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1、杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业论文本科毕业设计（2015届）题 目纯电动汽车驱动控制系统的仿真模型开发学 院信息工程学院专 业电气工程及其自动化班 级11093113学 号11931322学生姓名章炳杨指导教师赵晓丹完成日期2015年6月诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文浮法玻璃熔窑系统数据分析与模型辨识均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日摘要当前，各国政府大力推进纯电动汽车的研究与开发。随着纯电动汽车的大力发展，如何对高性能纯电动汽车快速高效的开发成为了新的课题。高性能纯电动汽车的研
2、发，关键在于蓄电池技术、电机及其控制技术、电动汽车整车技术以及能量管理技术等多项电动汽车关键技术的发展。电机是电气驱动系统的核心, 电机的性能、效率及其控制技术直接影响电动汽车的性能。因此，本论文以纯电动汽车为对象，利用仿真分析方法，对控制纯电动汽车驱动电机系统的增量式PID控制算法相关理论与方法进行研究。本文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机数学模型。在此基础上，基于仿真软件 MATLAB/Simulink，建立纯电动汽车
3、异步电机控制系统的仿真模型，探讨该算法对三相异步电机控制的影响。关键词：纯电动汽车；三相异步电机；PID控制算法；建模仿真ABSTRACTAt present, the governments vigorously promote the research and development of pure electric vehicles. With the development of pure electric vehicles, how to develop the high performance of pure electric vehicles quickly and effici
4、ently has became a new subject. Research and development of high performance of pure electric vehicle, the key lies in the development of battery technology, motor and its control technology, electric car vehicle technology and energy management technology. The motor is the core of electric drive sy
5、stem, performance, efficiency of the motor and its control technology directly affect the electric vehicle.Therefore, the pure electric vehicle as the object, by using the method of simulation analysis and the control of pure electric vehicles drive motor system of the incremental PID control algori
6、thm theory and method to study. Through a comparative study of the drive motor for reasonable selection of drive motor to meet the design goals of the reasonable selection and parameter and matching provides a basis; the driving motor mathematical model analysis, gives the torque and motion equation
