嚴　俊

（1.湖南鐵道職業技術學院　株洲　412001）（2.中南大學信息科學與工程學院　長沙　410075）

1　引言

目前，環境與資源因素已成為制約我國持續發展的瓶頸，因此，大發展電動汽車產業對促進國民經濟的發展具有重要戰略意義。電動車牽引直流電機的控制器是電動車的核心部件之一，對其開展研究具有重要意義［1～3］。

為滿足電動車的大轉矩、再生制動、穩定性、可靠性等要求，電動車一般采用復合勵磁的直流電機作為牽引電機。傳統的控制器對增磁繞組進行簡單的勵磁控制，當車輛需要大轉矩時，利用接觸器閉合使增磁繞組得電從而增磁。此種方式存在兩個不足：一是無法實現電動車從低速到高速運行過程中的自動弱磁；二是控制器因使用接觸器而降低了其工作的可靠性［4～6］。針對傳統控制器的不足，本文設計了一種可依據電動車驅動要求對復合勵磁直流電機進行最優控制的控制器。該控制器將增磁繞組接在電機控制系統的續流回路中，通過此種方式，滿足了電機的弱磁調速的要求。由于避免了接觸器的使用，提高了控制器的可靠性［7～10］。

2　直流牽引電機控制系統

電動汽車直流電機驅動系統簡化電路如圖1所示，電池組電壓為384V，為驅動系統供電。SM為永磁加增磁繞組的復合勵磁直流電機，包括電樞、增磁繞組L1、永磁繞組L2；IGBT1、IGBT2為兩個功率模塊，VD1和VD2是他們的反向保護二極管，另外兩個功率模塊還并聯了一個R、C、VD浪涌電壓保護電路。VD6是再生制動通路二極管模塊，它也并聯了一個R、C、VD浪涌電壓保護電路?？刂茊卧ㄟ^檢測IGBT1功率模塊的輸出電流，再根據加速度信號和制動信號，決定功率模塊的脈沖寬度，進而實現對電機轉速的控制［11］。

圖1　電動汽車直流電機驅動控制系統簡化圖

3　復合勵磁電機的數學模型的建立

依據直流電機電樞電壓與電流之間的關系可得：

式中，L為電機電樞繞組電感，R為電樞繞組電阻值，i為電樞電流，u為電樞兩端外加電壓，E為電樞感應電動勢。

永磁加增磁復合勵磁的直流電機的轉矩M可視為與電樞電流i和轉速n兩個變量存在非線性關系的函數，M=f(i，n)。

為簡化分析，在工作點將函數線性化，可得：

綜合考慮式（1）～（7），永磁加增磁復合勵磁直流電機的線性化結構圖如圖2所示。

圖2　帶增磁繞組的驅動電機結構圖

4　電動汽車驅動控制系統傳遞函數的確定

已知某驅動電機的電樞電阻為0.03835Ω、電樞電感為5mH、電流增益為26；另已知電流傳感器輸出電壓為5V，驅動系統中的保護電路及濾波器時間常數估算為0.02s。依據上述參數，可以構建出圖1所示的電動汽車驅動系統的仿真模型如圖3所示。

圖3　電動汽車驅動控制系統仿真模型圖

依據圖3，寫出控制系統的狀態方程：

5　控制系統的最優設計及仿真分析

根據矩陣A可求出特征值：

很明顯，在狀態反饋之前，控制系統是不穩定的。

線性二次型指標為

對Q取不同的值代入，進而得到了控制系統相應的階躍響應仿真結果。通過比較這些模擬的結果，我們可以找出最佳的Q值。仿真圖如圖4所示。

圖4　最優控制系統仿真圖

如圖4所示，圖（a）顯示控制系統不穩定，因此相應的Q值不適合；如圖（b），系統單位階躍響應是穩定的，但是控制系統的調節時間和超調量較大。

6　試驗驗證

采用圖1的控制系統，進行突加速性能試驗，試驗結果波形如圖5所示。

當采用普通控制時，從圖5（a）中可以看出，當突然加大給定時，電機轉速由最初的速度很難到達給定速度，系統不穩定。當采用最優控制時，從圖5（b）中可以看出，調節時間和超調量較小，系統很快達到了給定的速度并穩定，控制性能好。

