车汽电路驱动系统分析--大学毕设论文.doc

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1、汽车电路驱动系统分析系 、 部： 学生姓名： 专 业： 班 级： 完成时间： 摘要第一章 绪论1.1 课题背景及意义1.1.1 混合动力汽车电驱动系统电机选择1.1.2 电驱动系统控制策略综述第二章电驱动系统及其控制策略分析2.1 混合动力汽车电驱动系统的分析 2.1.1电驱动系统的需求分析 2.1.2电驱动系统参数匹配及电机选型2.2 电驱动系统控制策略分析 2.2.1 转子磁场定向矢量控制框图 2.2.2 电流控制策略的分析2.3小结第三章 电驱动系统硬件电路分析 3.1 电驱动系统硬件电路总体结构 3.2 主电路的分析 3.3 控制单元的分析 3.4 采样电路 3.4.1 电压采样电路

2、3.4.2 电流采样电路 3.4.3 转子位置和转速采样电路 3.5 系统保护电路 3.5.1限流启动保护电路 3.5.2 过流保护电路 3.5.3 故障综合电路 3.6小结第四章 总结与展望 4.1 总结 4.2 展望参考文献谢辞9I摘 要混合动力汽车(HEV)融合了电动汽车和燃油汽车的优点，具有低排放、低油耗、高性价比的优点，很好地解决了节能和环保问题。电驱动系统作为混合动力汽车的重要组成部分，在混合动力汽车中起着十分重要的作用，对其进行研究具有重要的理论和实践意义。论文围绕混合型动力汽车电驱动系统展开，分析电驱动系统的需求，研究电驱动系统的控制策略，主要任务是电驱动系统的硬件设计和软件设

3、计。论文首先分析了混合动力汽车电驱动系统的特点及需求，比较各种电机的性能及特点，针对电驱动系统的需求，选定最大转矩/电流比控制与弱磁控制相结合的控制策略，并将矢量控制、电压空间矢量脉冲宽度调制以及闭环控制应用于永磁同步电机，设计了全数字式电驱动控制系统。AbstractCombining the advantages of Electric Vehicle (EV) and engine-driven vehicle,Hybrid Electric Vehicle (HEV), which having characteristics of low pollution and lowfuel

4、consumption, becomes a good solution to energy saving and environment protection. As a main component of HEV, electric drive system plays an important role in HEV. So, the study of electric drive system has great theoretical and practical significance.This paper focuses on electric drive system of H

5、ybrid Electric Vehicle. Based on the analysis of electric drive system of HEV, the control strategies of electric drive system have been researched. The main task is designing the hardware and software of electric drive system.Firstly, the characteristics and demand of the electric drive system of H

6、EV is analyzed. By comparing the performance and the characteristics of several kinds motor, the 3-phase, 4-pole PMSM (TYBZ-1500-160L-4) is selected as the motor drive. The proper current control strategies of electric drive system are chose. Vector control technology, SVPWM technology and feedback

7、control theory are applied to the control of PMSM. According to this, all digital electric drive control system is designed.ii第一章 绪论1.1 课题背景及意义传统燃油汽车是造成目前石油危机和环境问题的主要因素之一，据研究显示，全球每年石油产量的近一半是被拥有庞大数量的车辆消耗掉的，城市中的大气污染的主要来源是汽车排放的尾气。尽管世界各国政府针对环境问题制定了严格的排放规章，各大汽车公司研发的一些排放新技术在一定程度上提高了燃油利用率，但这只是一个治标不治本的方法。随着