7、s, voltage equation, flux equation, and different coordinate system three-phase asynchronous motor mathematical model. On this basis, based on MATLAB/Simulink simulation software, the establishment of pure electric vehicle induction motor control system simulation model and discuss the algorithm of
8、three-phase asynchronous motor control effect.Keyword: Pure electric vehicle; three-phase asynchronous motor; PID control algorithm; Modeling and simulation目 录第一章 绪论41.1 本课题主要研究的目的、意义41.2 本课题主要研究的背景51.2.1 电动汽车的发展概况51.2.2 纯电动汽车驱动控制系统研究61.3 驱动控制系统的工作原理及存在的问题71.4 纯电动汽车电机驱动系统的种类与比较81.5文研究的主要内容9第二章 纯电动汽车
9、驱动电机模型的建立112.1 异步电机的物理模型112.2 异步电机的数学模型.132.2.1转矩方程132.2.2运动方程142.2.3电压方程142.2.4电动机的磁链方程15第三章 PID控制原理183.1常规PID控制183.2增量式 PID 设计193.3 增量式PID控制在三相异步电机中的改进193.3.1积分环节的改进193.3.2微分环节改进20第四章 纯电动汽车用交流异步电机矢量控制方法及仿真214.1 MATLAB2013b软件介绍214.2矢量控制原理和异步电机控制模型224.3参数设置254.4仿真结果分析254.5结论26第五章全文总结与展望295.1总结295.2展
10、望29致谢30参考文献3129第一章 绪论1.1 本课题主要研究的目的、意义目前，各国政府都在推进纯电动汽车的研究。随着纯电动汽车日益受到各界的关注，对高性能纯电动汽车的开发成为了新的研究重点。高性能纯电动汽车的设计，关键在于蓄电池技术、电机及其控制技术、电动汽车整车技术以及能量管理技术等电动汽车技术的研究。电机是驱动系统的心脏, 电机的性能及其控制技术直接影响电动汽车的性能。因此，在发展高性能和高效率电机的同时，加强其控制技术的研究，对提高纯电机汽车的性能将具有重要的作用。在当前的研究中，发现传统 PID控制算法简单、鲁棒性好和可靠性高，不依赖于被控对象的精确模型，只需了解对象的响应特性就可
11、通过仿真设计出相对应的控制器，因而它的设计方法不复杂，可行性高，从而较多的应用于工业过程控制，特别是适用在一些可以建立精确数学模型的控制系统中。随着传统PID控制的应用日益增多，其不足的方面也日益突出，如PID控制器参数的整定问题等。当整定参数一旦收到确定，在整个PID控制过程中都将是一成不变的。而实际应用中，由于电机系统机理复杂，具有多输入、多输出的强耦合性、参数时变性和严重的非线性特性等，因此，采用常规 PID 控制难以使电机系统获得满意的控制效果。与此同时，在纯电动汽车的设计周期中，由于计算机仿真技术可对各子系统设置的参数进行灵活修改，各个模块也可重复使用，从而可有效缩短纯电动汽车的研发
12、周期、提升纯电动汽车的各种性能，并以此加快纯电动汽车的投入生产的日期。因此，本论文以纯电动汽车为对象，利用仿真分析的方法，对纯电动汽车的整车及与电机控制的相关理论与方法进行了仿真研究，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，有效地提高了电机的动态特性，对实现电机的良好控制有着良好的作用。同时，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、运行效率以及能源经济性具有良好的作用。1.2 本课题
13、主要研究的背景1.2.1 电动汽车的发展概况电动汽车的发明与使用有一百多年的历史，Robert Davidsson于1873年发明了第1款的纯电动汽车，该电动汽车动力采用了不可充的化学电源作为动力电池。1882年，Ayrton 和JOHN Perry组装了第一辆以铅酸蓄电池为动力源的纯电动三轮车，标志着可循环充放电的化学电源动力纯电动汽车进入了真正的实用化阶段，这项关键技术的突破对于当时的电动汽车而言意义十分重大。随着石化燃料资源的逐渐枯竭和环境污染问题，内燃机汽车的固有缺陷和局限性问题，逐渐引发了世界各国的广泛关注。 由于以电力为主要动力的纯电动汽车电力来源的可持续性和对环境零排放的友好性，
