電動(dòng)汽車(chē)雙輪驅(qū)動(dòng)差速控制

遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第頁(yè)1緒論1.1課題背景及選題意義電動(dòng)汽車(chē)，如清潔能源，節(jié)能，低噪音和能源多樣化，是公認(rèn)的解決未來(lái)能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題的最有效的工具之一，在世界上，各國(guó)政府，企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的所有國(guó)家的關(guān)注。中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相差不大，而目前的格局是一種罕見(jiàn)的為中國(guó)汽車(chē)制造業(yè)的發(fā)展機(jī)會(huì)，并加強(qiáng)研究和開(kāi)發(fā)，以生產(chǎn)出達(dá)到當(dāng)代國(guó)際水平并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電動(dòng)汽車(chē)，是國(guó)家的利益所在。電動(dòng)汽車(chē)最明顯的優(yōu)勢(shì)是快速準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)矩控制，如果不能充分利用這點(diǎn)，電動(dòng)汽車(chē)的性能難以在與其他新能源汽車(chē)的競(jìng)爭(zhēng)中獲得絕對(duì)優(yōu)勢(shì)（如在能源消耗方面，柴油混合動(dòng)力汽車(chē)會(huì)更低）。通過(guò)實(shí)現(xiàn)和超越傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)性能的智能控制的電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，不僅只是在簡(jiǎn)單的動(dòng)力源替換，尤其是配備多個(gè)電機(jī)的電動(dòng)車(chē)。由于其特殊的布置形式而在提高汽車(chē)操縱穩(wěn)定性方面具有令人矚目的潛力[1-2]。在本文中，采用雙電機(jī)前輪的電機(jī)進(jìn)行了研究。無(wú)刷雙饋電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并分別對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電機(jī)牽引、汽車(chē)操縱穩(wěn)定性控制、差速控制策略問(wèn)題進(jìn)行深入的研究。本論文一方面研究電動(dòng)汽車(chē)無(wú)刷雙饋電機(jī)牽引控制問(wèn)題，提出針對(duì)性地控制結(jié)構(gòu)與控制策略，另一方面以提高操縱穩(wěn)定性為目的，研究?jī)蓚€(gè)牽引電機(jī)的協(xié)同控制，研究成果既具有理論意義亦有工程應(yīng)用的可能。1.2電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展概況1.2.1國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀從1970年起，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)在商業(yè)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用電動(dòng)汽車(chē)方面投入了巨資。到20世紀(jì)90年代，美洲和歐洲國(guó)家都相繼制定并嚴(yán)格執(zhí)行[3]關(guān)于汽車(chē)尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。在美國(guó)大力發(fā)展純電動(dòng)汽車(chē)需要很長(zhǎng)的時(shí)間，需要的投資也非常大。早在1991年，在美國(guó)創(chuàng)建了先進(jìn)的電池聯(lián)盟是由三大汽車(chē)公司共同簽署了一項(xiàng)協(xié)議而成立的，這個(gè)聯(lián)盟是共同合作和研發(fā)汽車(chē)電池去供應(yīng)電動(dòng)型汽車(chē)。在1990年初，為了發(fā)展ev-i型純電動(dòng)汽車(chē)美國(guó)通用汽車(chē)公司投資近10憶美元，這種汽車(chē)車(chē)大容使用鉛酸電池和鎳氫電池，具有137馬力、3相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，最大的時(shí)速可高達(dá)80km/h，一次性充電可行駛的里程為75~130km，完整的充電時(shí)間為5.5~6h。之后通用公司新建設(shè)了電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)。2002年福特公司在市面上推出了全新的THINK都市車(chē)。這種汽車(chē)采用了前輪驅(qū)動(dòng)，運(yùn)用的是交流電的控制系統(tǒng)和單速齒輪減速傳動(dòng)裝置，還有別的充電設(shè)備可以選擇，在內(nèi)的插入式充電器為標(biāo)準(zhǔn)配置分別為110V或220V，220V的充電設(shè)備可以在6~8h之內(nèi)將電池充滿(mǎn)[4-9]。