8、探明原油的不断减少，直接推动了代用燃料和燃料经济性的研发工作，新能源汽车的开发越来越成为各国政府与汽车生产商关注的焦点。近年来，随着电力电子技术以及数字控制技术的飞速发展，电机伺服技术迎来了变革性的发展，尤其是交流伺服系统。交流伺服技术的发展大大的增加了交流伺服系统在车辆驱动中的应用，推动了电动汽车研究的热点。电动汽车以车载蓄电池为能源，可以实现零排放。车载蓄电池的潜在能源可以是风能、太阳能等能源，因此，电动汽车似乎是一个很好的解决方案。不过由于车载蓄电池技术的限制，电动汽车的续航能力不是很强，无法满足要求。被誉为“未来汽车发展方向”的燃料电池汽车（经过多年的研究，虽然取得了一定的进展，但目前

9、达到的水平与传统燃油车还有相当的差距，短时间内不具备商业化的条件。对于我国而言，开发混合动力汽车具有相当重要的意义。它不仅是实现解决我国能源依赖进口以及保护生存环境的重要途径，同时，对于远远落后于世界汽车产业发展的中国汽车业来说或许是一个极好的缩短差距的机会。1.2 混合动力汽车电驱动系统电机选择20 世纪 90 年代以来，作为新能源汽车三大主流技术之一的混和动力汽车，在欧美及日本等发达国家得到了高度的重视，发展相当迅速。在 2001 年“十五”863 电动汽车重大科技专项的推动下，相继有多家科研机构和汽车厂商开展了混合动力汽车的研究与开发，并且取得了一定的成果。经过多年的努力，我国已经具备相

10、当的混合动力汽车的研发能力，实现了相关技术自主创新。电驱动系统的高效率是保证油电混和动力汽车节油减排的关键，而驱动电机的性能直接影响着电驱动系统的效率。因此，驱动电机选择的一个重要指标就是电机具有较高的效率。目前在混合动力汽车电驱动系统中，可以选择的驱动电机种类很多，在高性能驱动控系统中常采用的电机有永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Machine, PMSM）、异步电机（Induction Machine, IM）、直流电机（DC electric Machine, DCM）、开关磁阻电机（Switched Reluctance Machine,SRM）

11、等几种。1.3 电驱动系统控制策略综述如前所述，电驱动系统是否有高效率将直接影响混合动力汽车的性能，决定其节油减排的能力，因此，对电驱动系统的控制尤为重要。对电驱动系统的控制实质上就是对驱动电机进行控制。电动汽车和混合动力汽车通常以永磁同步电机作为其电驱动系统的驱动电机，这是因为永磁同步电机在功率密度、转矩特性、噪声、控制精度等方面所具有的优势，使其在电动汽车驱动方面具有很高的应用价值。永磁同步电机在分类上属于同步电机，因此其数学模型及控制方法与交流同步电机相同，即变压变频（VVVF）控制。但是变压变频控制在高性能要求的电机控制系统中无法满足控制的要求，一些高性能的控制方法与控制策略先后被提出

12、。在 20 世纪 70 年代，矢量控制技术被引入到交流伺服控制系统中。经过80 年代探索性的实践阶段，矢量控制与磁场定向等控制方法被引入到永磁同步电机控制应用中，随着研究的深入，电机控制系统的性能有了显著的提高。随着现代电力电子技术以及微电子技术的飞速发展，尤其是高性能、高集成度的电机专用控制 DSP 芯片的出现，使数字式矢量控制的电机驱动系统的出现和应用成为可能。随着电动汽车驱动技术的研究，永磁同步电机为驱动电机的电驱动系统的研究更加深入，已经不仅仅局限于电机的控制策略，还涉及到数字实现方法、控制策略算法、PWM 波形的产生方法等方面。与此同时，一些新的电机控制方法以及现代控制理论被逐渐的纳

13、入永磁同步电机控制的研究范围，无传感器控制、直接转矩控制、滑模控制、模糊控制以及神经网络控制等先进的控制方法不断的被引入到电机驱动的研究之中。第二章 电驱动系统及其控制策略分析2.1 混合动力汽车电驱动系统的分析混合动力汽车有两套驱动装置，发动机以及电驱动系统，其中电驱动系统根据需要可以做发电运行对蓄电池充电，也可以以蓄电池为能源做电动运行对外输出转矩或功率。因此，电驱动系统是混合动力汽车的重要组成部分，它的效率和性能将直接影响到整车的性能。混合动力汽车对电驱动系统的要求为高效率、实时性、高可靠性。2.1.1电驱动系统的需求分析项目中混合动力汽车采用的是并联式结构。电驱动系统是以车载蓄电池为能