14、逐渐成为各国关注的焦点，掀起了研究热潮。（1）电动汽车在国外的发展概况从上世纪末开始，在工业方面有快速发展的的西方发达国家通过对纯电动汽车的研究与开发来以此解决能源短缺、环境污染和气候变暖问题。美国拥有世界上规模较大的汽车生产商，例如通用汽车公司。与此同时，美国的汽车的生产量也日益增多。因此，电动汽车(Electric vehicle)的研究是美国乃至许多发达国家科技战略的风向标，并为此投入巨额资金和人力研究纯电动车。为了使纯电动汽车在保持原有的绿色环保概念以外，在汽车性能方面更加出色，美国依次推出了PNGV、Freedom CAR、AVP 这三项计划。而在另一边的欧洲，法国政府也相继推出了“
15、Predit 2002-2006”等补贴计划。日本由于其国土资源少，因此是能源短缺的工业大国，日本国相当的注重电动汽车事业的发展，同时日本在动力电池技术方面处于全球领先水平。1996年丰田公司推出了日本第一辆燃料电池电动车，并且从1997年开始量产混合动力方面的汽车，成为当时绿色能源技术领域和世界电动汽车产业化的领军企业。目前各个发达国家政府相继推出多项政策大力扶持大型汽车生产商进行电动汽车的研究工作，同时也制定出多项环保和节能法规鼓励电动汽车的研发，采用税收优惠和政府补贴来促进消费者对电动汽车的购买欲望。（2）电动汽车在国内的发展概况中国是当今世界上最大的发展中国家，中国拥有世界上最大的生产
16、力，被称为“世界工厂”，由于工业的发展日益加快，环保问题也因此突显，所以我国对绿色环保的纯电动汽车的发展也是相当的重视。自1985年以来，我国开始重视电动汽车的发展。其中，在上海燃料电池汽车动力系统有限公司和同济大学的合作下，燃料电池骄车研发在上海落下帷幕；依托清华大学和北京客车厂，燃料电池大客车的工作开展在北京；依靠东风电动汽车公司的发展，奇瑞和长安公司的加入，混合动力电动汽车在武汉正式开展了一系列的研发；由一汽集团和东风电动汽车公司利用各自的底盘技术进行开发作为依托，把混合动力电动汽车地盘设计研发任务安排在武汉和长春；北京电动车辆股份有限公司和天津清远发电有限公司在北京和天津联合开发纯电动
17、汽车。中国纯电动，混合动力和燃料电池汽车的集成技术，电力系统集成技术、组件技术在政府的支持下，在技术上取得了显著的成果。同时，中国正在建设中的专利战略和技术标准，使具有自主知识产权的新能源汽车产业有了更加可靠地支持。1.2.2 纯电动汽车驱动控制系统研究电动机是电动汽车的心脏，电动机控制系统主要操作为：采用主动或被动，或两者相结合的方式，在电动机控制系统的控制下，使车辆上的动力电池高效率地转换为汽车在行驶中的动能，或将汽车在行驶过程中减速制动的动能转化为可储存的电能，即实现电能-机械能和机械-电能的相互转换。因此，纯电动汽车的加速性、最高车速、行驶里程长度、爬坡性能、能量转换性能取决于其驱动系
18、统的控制方案。（1）国外纯电动汽车驱动控制系统研究现状由于欧美和日本在较早发展了工业革命，因此在电动汽车领域方面早已经有了长久的系统研究，其相对的成果也领先世界各个发展中国家，这些成果体现在以下几个方面：第一方面，技术相对较成熟。国外几大著名的汽车制造商都在开展对纯电动汽车驱动控制系统的研究工作，如永磁同步电动机驱动控制系统（丰田）、EV1车型直流电机驱动控制系统（通用公司）。总体而言，在电机驱动控制系统领域，几大汽车制造商拥有比较丰富的经验，电机驱动控制器的硬件和软件开发较为完善、成熟度高和可靠性好。其产品的实际性能经受了市场的考验，研究和开发的驱动控制策略比较完善，其节能性好、驾驶性能优越
19、。第二方面，行业竞争与学习机制。在良好且具有极大潜力的纯电动车市场背景下，各个汽车企业都在投入研发、积极制造或者购买和纯电动车相关的汽车驱动控制系统。由于市场的推动，市场上提供驱动控制器的设计方案有很多种类型，如 RICARDO，FEV，AVL以及其他企业，类似的公司有很多成功可借鉴的经验。 第三方面，驱动控制器设计的标准化。为提高发展效率，增加驱动控制器的通用性。逐渐制定标准，可以使全球汽车制造商不断的整合交流，如通用全球汽车制造商、半导体和软件系统公司、零部件供应商等共同建立了“汽车开放系统架构联盟”，形成了AUTOSAR标准。(2) 国内纯电动汽车的驱动控制系统现状目前，高校作为基础纯电