在日本，電動(dòng)汽車(chē)已受到各個(gè)領(lǐng)域的關(guān)注，日本在1997年后的一些制造商就開(kāi)始銷(xiāo)售第二代純電動(dòng)型汽車(chē)，這種汽車(chē)裝配了鎳氫和鏗離子電池。在近20世紀(jì)末，日本的豐田公司研發(fā)出了裝備RAV-4EV型純電動(dòng)轎車(chē)，這種汽車(chē)的動(dòng)力裝配是一臺(tái)不用維修護(hù)理的功率為50kw的交流同步電動(dòng)機(jī)，汽車(chē)的電力的支持是由88V鎳氫電池供給的，充電的時(shí)間為5~6h，最高的速度是125km/h，通過(guò)一次性充電能行駛的距離215km。隨后日產(chǎn)公司成功的研制出一款采用鏗離子電池為主動(dòng)力的LunnetEV五座純電動(dòng)轎車(chē)，一次性充電可行駛多達(dá)230km并且最高車(chē)速為120km/h。閃耀在第16屆國(guó)際電動(dòng)車(chē)展會(huì)上的新型電動(dòng)車(chē)—“Prius”，它是由豐田公司研發(fā)的，至今在日本國(guó)內(nèi)、美國(guó)、歐洲分別銷(xiāo)量達(dá)3.5萬(wàn)輛、1萬(wàn)余輛、1萬(wàn)余輛。歐洲也投入力量大力發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)。法國(guó)在電池、電子控制和電機(jī)技術(shù)等電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)方面位于全球前列，法國(guó)的電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)最具優(yōu)勢(shì)，在整個(gè)的歐洲共有電動(dòng)汽車(chē)的數(shù)量為12000輛，而單單法國(guó)所擁有的數(shù)量就占據(jù)了這個(gè)歐洲的63%。在1971年，德國(guó)成立了城市電動(dòng)車(chē)交通公司(GES)，1991年國(guó)家投入了300輛電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行運(yùn)行。1.2.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)正式對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的研制始于1981年，自從20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)家支持研發(fā)的關(guān)于電池技術(shù)和電動(dòng)汽車(chē)的項(xiàng)目數(shù)量達(dá)十余項(xiàng)；機(jī)械部主辦了關(guān)于電動(dòng)型汽車(chē)的發(fā)展戰(zhàn)略研究會(huì)；中美合作簽署了電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)相關(guān)的戰(zhàn)略協(xié)議；在中國(guó)的汕頭、南澳島開(kāi)通了國(guó)家電動(dòng)車(chē)專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)區(qū)，并擁有世界各國(guó)多種先進(jìn)的車(chē)型。目前，我國(guó)已自主開(kāi)發(fā)出多種型號(hào)的電動(dòng)汽車(chē)，中國(guó)首輛電動(dòng)轎車(chē)于2001年6月也在湖北東風(fēng)汽車(chē)公司問(wèn)世。近600輛由我國(guó)自主研發(fā)的新能源汽車(chē)在北京2008年奧運(yùn)會(huì)時(shí)得到了成功使用。2010年的上海世博會(huì)，各場(chǎng)館使用了大量的電動(dòng)車(chē)。國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項(xiàng)燃料電池轎車(chē)項(xiàng)目分別由我國(guó)北京理工大學(xué)、清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)三所大學(xué)承建。我國(guó)西安交通大學(xué)在電動(dòng)車(chē)關(guān)鍵的技術(shù)領(lǐng)域研發(fā)了有多達(dá)15項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，且正式授權(quán)的有5項(xiàng)。1.3多電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)控制技術(shù)目前，許多電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展還處于傳統(tǒng)的燃油汽車(chē)動(dòng)力改造階段，其結(jié)構(gòu)是借用汽車(chē)的傳動(dòng)體系，采用一個(gè)動(dòng)力電動(dòng)機(jī)，由減速器和差速器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)（或四個(gè)）驅(qū)動(dòng)輪。