洲市场。 e6 纯电动汽车，一次充电能跑 330 公里，没有任何污染排放，车体大，适合作公务用车和出租车，而且这款车动力强劲，造型和四轮驱动的设计都非常
14、符合潮流。 2009 年以来，受国家政策导向影响，我国许多省市纷纷鼓励本地企业增加投资、扩大电动汽车产能，仅上海、重庆、吉林、北京四省市 2012 年的规划产能就达近 50 万辆。虽然国内电动汽车取得了一定成绩但是中国纯电动汽车的发展存在多方面的问题：整车产品在续驶里程、可靠性和工程化上 仍落后于国外先进产品：电池的安全性、可靠性、使用寿命等还不能满足整车要求；电机、电池所需部分部件、材料需进口，同时控制器基础硬件、高速 CAN 网关和信号处理放大部件等也依赖进口；电动附件还没有成熟的产品可用，成本高并依赖进口。 1.3 电动汽车驱动系统中各种电机性能比较 在电动汽车电机驱动系统中主要用到的电
15、机有直流电机和异步电机，也有新型的永磁无刷电机和开关磁阻电机。早期电动汽车驱动系统多采用直流电机驱动系统但是随着对交流电机控制技术的发展，因交流电机很多优越性，电动汽车的电机主要朝异步电机发展。现介绍各种电机 性能 6如表 1-1 所示。 电动汽车直接转矩控制系统分析与设计 3 表 1-1 各种电机性能 直流电机 异步电机 永磁无刷电机 开关磁阻电机 优点 控制简单，只要电压控制，动态调速性良好，不需要检测磁极位置，小功率电机制造价格低，技术成熟。 结结构简单，造价低，质量小，体积小，运行可靠，转矩脉冲小，噪声低，转速极限高，不需要位置传感器，调速范围大，转矩波动小，维护简单，控制技术成熟。
16、体积小，重量小，响应快，功率和能量密度高，低速输出转矩大，效率高，维护简单。 结构简单，效率高，启动转矩大，适合高速运行，价格低，免维护。 缺点 有电刷和换向器，结构复杂，不适合高速，大转矩运行，效率低，环境适应性差，维护难，容量增大造价大幅增加且制造困难。 控制复杂，容量小时效率降低，制动困难。 高速运行时比交流电机复杂，需检测转子磁极位置，永磁体有退磁问题，造价偏高。 噪音大，输出转矩脉冲大。 电动汽车与其它电力拖动系统不同，它需要经常变换运行方式，尤其在城市行驶状态下，这就要求电机驱动系统响应迅速、调速范围宽、性能稳定。从表 1-1 可以看出，在采用合适的控制策略条件下，永磁无刷电机，交
17、流异步电机都能满足这种要求，而开关磁阻电机，直流电 机，相对来说有些不足，另外开关磁阻电机由于转矩波动和电机噪音过大，在电动汽车中没有获得广泛的应用。永磁无刷电机具有相对比较高的功率密度，它的控制方式和感应电机基本相同，这种电机具有较高的能量密度和工作效率，其体积小、惯性低、体积小响应快，很适合于电动汽车的驱动系统，但其缺点也很显然，即驱动电路过于复杂，成本过高，还处于实验阶段。目前在电动汽车领域中应用较多的是异步电机，它主要的优点是性能稳定、调速范围较宽。鼠笼异步电机质量小，结构及维护简单，其运用在电动汽车上的传动效率高于 82，在同样电池容量的情况下，大 大提高了电动汽车的持续续航能力。通
18、过对各种电机的性能进行比较，本次论文设计将选定用异步电机作为电动汽车直接转矩控制的对象。 电动汽车直接转矩控制系统分析与设计 4 1.4 直接转矩控制的常用方法 传统的直接转矩控制 ,利用磁链和转矩滞环比较的方式实现了对定子电压的直接控制 ,避免了坐标变换的繁琐 ,简化了控制系统。但是 ,这种控制方式在一个控制周期内 ,只有一个 7-8电压矢量作用在电机上 ,这就导致了控制过程中转矩脉动大 ,低速性能不理想、采样频率要求较高等缺点 ,即使采用多级滞环或离散空间电压矢量调制的方法 ,仍难以从根本上解决这些问题 ,因此限制了直接转矩控制 技术在电力机车低速段的控制性能。常见的直接转矩控制方法有：
19、（ 1）基于定子磁链直接转矩控制 9-12： 将电磁转矩的设定值与反馈值的误差通过 PI 调节器 ,输出一个为消除转矩误差所需要的转差角频率 (定、转子相对角速度 ) 1s ,与转速的反馈值通过叠加可以获得定子在下个周期的平均角转速 ,算出下周期定子磁链的角度。根据给定的磁链目标值并结合反馈值 ,通过磁链方程可求出作用在逆变器上的电压矢量。 （ 2）基于开关表的直接转矩控制 13-16： 永磁同步电机直接转矩控制系统施加 的电压可通过开关表、 PI 调节器和滑模变结构控制器得到。目前研究和应用较多的是基于开关表的直接转矩控制系统。 （ 3）基于电流励磁直接转矩控制方案 17-19： 此方法能减
20、小铜耗和转矩脉动 , 但是它是基于 d - q 坐标变换 ,对转矩的动态响应慢。采用六个布尔数值的组合来实现逆变器的控制 , 即每个布尔数值控制对应的功率管。 1.4.1 电动汽车的驱动系统 电动汽车的驱动是由电机代替传统的内燃机，根据驱动电机数目，可以把电动汽车的驱动方式归结为单电机和多电机方式 20。 1 单电机有传动系统如图 1-2 所示。 电动汽车直接转矩控制系统分析与设计 5 12 、 3594图 1-2 单电机有传动系统 其结构特征为： （ 1） 电机代替发动机 （ 2） 仍采用燃油汽车传动系统 （ 3） 有电机前置前桥驱动和电机前置后桥驱动等各种驱动模式 （ 4） 结构复杂，效率低，不能充分发挥电机最用 2 单电机无传动系统如图 1-3 所示。 59M6图 1-3 单电机无传动系统 其结构特征为： （ 1） 在电机的前盖处装置变速器，差速器等驱动总成，形成电机 -驱动桥组合驱动系统 （ 2） 有电机前置前桥驱动和电机后置后桥驱动等驱动模式 （ 3） 结构紧凑，效率高 3 单电机无差速器系统如图 1-4 所示。