20、动汽车驱动控制器的研究和开发的主要机构，但在国家“863”计划的实施下，高校与国内外企业合作交流，推动了纯电动汽车驱动控制系统在国内的研究和发展。目前，国内整体发展水平与国外相比差距很大，尤其是创新水平不高和生产能力不足，国外驱动控制器相对国内成熟度高，国内企业在实际生产中大多喜欢国外公司生产的产品驱动控制器。同时，与驱动控制器的硬件配套的软件以及软件开发工具基本依赖国外进口。1.3 驱动控制系统的工作原理及存在的问题在车辆行驶过程中，驾驶员获取环境信息、车辆状况信息后，根据自己的驾驶经验，通过操纵系统，对车辆输入自己的驾驶指令，使车辆按照自己的意图行驶。在这里，把这样的一个系统称为人一车一路
21、系统，如图1-1。和传统燃油汽车一样，在电动汽车的行驶过程中，其动力输出也是通过加速踏板来控制的，从人的感官出发，驾驶员直观的控制对象并不是驱动系统输出的动力，而是车辆行驶速度，如果车速不能达到驾驶员的预期车速，驾驶员就会继续改变加速踏板位置，直至达到控制标为止。图1-1人一车一路系因此把电动汽车看作一个整体，以车辆行驶速度为最终的，控制目标，通过控制驱动系统的输出转矩来实现驾驶员的驾驶意图由车辆行驶平衡方程可知，驱动系统的动力输出与车辆的行驶状态之间存在着对应关系，在平直良好路面、无风环境下，这种对应关系是一一映射的关系，驾驶员可以通过操纵加速踏板控制驱动系统的动力输出，由于非线性因素对车辆
22、行驶状况的影响，系统必须采取闭环控制。因此，建立了如图1-2模型，以此作为电动汽车电机驱动系统的控制模型即以实际车速与目标车速之间的偏差，作为输入量，其输出为转矩给定值T g，矢量控制模块按照这个转矩给定值控制驱动电机的动力输出。图1-2 电动汽车驱动系统控制模型原理图由于数据库是不完善的，所以多多少少存在一些问题。目前，国内企业和研发机构的纯电动汽车在小批量生产科研和调试阶段，由于实验参数和基础数据库不完善，直接影响了纯电动汽车驱动控制器的设计水平，总体水平相对国外较低。其具体表现在。第一，基于数据库不完善。由于研究时间有限和整体数据资源整合还在起步阶段，对于科研和研发至关重要的拘束数据库尚
23、不完善。第二，产品依赖国外技术，不利于工业化生产。纯电动汽车开发中，国内驱动控制器的软件和硬件大多依赖国外技术，国内技术机构仅仅在早期阶段研制，和实际生产应用缺乏经验，这些原因都不利于工业生产。第三，系统的可靠性和稳定性有待提高。我国数字集成芯片制造能力非常有限，技术不过关，生产能力不够。所以即使国内各研发机构和企业可以完成驱动控制器的设计与组装，但控制器的驱动程序的还需要改进，方向为提高可靠性和稳定性。第四，驱动控制器的通用性、连续性和复用性比较差。目前，国内研发机构和企业在驱动控制器的设计制造中，各个标准的定义和规范都不相同的，导致产品的通用性、连续性、和复用性较差，只能自己小批量生产，无
24、法大批量生产。1.4 纯电动汽车电机驱动系统的种类与比较对纯电动车进行驱动，首先要了解驱动系统类型及其特点。一般来说，纯电动汽车驱动系统，主要按电动车驱动电动机分类，目前驱动电动机系统主要有几大类：直流型电动机（无刷直流，Brushless DC Motor 和有刷直流，Brush DC motor）、异步电动机（Asynchronous motor）、磁阻开关电动机（Switched reluctance motor）和永磁同步电动机（Permanent magnet synchronous motor）等。不同的电动机驱动系统有不同的特点，在电动汽车驱动系统选型时，要考虑到这些不同特点以便
25、满足电动车的设计要求。电动汽车在行驶过程中，对于不同的道路工况，经常性的启动、加速和减速、爬坡和急停等，这就要求驱动系统能很好的响应这些要求。对驱动系统基本要求主要在：第一，瞬时功率要大、带负载的启动性能好、抗过载能力强和寿命长；第二，可靠性要好，可适应苛刻环境下长寿命工作；第三，体积要小，重量要轻，以减轻整车重量，提高能量经济性指标，而以下是针对不同驱动系统电动机特点的控制方式：(1) 直流电动机（DC Motor）直流电动机的控制系统（DC Motor Control System）6由于其转速特性和机械特性可分为，电枢调压控制（Armature voltage control）、磁场控制
26、（Magnetic field control）和电枢回路控制（Armature circuit control）。电枢调压控制是改变他励电动机电枢端的电压来实现控制功能，可实现在宽广范围内的连续平滑速度控制，调速比可达 1:30。磁场控制是通过调节电机的励磁电流改变极磁通量来实现调速功能，该方法控制效率高，但调速比小（不超过 1:3）。电枢回路控制通过改变电枢回路的电阻来实现调速，该方法调速的机械特性较软，且电机运行不稳定，适用于要求不高的小型电机。(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