14、源的，因此，对电驱动系统的分析首先应重点考虑电驱动系统在整车中扮演的角色，即电驱动系统的运行状态。2.1.2 电驱动系统参数匹配及电机选型电驱动系统主要是由控制器、电机、蓄电池、逆变器以及一些外围设备构成。电驱动系统的性能很大程度上取决于驱动电机的选择。电驱动系统驱动电机的选择需要综合考虑电机效率、噪声、运行平稳度、大小和重量等因素。1.2 节分析了各种驱动电机的优缺点，综合各个因素，选择永磁同步电机作为电驱动系统的驱动电机。在确定了电机种类之后，就需要具体的选择电机的型号了。电机具体型号的选择依赖于电驱动系统容量以及控制要求。根据项目要求，蓄电池采用的是 12 个镍氢电池组，容量为 6.5A

15、H，电压为 12V，总电压为 144V，电机的额定功率要求为 15KW，额定转速为 1500rpm左右，并且能够输出较大的转矩。根据这些要求，永磁同步电机选用浙江中源电气有限公司的 TYBZ-1500-160L-4 型三相 4 极永磁同步电机，其额定功率为15KW，额定电流为 31A，额定电压为 380V，频率为 50HZ，定转速为 1500rpm，额定转矩为 95.5 Nm。该电机采用稀土永磁材料，磁场强度大，启动转矩大，启动电流小，调速范围宽，功率因数接近 1，十分符合混合动力汽车对电动机性能的要求。2.2 电驱动系统控制策略分析电驱动系统的控制是对驱动电机转速和转矩进行控制。根据电机拖动

16、原理可知，电机输出的电磁转矩是转速的决定因素，只要控制电机的电磁转矩就可以决定电机的转速。根据磁场定向矢量控制原理可知，在电机其它参数为常量的情况下，控制电机电流 便可控制电磁转矩。因此，电驱动控制系统的控制策略归根结底就是电流的控制策略。2.2.1 转子磁场定向矢量控制框图根据反馈控制原理，对需要进行控制的量引入反馈量。由于电机的转速为控制的目标，因此，将给定转速信号与通过传感器检测到的反馈转速进行比较，经过转速调节器（PID 调解器）达到转速跟随给定以及决定电流的目的。采用适当的电流控制策略控制电流经过电流反馈以及电流调节器达到跟随给定电流变化以及控制转矩的目的。这就是双闭环矢量控制的基本

17、原理。 2.2.2 电流控制策略的分析电驱动系统在额定转速以下输出大转矩低转速，而在额定转速以上输出恒定的功率。最大转矩/电流控制充分利用了由于电枢反应不对称而产生的磁阻转矩，相对其它电流控制策略来说，在输出相同转矩时定子电流最小，有效地降低了电机定子铜耗带来的损耗以及有利于逆变器开关器件的工作，提高系统的效率。在逆变器容量不变的情况下最大限度的提高了混合动力汽车的启动加速及低速爬坡能力，十分符合电驱动系统在恒转矩区的控制要求。电驱动系统选取额定转速以下时最大转矩/电流控制、在额定转速以上时弱磁控制相结合的混合电流控制策略。既充分发挥了逆变器的能力获得高效率的转矩控制，又满足了系统宽调速范围的