7　結語

本文針對傳統電動汽車所存在的驅動難題，采用帶增磁繞組的電機替代普通電機，以滿足電動汽車的大扭矩要求；并運用最優控制思想對驅動控制系統進行設計，大大提高了驅動控制系統的控制性能。試驗結果表明本文所采用的控制系統具有反應快、超調量小、運行平穩等優點。

［1］曹一家，譚益，黎燦兵，等.具有反向放電能力的電動汽車充電設施入網典型方案［J］.電力系統自動化，2011，35（14）：48-51.CAO Yijia，TAN Yi，NICanbing，etal.The network facilities typical scheme of electric car has a reverse discharge capacity of charging［J］.Power system automation，2011，35（14）：48-51.

［2］申超群，王曉侃，孫忠良.電動汽車充電站智能監控系統研究與設計［J］.華東電力，2011，39（6）：1000-1003.SHEN Chaoqun，WANG Xiaokan，SUN Zhongliang.Research and design of intelligentmonitoring system for electric vehicle charging station［J］.EastChina electric power.2011，39（6）：1000-1003.

［3］羅卓偉，胡澤春，宋永華，等.電動汽車充電負荷計算方法［J］.電力系統自動化，2011，35（14）：36-40.LUO Zhuowei，HU Zechun，SONG Yonghua，etal.Electric vehicle charging load calculation method［J］.Power system automation，2011，35（14）：36-40.

［4］MEHDIE，KENTC，JASON S.Rapid-charge electric-vehicle stations［J］.IEEE Trans on Power Delivery，2010，25（3）：1883-1887.

［5］李云雷，張津源.純電動汽車電機驅動系統傳動機構仿真分析［J］.機械工程師，2015（9）：164-167.LIYunlei，ZHANG Jinyuan.Simulation analysis of transmission mechanism of pure electric vehicle motor drive system［J］.MechanicalEngineer，2015（9）：164-167.

［6］崔玉峰，楊晴，張林山，等.國內外純電動汽車發展現狀及充電技術研究［J］.云南電力技術，2010，38（2）：9-12.CUI Yufeng，YANG qing，ZAHNG Linshan，et al.Research on the development status and charging technology of pure electric vehicle at home and abroad［J］.Yunnan electric power，2010，38（2）：9-12.

［7］錢科軍，周承科，袁越.純電動汽車與電網相互關系的研究現狀［J］.電網與清潔能源，2010，26（11）：1-7.QIAN Kejun，ZHOU Chengke，YUAN Yue.Research status of the relationship between pure electric vehicle and power grid［J］.Power grid and clean energy，2010，26（11）：1-7.

［8］李海濱，李雪.電動汽車電機驅動控制系統的發展趨勢探討［J］.電子世界，2015（22）：15-17.LIHaibing，LIXue.Development trend ofmotor drive control system for electric vehicle［J］.Electronicsworld，2015（22）：15-17.

［9］王宇，唐廣笛，王海濱，等.電動汽車電機驅動系統傳導性電磁干擾的抑制［J］.黑龍江科技信息，2016（29）：79-80.WANG Yu，TANG Guangdi，WANG Haibing，et al.Suppression ofelectromagnetic interference inmotor drive system ofelectric vehicle［J］.Heilongjiang Science and Technology Information，2016（29）：79-80.

［10］謝恩，汪兆棟，汪玄旺.電動汽車電機驅動系統速度傳感器故障診斷及容錯控制研究［J］.景德鎮學院學報，2016，31（6）：1-5.XIE En，WANG Zhaodong，WANG Xuewang.Research on fault diagnosis and fault tolerant control of electric vehiclemotor drive system［J］.Journal of Jingdezhen Institute of technology，2016，31（6）：1-5.

［11］劉小春，魏麗君.基于雙向Z源逆變的純電動汽車電機驅動系統［J］.電源技術，2016，40（6）：1273-1276.LIU Xiaochun，WEI Lijun.Pure electric vehicle motor drive system based on bidirectional Z source inverter［J］.Chinese Journal of Power Sources，2016，40（6）：1273-1276.