27、，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
28、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 magne
29、t 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，
30、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
31、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。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
32、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
33、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
34、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。图2-1 三相异步电机的物理模型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、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，两相静止绕组和，它们在空间互差90度，通以时间上互差90度的两相平衡交流电流、，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
35、M与T，其中分别通以直流电流和，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。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、，静止两相坐标系下、和旋转两相坐标系下的直流和是等效的。这样，通过
36、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。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
37、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： (2-1) 电磁转矩等于磁共能的变化率（电流不变），机械角位移，则： (2-2)根据上述两式可得： (2-3)将和、的代入上式并整理得： (2-4)2.2.2运动方程电动机的机械运动方程为： (2-6)其中，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。2.2.3电压方程定子三相绕组的电压
38、平衡方程为： (2-7) (2-8) (2-9) 转子三相绕组折算到定子侧的电压平衡方程为： (2-10) (2-11) (2-12) ，分别三相定子电压；，分别为三相定子电流；，分别为三相转子电压；，分别为三相转子电流；，分别为三相定子磁链； ，分别为三相转子磁链；，分别为定转子电阻。把上面两个式子写成矩阵形式，并用代替微分算子得到： (2-13)向量表示为：。2.2.4电动机的磁链方程各绕组磁链是其自身自感磁链，从而可用矩阵表示六个绕组的磁链方程： (2-14)用向量可表示为： ,其中 是66的电感矩阵，现对该矩阵的各元素分析如下：（1）对角线的各元素,分别为各个绕组自感；与各绕组相交链的
39、磁通对其划分，可分为两类：只与其中一相绕组交链，但保证不穿过气隙的漏磁通；穿过气隙的主磁通。假设两相平行的绕组的互感为,而设为绕组的漏感。因定转子绕组匝数对其进行折算后相等，即从而转子三相绕组的自感；定子三相绕组的自感；（2）非对角线的元素分别为定转子绕组的互感、定子与转子绕组的互感，定子绕组在位置上角度固定相差，由此可得到三相定子绕组间的互感为： (2-15)同理，可得到三相转子绕组间的互感为： (2-16)由于定转子各绕组间的夹角为变量，所以对于定子和转子的绕组间的互感而言，该互感参数将转化为关于角位移 的函数，从而定转子间的互感可表达为： (2-17) (2-18) (2-19)根据以上