明顯的，這樣的結(jié)構(gòu)只是改變了傳統(tǒng)汽車(chē)的動(dòng)力源，只有電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性較發(fā)動(dòng)機(jī)有一定的改善，但是并沒(méi)有根本充分發(fā)揮電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和改變車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)性能所帶來(lái)的技術(shù)進(jìn)步的優(yōu)勢(shì)。多電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直接面向電動(dòng)汽車(chē)的理想的結(jié)構(gòu)形式，給電動(dòng)車(chē)帶來(lái)了許多不同于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的新問(wèn)題和新特性，基于本課題的研究成果，使得電動(dòng)車(chē)技術(shù)全面超越燃油汽車(chē)成為可能。1.4主要研究工作本文以無(wú)刷雙饋電機(jī)牽引的雙輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)為研究對(duì)象，將對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及整車(chē)操縱穩(wěn)定性的控制策略進(jìn)行了理論分析、系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主要工作可分解為以下部分：（1）電動(dòng)汽車(chē)用無(wú)刷雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制牽引控制策略的研究在研究無(wú)刷雙饋電機(jī)工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的能流和控制方案，進(jìn)行了深入的分析和仿真研究，立足于電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)要求，根據(jù)無(wú)刷雙饋電機(jī)在能量分配、運(yùn)行方式及動(dòng)態(tài)控制性能上的優(yōu)勢(shì)，首次提出以無(wú)刷雙饋電機(jī)作為雙輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的牽引動(dòng)力，同時(shí)采用針對(duì)性控制策略滿(mǎn)足車(chē)輛牽引要求，打破了傳統(tǒng)無(wú)刷雙饋電機(jī)的應(yīng)用限制。針對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)控制繞組無(wú)謂回饋能量，造成功率及控制繞組電流過(guò)大，增加逆變器容量的問(wèn)題，提出通過(guò)控制繞組電流最小化控制方案，優(yōu)化系統(tǒng)的控制策略，切實(shí)減小逆變器功率，降低系統(tǒng)成本。采用無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子速數(shù)學(xué)模型，對(duì)電機(jī)的牽引控制策略進(jìn)行了全面的仿真研究，仿真結(jié)果表明：無(wú)刷雙饋驅(qū)動(dòng)具有電機(jī)容量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、起動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速各工況下能量分配靈活、高速運(yùn)行能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)逆變器不可使用時(shí)，電機(jī)可當(dāng)做感應(yīng)電機(jī)。對(duì)于在野外工作的汽車(chē)來(lái)講，驅(qū)動(dòng)設(shè)備相當(dāng)于一個(gè)“冗余”系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)一步揭示了電動(dòng)汽車(chē)無(wú)刷雙饋電機(jī)牽引控制的運(yùn)行機(jī)理，有效驗(yàn)證了本文提出的牽引系統(tǒng)的可行性。（2）雙輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的差速研究根據(jù)無(wú)刷雙饋電機(jī)在結(jié)構(gòu)、控制及能量傳遞方面的特殊性，提出雙輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)刷雙饋電機(jī)級(jí)聯(lián)差速控制結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了電機(jī)雙饋輸入的優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，在車(chē)輛轉(zhuǎn)向時(shí)能量利用率高；論文還研究了雙輪無(wú)刷雙饋電機(jī)獨(dú)立差速驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果表明：級(jí)聯(lián)和獨(dú)立驅(qū)動(dòng)兩種差速結(jié)構(gòu)均可有效實(shí)現(xiàn)差速控制，級(jí)聯(lián)差速成本低，轉(zhuǎn)向時(shí)兩電機(jī)分別在亞同步區(qū)和超同步區(qū)工作，能量自動(dòng)在兩電機(jī)間合理分配；獨(dú)立驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)性能好、調(diào)速范圍寬、能量可控性強(qiáng)，更利于在高速電動(dòng)汽車(chē)上使用。