電動汽車電機驅動控制系統設計研究

陳立峰

摘要：探究電機驅動控制系統的設計原理，對電動汽車電驅動技術長足發展具有深遠意義。其中包含電動汽車電機驅動控制策略的選擇分析、電動汽車動力源的要求以及電動機的幾種主要調速策略。按照所選擇電機的特征，設立了驅動控制系統的操縱模型?；谠隽渴絇I控制算法的理論之上，選擇出合理的工程方案，進而擇取出PI控制系統主要參數值，設計出系統的主要控制程序。

關鍵詞：電動汽車；驅動電機；控制系統

載燃料汽車擁有量的不斷增長趨勢下，汽車給人類帶來了一系列環境污染和石油資源匱乏的問題。由于電動汽車使用過程具有零排放、噪聲低，以及綜合利用能源等優勢，電動汽車將為我國節能環保方面做出巨大貢獻。電動汽車驅動控制技術是制約其發展的關鍵因素。

1電動汽車電機驅動控制系統

最近幾年來，在電動汽車研發和革新上雖然取得一定成就，但仍然遺留急需解決的技術難點。

1）電動車的電池使用年限很短，更新更換頻率大。

2）電池充電過程歷時時常較長，一次充電完成需要耗時610h。

3）電動汽車一次充電完成后，行駛范圍太短。這主要是由于電池比能量低造成的。

4）電動車動力遠遠沒有達到理想效果，技術還不成熟，需要在電動車電機技術以及電機驅動控制系統繼續深入研究。

電力驅動系統、電機、電池等是制約電動汽車長久發展的重要因素。動力傳動系統能夠有效保障車輛的動力性、里程和安全性。尤其現階段電池創新技術尚未得到有效突破的情況下，為了提升電動汽車的里程數，需要在電機驅動控制系統的研究和開發多下功夫，使電動汽車更具實用價值。

2控制系統的基本結構內容

電動汽車的最核心部分是電機驅動控制系統，駕駛員的主要職責是操縱驅動系統，讓電動車電能充分高效能地轉換為汽車的動能，克服行駛過程路面的摩擦阻力。見下圖所示，從功能角度分析，電氣和機械兩大系統都是電動汽車的電機驅動系統。電氣系統是電機驅動控制系統的關鍵環節。系統由電動機、功率變換器和控制器三個關鍵器件組合而成。

3電動汽車電機驅動控制策略

3.1電壓控制策略

如下式直流電機調速系統的特點為（忽略電池內阻情況下）：

Te=CmUdo-Cen[]R

壓力調節器在最大輸出電流極限下呈現機械特性。因受到電壓模式牽制，電壓大的電動車電機輸出功率較大，所需的電樞電流較大。為了保證電機效率有效提升，電樞電路的電阻R小而Ce、Cm大，因此，傾斜角度就越大，代表Te值越大。同時在此種模式下，最大限流區域也就是控制系統的工作集中區域，此外，加速踏板對應控制不同的電壓。另外，一經發現電壓值超過電機反電動勢，控制系統就會向限流控制區域傾斜。電車汽車通常憑借最大扭矩運作行駛，這有別于傳統駕駛特性。

3.2限速策略

傳統的閉環內燃機車控制不同于電動車電機調速，內燃機車面對的行駛摩擦阻力不盡相同，在不同的節氣門開啟時，可以達到最大速度檔位，并利用閉環控制來調節踏板的不同位置，以保證行駛速度的變化。

另外，系統在控制速度模式下的現實情況，盡管電動汽車自身屬于大型的慣性系統，但為了保障電機輸出轉速的快慢能到跟上輸入指令節奏，最大力矩是電機的輸出力和力臂的乘積。當車輛處在行駛狀態時，司機調控命令的輸入以便限制旋轉角度的更多踏板變化形式。當電動車正常運行過程中，由于路面的振動顛簸導致踏板發生輕微錯位。這種輕度的錯位避免不了地導致車輛以加速度和減速度繼續運行，同時客戶乘坐舒適度感覺會大大削弱。此外，在窄小道路行駛需要緩慢進行或者需要駕駛員微調接近于零的電動機速度方可通過，此時會受到駕駛員的反應速度和現有的操縱限制，并且閉環速度控制難以完成。

3.3力矩限制戰略

對于永磁直流電機系統，轉矩控制電流負反饋系統。電動汽車的驅動電機系統可以直接輸入轉矩從而掌控踏板指令，且電流傳感器能及時檢查電樞電流的閉環控制。在理想功率條件下，永磁直流電動機的轉矩和轉速特性與線速度軸平行。

它的曲線方程是：

Te=CmId

式子中：Id——電動機電樞電流。

4電機驅動器的軟件設計方案

軟件系統是EV電機驅動控制器設計的重點，它將控制算法、控制邏輯和整個硬件系統資源結合起來，實現控制功能。該軟件完成了各種控制算法、控制策略和運行過程。電機驅動控制器軟件的設計包括PI控制算法和PI控制參數設計，PWM輸出編程，主控制程序設計和中斷程序設計。

4.1完成實現PI控制算法

上圖是電機控制系統控制器PI算法模塊的程序流程。

系統運行時，首先從CAN總線采集PI控制器的參數數據，每秒鐘中斷一次定時器完成PI控制計算，控制參數繼續調整。通過對PWM控制單元的參數變化，LPC2119調整輸出PWM波形的占空比，完成實時控制任務。在正常情況下，輸出控制增量在相對較小的范圍內波動，最終實現穩定控制。因此，程序指定輸出增量的上限Umax數值和下限Umin數值。

4.2調整PI控制器的參數值

PI控制器參數的選取直接關系到控制效果的好壞。建立PI參數的方法有多種，可分為工程設定法和計算整定法。理論計算的調整方法需要已知過程的數學模型，計算復雜，工作量大，可靠性低，需要重復現場標定。所以這個項目沒什么用。項目調整方法不需要預先知道數學模型的過程，可以直接在控制系統中進行調整。這種方法簡單，易于操作。所謂的臨界比例法是常用的。在一個封閉的控制系統中，調節器處于一個純比例的作用下，逐漸從調節器改變振蕩過程，這個比值被稱為臨界值，相鄰兩個峰之間的間隔稱為振蕩臨界周期。此時應注意比值系數k和臨界振蕩周期r。根據ZieglerNichols提供的經驗公式，可以用不同類型的控制器參數獲得兩個參考參數。

表中的控制器參數是通過實際衰減1/4獲得的。一般認為1/4衰減可以認為是速度快和穩定性能好。數字PI控制是一種準連續PI控制，采樣周期遠小于控制對象的時間參數?；诖耍玫搅四M調節器的整定方法。原則上，數字PID調節器也是適用的。

5結語

工作人員通過實驗研究電機系統設計方案，電機驅動控制的電樞電流閉環控制策略。開始成立驅動控制系統中數學模子?；诖四Ｐ偷幕A之上，確立PI控制算法，抉擇出PID控制器的參數，規劃主控制模板的主要程序。

參考文獻：

[1]陳清泉.現代電動汽車技術[M].北京：北京理工大學出版社，2002.

[2]李鐵才.電機控制技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2000.