40、的讨论，将式（2-12）写成分块矩阵为： (2-20)其中在系数矩阵的元素中，元素、 为对称的常数矩阵；但元素、间的关系为：由于、是三角函数的矩阵，因此其值比较复杂，但、完全满足互为转置关系，因此该特点十分值得利用。由于系统的强耦合非线性特性可利用、的余弦函数矩阵进行表达，因此异步电机可控制非线性。将式（2-12）代入到式（2-10）, 对其进行展开后可得到如下的向量形式为: (2-21)式中， 为电动机的旋转角速度（用电角度表示）。根据推导得出三相异步电机的数学模型3，由式（2-7）、（2-8）、（2-11）组成的数学模型。可见异步电机的强耦合性主要表现在转矩和磁链方程上。电机的定、转子绕组
41、相互耦合，定、转子电流相互耦合，其根源在于电感的影响。由于电机在三相静止坐标系下的动态数学模型是一个高阶、非线性 、强耦合的复杂系统 ，为一组时变参数 的非线性微分方程组不便于分析与应用。在此给出变换到两相同步旋转坐标系下的数学模型4。电压方程如下： (2-22)式(2-18)中是定子电压矢量d轴分量，是q轴分量；定子自感，定子互感，转子自感；定子电流d轴分量，为q分量；为转子磁链的轴分量；是定子电阻，为转子电阻；为转子旋转转速；为转差角频率；是基本微分算子。由式(2-18)得： (2-23) (2-24)其中：，是转子时间常数。 稳态时有： (2-25)变换式(2-21)得： (2-26)转
42、矩方程： (2-27)式 (2-23 )中：为磁极对数。运动方程为： (2-28)式(2-24)中：为电机转动惯量；为阻转阻尼系数；为电磁转矩；为负载转矩；为转子机械转速。式(2-20)，(2-23)，(2-24)便构成了异步电机在同步转速旋转坐标下的矢量控制基本方程5。综上所述，本章研究分析了电机的数学模型，对纯电动汽车的各种驱动电机进行了比较研究，为纯电动汽车驱动系统中驱动电机的合理选型，以及为纯电动汽车驱动系统的合理匹配提供了依据。第三章 PID控制原理3.1常规PID控制PID控制器（Proportion Integration Differentiation.比例-积分-微分控制器）
43、，由比例单元 P、积分单元I和微分单元D组成6。通过Kp， Ki和Kd三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统，归纳为数学模型即 (3-1)式中，为比例系数；为积分常数；为微分常数；为控制常量。离散化的 PID 控制表达式： (3-2) (3-3)式中，为第k次采样时刻的计算机输出；为第k次采样时刻输入的偏差量；为积分系数，为微分系数。 (3-4) (3-5)在PID控制器中，比例环节的作用是对偏差做出快速反应。偏差时，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向发展。积分环节的作用是把偏差的积累作为输出。只要偏差存在，积分环节将不断发生作用，即使不加控制
44、常量，也可消除系统输出的静态误差和增加系统的相应速度与超调量。微分环节的作用是根据系统的变化速度阻止偏差的变化，偏差变化越快，输出量就越大。微分环节可以减少超调量，克服振荡。但它对输入的噪声量也非常敏感，所以在微分环节起作用之前要对输入信号进行滤波。3.2增量式 PID 设计式（3-2）或式（3-3）给出的是直接从连续控制过程离散出来的PID控制方式，它给出了全部控制量的大小。下面推导出以控制量的增量为输出的增量式PID控制算法8。根据式（3-3）可以得到第k-1时刻的输出值为： (3-6) (3-7)其中， ， ， 。该增量式 PID 控制算法与常规PID控制算法相比，它具有如下优点：第一，
45、只输出控制增量，对系统的工况影响小；第二，控制切换时冲击量小；第三，中不需要累加；第四，量小。可在一定程度上克服常规PID控制缺点，提高三相异步电动机的工作效率.3.3 增量式PID控制在三相异步电机中的改进3.3.1积分环节的改进在三相异步电机控制系统中，由于控制系统的硬件有约束，控制量的输出变化范围有限。若增量式 PID控制算法的输出控制量超出该范围，实际执行的控制量将不再是计算值，从而产生饱和现象。在电机的启动、刹车或大幅度增减设定值时将容易引起饱和效应。为了减少饱和效应对三相异步电机控制的影响，可以对增量式PID控制中的积分环节做适当的改进，如使用积分分离法9，即当被控量与给定值间的偏差超过一定范围时，去掉积分环节，从而尽可能地消除饱和作用的影响。当被控量与给定值的偏差落在给定范围内时，重新引入积分环节，又可利用积分环节消除静态误差。具体实现方法为：在积分环节中引入一个系数，假定一个偏差量X，的取值