2無(wú)刷雙饋電機(jī)運(yùn)行的基本原理本文提出采用兩臺(tái)無(wú)刷雙饋電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的左右前輪，充分發(fā)揮無(wú)刷雙饋電機(jī)電磁功率傳遞靈活和節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。無(wú)刷雙饋電機(jī)定子上有兩套繞組，均可從電源接收或向電源回饋能量，用兩個(gè)小功率雙饋電機(jī)可取代傳統(tǒng)汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速箱及笨重而龐大的機(jī)械差速機(jī)構(gòu)。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向控制來(lái)說(shuō)，電機(jī)是實(shí)現(xiàn)牽引的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能否控制車(chē)輛準(zhǔn)確執(zhí)行司機(jī)指令，平穩(wěn)行駛，一方面取決于雙輪電機(jī)控制指令的優(yōu)化，另一方面則取決于電機(jī)的牽引控制系統(tǒng)能否準(zhǔn)確地跟蹤指令，本章首先研究的即是單電機(jī)的牽引控制策略。雙輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)，如果不加以控制，則將產(chǎn)生內(nèi)外車(chē)輪的轉(zhuǎn)速過(guò)快或過(guò)慢問(wèn)題，從而導(dǎo)致汽車(chē)轉(zhuǎn)向困難，車(chē)輪與地面的相對(duì)滑動(dòng)，加快了輪胎的磨損率。為保證在汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)，所有車(chē)輪均繞轉(zhuǎn)向中心作純滾動(dòng)，外輪車(chē)速應(yīng)大于內(nèi)轉(zhuǎn)車(chē)速，即需要對(duì)左右兩牽引電機(jī)進(jìn)行差速控制。雙饋電機(jī)的雙繞組結(jié)構(gòu)為差速控制帶來(lái)很多優(yōu)勢(shì)，采用何種差速控制結(jié)構(gòu)和控制方案也是本章要討論的問(wèn)題。無(wú)刷雙饋電機(jī)在定子側(cè)具有控制繞組和功率繞組，按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，又可分為籠型以及磁阻轉(zhuǎn)子兩類(lèi)，本文選用籠型無(wú)刷雙饋電機(jī)。無(wú)刷雙饋電機(jī)的控制繞組，其作用相當(dāng)于轉(zhuǎn)子，它的功率繞組的作用就等同于一般的繞線(xiàn)式雙饋電動(dòng)機(jī)的定子，而取消了繞線(xiàn)電機(jī)的電刷，將定子控制繞組和功率繞組都接至逆變電源上，通過(guò)調(diào)節(jié)功率、控制兩繞組的逆變器頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)速，如圖2.1所示。圖2.1無(wú)刷雙饋電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)示意圖無(wú)刷雙饋電機(jī)定子上兩套繞組的磁場(chǎng)沒(méi)有直接耦合關(guān)系，通過(guò)調(diào)制機(jī)理，以特殊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子為中介實(shí)現(xiàn)兩種不同極對(duì)數(shù)、不同轉(zhuǎn)速的磁場(chǎng)耦合并完成能量的傳遞。定子兩套繞組產(chǎn)生極對(duì)數(shù)分別為和的基波磁場(chǎng)，通過(guò)氣隙使轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流，這時(shí)轉(zhuǎn)子繞組也分別感生了極對(duì)數(shù)為和的磁場(chǎng)，功率繞組對(duì)極基波磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子內(nèi)感應(yīng)出對(duì)極磁場(chǎng)與控制繞組對(duì)極基波磁場(chǎng)相互作用，控制繞組對(duì)極基波磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子內(nèi)感應(yīng)出對(duì)極磁場(chǎng)與功率繞組對(duì)極基波磁場(chǎng)相互作用，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)電能量的傳遞。