纯电动汽车异步电机毕业设计(3)

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(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。

1.5文研究的主要内容

本文以纯电动汽车为对象，利用仿真分析的方法，对纯电动汽车电机控制的相关理论与方法进行了仿真研究，其主要研究内容包括：

(1) 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

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机数学模型在此基础上，基于 MATLAB/Simulink 仿真平台，建立了电机控制系统的仿真模型；

(2) 对PID控制和矢量控制方法的相关理论与方法进行了研究，并基于模糊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、运行效率以及对能源的经济性具有良好的作用；

(3) 基于系统仿真MATLAB/Simulink，对纯电动汽车异步电动机的控制系统建立仿真模型，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，有效地提高电机的动态特性，对实现电机的良好控制有着良好的作用。

综上所示，本章对国内外电动汽车的发展，驱动控制系统研究现状进行了介绍和概述，并对纯电动汽车的电机驱动系统的工作原理进行了分析。同时，给出了本论文的主要研究内容与研究的目的和意义。

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第二章 纯电动汽车驱动电机模型的建立

驱动电机及其控制技术是纯电动汽车的关键技术之一，纯电动汽车电机驱动系统与其它的电力驱动系统不同，它有其特殊的要求：

(1)要求能频繁的启动、停车、加速、减速，以及良好的扭矩控制动态性能； (2)运行速度在一个更广泛的范围，纯电动汽车驱动系统应该在恒转矩和功率区内工作，在同一时间内也要有更高的效率；

(3)在坏的工作环境时，要求工作可靠。

在设计纯电动汽车的电机驱动系统时，考虑纯电动汽车对其驱动系统的特殊要求，从而对于驱动系统来说，选择电机和设计变流器与控制器，都需应对这些特殊要求进行考虑。目前纯电动汽车按照电机种类划分，常用驱动系统可分为：交流感应电动机系统、永磁同步电机、直流电机和开关磁阻电动机系统四类。

各种控制算法应用于纯电动汽车驱动电机时，为了探讨控制算法对电机控制的影响，需对驱动电机进行相关的讨论，从而首先需选定纯电动汽车的驱动电机，再确定驱动电机控制的参数，最后建立其仿真的模型。

2.1 异步电机的物理模型

异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，在研究其数学模型时所做的假设分别为：第一，忽略空间谐波，认为三相绕组对称，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布；第二，忽略磁路饱和影响，认为各绕组的自感和互感都是恒定的；第三，忽略铁芯损耗；第四，不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响。

图2-1为矢量控制中异步电机的物理模型。其中，定子三相绕组轴线A, B, C在空间是固定的，以A轴为参考坐标轴，转子绕组a，b，c随转子旋转，转子a轴和定子A轴之间的电角度?为空间角位移变量[1]。

BUbbωaθACc

图2-1 三相异步电机的物理模型

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对于交流电机三相对称的静止绕组A，B，C，通过三相平衡的正弦电流iA、iB、iC时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势F，它在空间呈正弦分布，以同步转速ω顺着A-B-C的相序旋转。

由电机学可知，在两相、三相、四相等多相对称绕组中通以多相对称电流时，都能够产生旋转磁动势，其中以两相最为简单，两相静止绕组α和β，它们在空

i间互差90度，通以时间上互差90度的两相平衡交流电流i?、?，也可以产生旋转磁动势F，该磁动势与三相对称的静止绕组A，B，C所产生的磁动势的大小和转速都相等时，即认为二者是等效的。

两个匝数相等且互相垂直的绕组M与T，其中分别通以直流电流im和it，产生合成磁动势F，其位置相对于绕组来说是固定的。让包含两个绕组在内的整个铁心以同步转速旋转，则磁动势F自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。如果这个磁动势的大小和转速与三相对称的静止绕组A，B，C所产生的磁动势的大小和转速都相等时，也认为二者是等效的。

根据旋转磁场等效的原则，经过三相两相变换和旋转变换等矢量变换，使三相交流电机的三相绕组和直流电机的直流绕组等效，从而能模拟直流电机控制转矩的方法对交流电机的转矩进行控制，这就是矢量变换控制。

iC，iB、按照上述分析，以产生同样的旋转磁动势为准则，三相坐标系下的iA、

i静止两相坐标系下i?、?和旋转两相坐标系下的直流im和it是等效的。这样，通过坐标变换，可以找到与交流三相绕组等效的直流电机模型[2]。

qiaAFdifcic

图2-2 二极直流电机的物理模型

图2-2所示为二极直流电机的物理模型，它可以等效为交流三相绕组的电机。图中F为励磁绕组，A为电枢绕组，C为补偿绕组。F和C都在定子上，只有A在转子上。把F的轴线称为直轴或d轴，主磁通的方向就在d轴上，A和C的轴线则称为交轴或q轴。由于电枢磁动势的轴线始终被电刷限定在q轴位置上，好

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像一个在q轴上静止的绕组，但由于它不切割磁力线且与d轴垂直，故而对主磁通影响甚微，所以其主磁通基本上唯一地由励磁电流决定，使直流电动机的数学模型比较简单，这也是直流电机的数学模型及其控制系统比较简单的根本原因。

如果能将异步电动机的物理模型等效地变换成类似直流电机的模式，分析和控制问题就可以大为简化。坐标变换正是按照这种思路进行的，而不同电机模型之间彼此等效的原则是，在不同坐标系下所产生的磁动势相同。

2.2 异步电机的数学模型.

2.2.1转矩方程

由机电能量转换原理，在线性电感的条件下的多绕组电机中，磁共能和磁场的储能为：

1T1TWm?i??iLi (2-1)

22?Wm?电磁转矩等于磁共能的变化率（电流不变），机械角位移?m?，则：

??mnpTe?根据上述两式可得：

?Wm??mi?const?np?Wm??i?const (2-2)

?01T?Te?npi?2??Lrs????将iTTT??i8ir?Lsr????? (2-3) 0????和Lsr、Lsr的代入上式并整理得：

(2-4)

1?T?Lsr?Te?np?is?iAia?iBib?iCic?sin???is?npLm??2?????iAia?iBib?iCic?sin???120???iAia?iBib?iCic?sin???240???2.2.2运动方程

电动机的机械运动方程为：

Te?TL?Jd? (2-6)

npdt其中Te，TL，J，np分别为电机的额定输出转矩、负载转矩、转轴上总的转动惯量和极对数。

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