18、要求。2.3小结电驱动系统需要运行于恒转矩区以满足车辆启动、加速等情况对大转矩的需求，而当车辆在高速运行时，电驱动系统需要输出恒功率。基于数学模型建立转子磁场定向矢量控制框图，实现了定子电流和转矩的解耦。结合电驱动系统的需求，确定了最大转矩/电流控制和弱磁控制相结合的控制策略。第三章 电驱动系统硬件电路分析3.1 电驱动系统硬件电路总体结构作为混合动力汽车重要组成部分的电驱动系统，不仅需要高效率，而且在控制精度、实时性等方面都有很高的要求。系统采用数字式设计方案，是通过软件来对驱动电机以及系统的其它部分进行控制的，但系统的硬件电路部分是整个系统能够稳定运行的基础。硬件电路是软件与电机、功率单元

19、连接的桥梁，软件通过硬件电路获取驱动电机的运行状况，如转速转角、电流、电压等信息，然后才能进行相应的控制算法运算实现对驱动电机的控制。因此，硬件电路在整个控制系统中起着相当重要的作用，硬件电路的设计在一定程度上影响着系统的可靠性、稳定性、控制精度。系统硬件电路的总体结构如图所示。主要可以分为几个部分：主电路、控制单元、采样电路以及系统保护电路。系统的各个电路部分都是相互作用、紧密相连的，以控制单元为中心，分别完成不同的功能。采样电路实现对电机状态信息的采样，控制电路根据控制指令和采样得到的反馈信息进行控制算法的运算，控制主电路的功率逆变单元以产生可变压变频的三相交流电，实现对驱动电机转速和转矩

20、的精确控制。系统保护电路采集系统的异常信息供控制单元分析，以达到对整个电驱动系统保护的目的。3.2 主电路的分析与设计主电路是由车载蓄电池、功率逆变单元和驱动电机构成的。车载蓄电池通过功率逆变单元向驱动电机供电，驱动电机通过充电装置向蓄电池回馈能量，因此主回路是电驱动系统的能源回路，其中，逆变单元是主电路的关键。根据项目要求，直流蓄电池为镍氢电池组，其总电压为 144V。功率逆变单元采用先进的智能功率模块（Intelligent Power Modules, IPM），可以实现电源高效的逆变，降低逆变过程的损耗。3.3 控制单元的分析控制单元是电驱动系统的核心，由数字信号处理器（DSP）及其外

21、围电路构成。经过比较分析，DSP 芯片选用专用于电机控制场合的 TMS320LF2407A，它集成了电机控制中常用的硬件，可以简化电机驱动控制系统的设计。此外，其高运算速度的特点能够很好的满足复杂的控制算法的要求。3.4 采样电路采样电路主要完成电机状态信息的采样，并转换为 DSP 能够处理的数字信号。采样电路是电驱动系统反馈环节的重要组成部分。采样电路的精度直接影响着矢量控制算法的准确性，进而影响电驱动系统的控制精度。由于 DSP 集成了A/D 转换模块，因此采样电路只需要完成对目标信号的采样并转换为电平信号。采样电路包括电压采样电路、电流采样电路、位置/速度采样电路。3.4.1 电压采样电

22、路电驱动系统采用的是电压空间矢量脉冲宽度调制技术，逆变器输出的电压取决于直流侧母线电压。此外 SVPWM 算法中也需要使用进行计算。因此，电压采样是对直流侧母线电压进行采样。由于蓄电池电压为 144V，因此，电压采样电路采用 LV25-P 霍耳效应电压传感器，其测量范围是 10-500V，能够满足电压采样的要求。LV25-P 是利用霍尔效应和磁平衡原理来进行电压采样的。其工作原理是根据磁平衡原则，副边电流回路产生的磁场对原边电流回路产生的磁场进行平衡补偿。当原边电压发生变化时，电流值大小改变破坏磁场平衡状态，霍尔元件感应出磁场变化产生霍尔电势。霍尔电势流过副边线圈使副边电流发生变化，副边磁场与