a）反向序b）同向序圖2.2BDFM內(nèi)部磁場(chǎng)相互作用關(guān)系改變控制繞組或功率繞組逆變器的輸出頻率，可實(shí)現(xiàn)無(wú)刷雙饋電機(jī)的調(diào)速，雙饋運(yùn)行時(shí)，控制繞組和功率繞組同時(shí)接通三相交流電源，得到定子磁路中同時(shí)存在著2個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)逆變器分別為控制繞組和功率繞組輸入相反的相序電壓時(shí)，它們所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相異，同步轉(zhuǎn)速、分別為：(2.1)(2.2)設(shè)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度是nr，則兩個(gè)定子磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子中frp、frc分別為：(2.3)(2.4)當(dāng)頻率為frp的電流，流過(guò)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體時(shí)，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為：(2.5)當(dāng)頻率為frc的電流，流過(guò)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體時(shí)，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為：(2.6)想要得到恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，這兩個(gè)磁場(chǎng)必須進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)，由式(2.5)和式(2.6)可知，轉(zhuǎn)子電流頻率必然相同，即：(2.7)同理，頻率為frp和frc的電流也會(huì)流過(guò)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，必須在滿(mǎn)足式(2.7)的條件時(shí)，控制繞組電流建立的磁場(chǎng)與它們產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)才會(huì)同步，它們之間的相互作用產(chǎn)生了恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，維持了電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。綜上所述，由式(2.1)～式(2.4)和式(2.7)，得到，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系式：(2.8)以上各式中：fp、fc分別為功率繞組、控制繞組電源頻率；pp、pc分別為功率繞組、控制繞組極對(duì)數(shù)。需要注意的是當(dāng)nr=np時(shí)，BDFM處于臨界狀態(tài)，轉(zhuǎn)子中不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也無(wú)電流，不能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)式(2.1)、式(2.2)和式(2.8)可以得出臨界狀態(tài)下控制繞組頻率fc-L為(2.9)3無(wú)刷雙饋電機(jī)牽引控制策略電動(dòng)汽車(chē)牽引電機(jī)控制系統(tǒng)是個(gè)典型的隨動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)每個(gè)電機(jī)高性能的牽引控制，是保證車(chē)輛運(yùn)行性能的前提。3.1無(wú)刷雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制（1）功率繞組與控制繞組磁鏈、轉(zhuǎn)矩控制原理無(wú)刷雙饋電機(jī)運(yùn)行時(shí)相當(dāng)于一臺(tái)2()極普通感應(yīng)電機(jī)，定子控制繞組和定子功率繞組等同于普通感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組。用控制繞組和功率繞組磁鏈表示的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式，即：(3.1)式中：和分別為控制繞組功率繞組磁鏈?zhǔn)噶康哪＃粸榭刂评@組功率繞組磁鏈?zhǔn)噶恐g的夾角。功率繞組、控制繞組磁鏈分別為：(3.2)分別調(diào)節(jié)功率繞組、控制繞組輸入電壓矢量即可調(diào)節(jié)磁鏈。當(dāng)通過(guò)功率繞組和控制功率繞組磁鏈來(lái)控制轉(zhuǎn)矩時(shí)，欲加大轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)速升高時(shí)，控制功率繞組磁鏈順電機(jī)轉(zhuǎn)速方向旋轉(zhuǎn)，控制繞組則逆轉(zhuǎn)速方向旋轉(zhuǎn)，以增大控制繞組和功率繞組磁鏈間的夾角；減小轉(zhuǎn)矩時(shí)，則相反，通過(guò)控制減小控制繞組和功率繞組磁鏈間的夾角，直接選擇合適的外加電壓向量改變和的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而改變來(lái)控制轉(zhuǎn)矩。功率、控制繞組均由六個(gè)開(kāi)關(guān)元件組成的電壓型逆變器供電，逆變器可能的開(kāi)關(guān)狀態(tài)有種，其中2種狀態(tài)輸出零電壓，六種非零電壓，分別為-。（2）磁鏈和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)在直接轉(zhuǎn)矩控制中采用bang-bang控制直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和磁鏈，為降低開(kāi)關(guān)頻率，轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)器通過(guò)滯環(huán)實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。通過(guò)判斷磁鏈、轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)和磁鏈所在的空間區(qū)域后就可以選擇合適的電壓空間矢量，得到直接轉(zhuǎn)矩控制的逆變器開(kāi)關(guān)表。a）磁鏈調(diào)節(jié)器b）轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器圖3.1直接轉(zhuǎn)矩控制滯環(huán)結(jié)構(gòu)圖3.2基于控制繞組電流最小化直接轉(zhuǎn)矩控制策略無(wú)刷雙饋電機(jī)亞同步運(yùn)行時(shí)，雙饋運(yùn)行能量有雙向的流通路徑，有一部分能量沒(méi)有做功而從控制繞組側(cè)流回了電池，使功率、控制兩繞組電流及輸入功率增大，這會(huì)加大對(duì)逆變器容量的要求。要想成功的將無(wú)刷雙饋電機(jī)應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)上，必須對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)的能流加以合理的優(yōu)化控制。本文提出基于控制繞組電流最小化的直接轉(zhuǎn)矩控制，一方面降低銅耗，另一方面縮減對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)雙繞組逆變裝置的容量要求，降低驅(qū)動(dòng)成本。控制繞組磁鏈與電流夾角的確定當(dāng)控制繞組磁鏈與控制繞組電流成90°時(shí)，控制繞組電流中無(wú)功分量為零，控制繞組的全電流即為額定的有功電流，控制繞組電流的有功分量可以達(dá)到額定電流，大于電機(jī)控制繞組額定電流的有功分量，因而電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可以大于額定轉(zhuǎn)矩。同時(shí)功率繞組電流小于其額定值，功率因數(shù)、效率亦有提高。在復(fù)平面中兩個(gè)矢量α、β的點(diǎn)乘積公式為：(3.3)式中：，為矢量α、β的模；為兩個(gè)矢量之間的夾角。設(shè)，則有：(3.4)(3.5)將式(3.4)代入式(3.5)得(3.6)由式(3.6)可得(3.7)判斷控制繞組磁鏈和控制繞組電流夾角的大小情況，可通過(guò)判斷這兩個(gè)矢量夾角的余弦值是否大于來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)余弦值大于時(shí)，夾角小于，余弦值小于時(shí)，夾角大于90°。（2）亞同步運(yùn)行時(shí)控制繞組開(kāi)關(guān)電壓矢量的選擇欲保持控制繞組電流與磁鏈?zhǔn)冀K呈90°，必須根據(jù)控制繞組磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向來(lái)選擇適合的開(kāi)關(guān)電壓矢量，保證控制繞組電流與磁鏈相互垂直。在亞同步運(yùn)行狀態(tài)，假設(shè)當(dāng)前控制繞組電流矢量與控制繞組磁鏈?zhǔn)噶喀譪呈垂直狀態(tài)，當(dāng)施加一個(gè)與控制繞組磁鏈?zhǔn)噶喀譪夾角小于90°的控制繞組電壓矢量uc時(shí)，將使控制繞組電流矢量ic與控制繞組磁鏈?zhǔn)噶喀譪的夾角變小。相反，當(dāng)施加一個(gè)與控制繞組磁鏈?zhǔn)噶喀譪夾角大于90°的控制繞組電壓矢量uc時(shí)，將使控制繞組電流矢量ic與控制繞組磁鏈?zhǔn)噶喀譪的夾角變大。按逆時(shí)針?lè)较驅(qū)刂评@組電壓空間矢量作用范圍進(jìn)行了劃分，分為六個(gè)區(qū)段()，在每個(gè)區(qū)段可以選用兩個(gè)控制繞組電壓空間矢量使控制繞組電流空間矢量ic與控制繞組磁鏈空間矢量ψc保持垂直狀態(tài)。將控制繞組磁鏈?zhǔn)噶肯颍?，三軸做投影，來(lái)確定控制繞組磁鏈所在的區(qū)間，一旦磁鏈所在的區(qū)間被確定，就能夠選擇合適的電壓矢量。如圖3.2所示。圖中，代表使控制繞組電流與控制繞組磁鏈夾角大于90°的控制繞組電壓空間矢量，代表使控制繞組電流與控制繞組磁鏈夾角小于90°的控制繞組電壓空間矢量。，，分別代表控制繞組磁鏈ψc在，，三個(gè)軸上的投影，，，分別代表磁鏈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當(dāng)對(duì)應(yīng)的投影值大于零時(shí)為1，當(dāng)對(duì)應(yīng)的投影值小于零時(shí)為0，，，分別代表逆變器的功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。