23、原边磁场重新达到平衡。副边电流能够精确反应原边电流的变化情况。因此选择合适的原边电阻和副边电阻就能准确地测量母线电压。传感器输出的电流信号经过电阻转变为电压信号。采样到电压信号要送入 DSP 的模块，因此需要对采样信号进行滤波。使用电压跟随电路可以达到信号隔离的作用。采样信号送入 A/D 模块的 ADCIN0。电压采样电路如图 所示。3.4.2 电流采样电路参与矢量控制算法运算的电机电流是和，它们是利用转子位置通过对定子电流进行坐标变换运算得到的。电流采样电路是对定子三相电流进行采样，因为驱动电机采用星形连接方式，因此定子电流只需要采样两相即可。电驱动系统要求电流采样电路有较快的响应速度和高采

24、样精度，因此选用霍尔电流传感器设计电流采样电路。霍尔电流传感器工作原理和霍尔电压传感器相同，只不过原边输入为电流信号。由于驱动电机的额定电流为 31A，考虑到一定的过载能力，系统选用 LA200-P 型霍尔电流传感器，其测量范围为 0 3 00A，能够满足电流采样的要求。如图 4-8 所示为 A 相电流采样电路，霍尔电流传感器输出信号经电阻转化为电压信号，其后是一个电压跟随电路，然后经过低通滤波电路以及 LF353电压偏置电路得到 03.3V 的电压信号，经过限幅之后直接输入到 DSP 的 A/D 转换输入口 ADCIN1(B 相电流输入到 ADCIN2)。3.4.3 转子位置和转速采样电路电

25、驱动系统的直接控制对象是驱动电机的转速和转矩，转速和转子位置直接反应当前驱动电机的运行状态。转子磁场定向矢量控制是以转速作为系统的控制目标，实现对转速的跟踪，因此，只有准确的反应当前的驱动电机转速状态才能有效地实施矢量控制算法，实现对转速的控制。转速和转子位置的反馈值对电驱动系统的控制精度和稳定性有很大的影响。需要采用高效率的采样电路实现对转速和转子位置的采样。由于 TMS320LF2407A 集成有光电编码接口电路，它可以直接和光电编码器相连，通过编码器输出的脉冲检测出电机的运动方向及转速，因此，系统选用增量式光电编码器测量电机位置及转速。3.5 系统保护电路当电驱动系统发生异常时，系统应该

26、具有处理异常的能力。这对于那些可能对整个系统造成损害的异常或故障来说尤为重要，因此，设计了系统保护电路。系统保护电路需要快捷且准确的异常或故障，并执行相应的保护动作，达到保护系统的目的。系统保护电路是提高系统可靠性的保障，而且还能有效地保护电机和 IPM 功率单元。3.5.1限流启动保护电路电驱动系统主回路启动瞬间，电机磁场还没有建立起来，反电势很小，导致产生很大的电机启动电流。如果没有任何的保护措施的话，太大的启动电流会对驱动电机和 IPM 功率模块产生很大的冲击，甚至造成严重的损害。因此，必须对电机启动作特殊的处理，减小其启动电流。通常的做法是在主回路中串联一个电阻值较大的限流电阻 R。但

27、是当电驱动系统进入稳定状态后，电阻将造成很大的损耗，极大降低系统的效率，因此应当及时地切除主回路中的限流电阻。如图所示，即为限流启动保护电路原理图，在限流电阻两端并联一个继电器常开触点，电驱动系统启动时，限流电阻起限流作用。当直流侧电容电压建立起来后，给继电器 KA 线圈通电，其常开触点闭合，达到切除限流电阻的目的。3.5.2 过流保护电路电驱动系统驱动电机能够有一定的过载能力，驱动电机能够在过流状态下运行一段时间，但是如果驱动电机长时间处于过流状态时，会产生较大的温升，对电机以及功率器件造成严重的损坏，所以需要设计过流保护电路，对主回路中的驱动电机以及 IPM 功率模块进行保护。当检测到主回