圖3.2控制繞組控制開(kāi)關(guān)選擇圖中，代表使控制繞組電流與控制繞組磁鏈夾角大于90°的控制繞組電壓空間矢量，代表使控制繞組電流與控制繞組磁鏈夾角小于90°的控制繞組電壓空間矢量。，，分別代表控制繞組磁鏈ψc在，，三個(gè)軸上的投影，，，分別代表磁鏈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當(dāng)對(duì)應(yīng)的投影值大于零時(shí)為1，當(dāng)對(duì)應(yīng)的投影值小于零時(shí)為0，，，分別代表逆變器的功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。與磁鏈開(kāi)關(guān)狀態(tài)的邏輯關(guān)系：(3.8)與磁鏈開(kāi)關(guān)狀態(tài)的邏輯關(guān)系：(3.9)對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)電壓選擇表，如表3.1所示。表3.1亞同步工況下控制繞組磁鏈與控制繞組電壓矢量控制繞組S磁鏈區(qū)段S1S2S3S4S5S6u3(100)u4(110)u5(010)u6(011)u1(001)u2(101)u2(101)u3(100)u4(110)u5(010)u6(011)u1(010)（3）超同步運(yùn)行時(shí)控制繞組開(kāi)關(guān)電壓矢量的選擇在超同步狀態(tài)時(shí)，功率繞組磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向不變，而控制繞組磁鏈則按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，所施加的電壓空問(wèn)矢量應(yīng)按順時(shí)針施加。超同步狀態(tài)時(shí)，對(duì)功率器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)與控制繞組磁鏈?zhǔn)噶喀譪的開(kāi)關(guān)狀態(tài)其分析方法，可按照亞同步時(shí)的分析方法得到，逆變器磁鏈開(kāi)關(guān)狀態(tài)與功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)的關(guān)系：與磁鏈開(kāi)關(guān)狀態(tài)的邏輯關(guān)系：(3.10)與磁鏈開(kāi)關(guān)狀態(tài)的邏輯關(guān)系：(3.11)由以上分析可得出，無(wú)刷雙饋電機(jī)控制繞組電流的最小優(yōu)化控制方法的開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇表，如表3.2所示。表3.2超同步工況下控制繞組磁鏈與控制繞組電壓矢量控制繞組磁鏈區(qū)段S1S2S3S4S5S6u5(010)u6(011)u1(001)u2(101)u3(100)u4(110)u6(011)u1(001)u2(101)u3(100)u4(110)u5(010)控制繞組電流最小優(yōu)化控制策略能夠通過(guò)控制控制繞組電流、控制繞組的無(wú)功電流來(lái)降低功率，減小損耗，提高能量利用率，同時(shí)還能夠降低對(duì)功率、控制繞組雙側(cè)逆變裝置的電流要求，優(yōu)化逆變器容量，節(jié)省成本。3.3牽引系統(tǒng)仿真（1）系統(tǒng)仿真本文采用無(wú)刷雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子速數(shù)學(xué)模型，利用兩套逆變裝置，分別接到無(wú)刷雙饋電機(jī)的功率繞組和控制繞組上，功率繞組逆變器采用傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制方案，控制繞組逆變器采用基于控制繞組電流最小化的直接轉(zhuǎn)矩控制策略，進(jìn)行了牽引控制系統(tǒng)的仿真研究。系統(tǒng)原理框圖如圖3.3所示。利用Matlab語(yǔ)言的M-File編寫(xiě)仿真程序，仿真電機(jī)參數(shù)為Pp=3，Pc=l，rp=0.435Ω，Lsp=0.07138H，Mpr=0.06931H，rc=o.435Ω，Lsc=0.06533H，Mcr=0.06021H，rr=1.63Ω，Lr=0.1428H，J=0.03kg.m2，Kd=0。仿真條件是：電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為750r/min，轉(zhuǎn)速給定值360r/min，負(fù)載為10N.m，并在t=0.25s時(shí)給定轉(zhuǎn)速增為1100r/min，系統(tǒng)仿真總時(shí)間為0.5s，仿真結(jié)果如圖3.4所示。系統(tǒng)在額定負(fù)載下運(yùn)行，由圖3.4e-g可見(jiàn)，系統(tǒng)可從亞同步運(yùn)行進(jìn)入超同步運(yùn)行，高速帯載能力強(qiáng)，因此汽車(chē)可放寬對(duì)變速箱等機(jī)械傳動(dòng)裝置的要求；機(jī)械特性在高、低均保持同樣硬度，抗擾能力強(qiáng)。