28、路电流过流时，应立即封锁 PWM 信号，及时的保护驱动电机和功率模块。将电流采样值转变为电压信号与参考值(电流上限对应的电压信号)进行比较，当电流采样值超过上限电流时，电压比较器输出为低电平，光耦 TLP521 导通，经过施密特触发器反向后输出低电平。图为 A 相电流保护电路。3.5.3 故障综合电路系统出现过流、IPM 故障时，系统将不能正常工作，甚至会造成严重的损坏，对于这些故障应及时的中断电驱动系统的运行。为了实现快速的硬件上中断驱动系统的运行，设计了故障综合电路。将各种故障信号通过与门相与得到故障综合信息，当出现任何严重故障时，综合故障信号为低电平，经光电隔离输入到 DSP保护引脚PD

29、PINTA 。PDPINTA 引脚被置为低电平时会立刻封锁 DSP 的 PWM信号，使 IPM 功率单元关断，驱动电机断电停机。故障综合电路能够从硬件上封锁 PWM 信号，最大限度的实现了电驱动系统的保护。3.6小结从硬件电路的功能出发，将硬件电路分为主电路、控制单元、采样电路以及系统保护电路。从控制要求、精度、稳定性等方面出发，选择电机专用 DSP 控制芯片为系统的 DSP 处理器、功率模块选择 。围绕控制单元完成了主电路、采样电路、控制电路及系统保护电路。第四章 总结与展望4.1 总结随着石油资源的日益枯竭、环境状况日益严峻，新能源汽车尤其是混合动力汽车的研发成为了汽车产业发展的热点。电驱

30、动系统是混合动力汽车的关键技术之一。论文针对混合动力汽车(HEV)的电驱动系统进行了深入的研究，通过阅读大量的国内外关于混合动力汽车以及永磁同步电机控制方法的文献，结合项目的实际要求，分析了电驱动系统的需求。4.2展望 随着直接转矩控制技术发展，在高性能电机驱动中应用越来越多。由于直接转矩控制直接控制转矩，比矢量控制通过转速来控制转矩在动态性能方面有很大的提高。近年来，现代控制理论在电机驱动系统中的应用越来越广泛，论文中采用模糊 PID 控制是根据工程人员的实际经验设计而来的，具有一定的局限性，需要更多的实践经验对设计进行修改完善。同时，采用神经网络控制也是电机调速控制研究的一个重要方向。参考

31、文献1陈光林新能源汽车“路径”之争J时代汽车，2008.5，14-192刘鹏汽车驶入节能时代J走向世界，2008.11，80-813王亮新能源汽车前路漫漫J汽车与配件，2008 年第 28 期，414胡桦，宋慧21 世纪交通版高等学校车辆工程专业教材电动汽车（第二版）M北京：人民交通出版社，200652-685范健文电动汽车电气驱动系统J广西工学院学报，2003，14(2)：51-556李兴虎电动汽车概论M北京：北京理工大学出版社，2005167-1717王铁成，代颖，崔淑梅电动车用永磁同步电机研究状况J微电机，2005，38(1)：55-578冯宇，邱相艳，丁红采用神经网络控制的永磁同步电机

32、调速系统J电机技术，2007，2：21-229郝东丽，郭彤颖，贾凯基于神经网络的永磁同步电机矢量控制J电力电子技术，2004，38(4)：54-5510唐任远现代永磁电机理论与设计M北京：机械工业出版社，2005162-206谢辞非常感谢我的论文指导老师-，在忙碌的工作之余对我的毕业论文进行指导。在论文的写作过程中，老师及时指出具体问题、严格把关，无论是选题、论文框架的设计，还是论文细节的修改，得到了张美叶老师很大的帮助，使我的毕业论文顺利完成。同时还要感谢大学时光一起学习的同学们，当我遇到困难时，他们及时给我帮助，在我的论文方面也提出了许多宝贵的意见和建议，对同学们的帮助表示真正的感谢。15