圖3.4b、3.4c、3.4e可見(jiàn)，系統(tǒng)啟動(dòng)、升速、制動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)很快，說(shuō)明系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤能力強(qiáng)，汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制是隨動(dòng)系統(tǒng)，要求電機(jī)迅速跟蹤指令，以保證安全，因此這一性能對(duì)高速行駛的汽車(chē)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。由圖3.4a、3.4d可見(jiàn)，系統(tǒng)功率、控制兩繞組的磁鏈幅值均可穩(wěn)定控制在給定值上，這一性能可為系統(tǒng)通過(guò)磁鏈優(yōu)化改善能流分配帶來(lái)方便。圖3.3控制繞組電流最小化直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖a)功率繞組磁鏈b)功率繞組d軸電流c)控制繞組d軸電流d)控制繞組磁鏈e)轉(zhuǎn)矩f)轉(zhuǎn)速g)機(jī)械特性圖3.4控制繞組電流最小優(yōu)化控制方法仿真結(jié)果仿真結(jié)果表明：采用基于控制繞組電流最小化的無(wú)刷雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)高速帶載能力強(qiáng)，調(diào)速范圍寬，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、機(jī)械特性硬，系統(tǒng)的跟蹤及抗擾動(dòng)能力很強(qiáng)。（2）傳統(tǒng)DTC與控制繞組電流最小化DTC性能對(duì)比為了分析控制繞組電流最小化對(duì)系統(tǒng)輸入電流的抑制能力，對(duì)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）和控制繞組電流最小化直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了對(duì)比仿真，仿真中為了對(duì)比方便，采用了電流d、q軸合成矢量的幅值：。a)控制繞組電流矢量幅值（電流最小化）b)控制繞組電流矢量幅值（DTC）cc)控制繞組功率曲線(xiàn)（電流最小化）d)控制繞組功率（DTC）e）功率繞組功率曲線(xiàn)（電流最小化）g）功率繞組功率曲線(xiàn)（DTC）圖3.5DTC與控制繞組電流最小化DTC對(duì)比仿真對(duì)比圖3.5a、c、e、g和圖3.5b、d、f、h的仿真可見(jiàn)，采用控制繞組電流最小化策略，可使控制繞組的電流和輸入功率大幅減小，進(jìn)而亦使功率繞組的電流和功率下降。結(jié)果表明：采用控制繞組電流最小化控制方案，控制無(wú)刷雙饋電機(jī)的無(wú)功功率，最小化控制繞組與電源間的無(wú)功功率傳遞，從而使控制繞組電流最小，進(jìn)而降低功率繞組電流。仿真結(jié)果證明：該控制方案能夠降低電機(jī)兩繞組的電流，減小銅耗和逆變器容量。（3）系統(tǒng)能流分析由圖3.5e和圖3.5g可見(jiàn)，電機(jī)從亞同步切換到超同步狀態(tài)時(shí)，雙饋電機(jī)的控制繞組功率由負(fù)變正，說(shuō)明超同步時(shí)能量從功率、控制兩繞組一起流入驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而異步電機(jī)能量只能從定子來(lái)。在高速相同負(fù)載條件下，雙饋電機(jī)用兩個(gè)小容量逆變器，而異步電機(jī)用一個(gè)大容量逆變器，由于逆變裝置的價(jià)格與容量不成比例，兩個(gè)容量較小的逆變裝置要可能比一個(gè)大容量的逆變裝置便宜。另外，雙饋電機(jī)在超同步時(shí)可以從定、轉(zhuǎn)子雙側(cè)輸入能量，超同步運(yùn)行能力使系統(tǒng)調(diào)速范圍增寬。而異步電機(jī)沒(méi)有超同步運(yùn)行能力，只能弱磁降載運(yùn)行。若想達(dá)到與雙饋電機(jī)相同的驅(qū)動(dòng)效果，需要更換功率更大的電機(jī)。4無(wú)刷雙饋電機(jī)雙輪差速控制原理與結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)相同的無(wú)刷雙饋電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的左右輪，構(gòu)成無(wú)刷雙饋電機(jī)差速系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4.1。圖4.1電動(dòng)汽車(chē)雙輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4.1雙輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)向模型當(dāng)車(chē)輛直線(xiàn)行駛時(shí)，假設(shè)電機(jī)直接相連車(chē)輪，電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度就是車(chē)輪的角速度，由于假設(shè)了各個(gè)車(chē)輪的滾動(dòng)r相同，則有下式成立：(4.1)式中，分別為左、右驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)角速度。圖4.2為汽車(chē)轉(zhuǎn)向的幾何關(guān)系示意圖。設(shè)右轉(zhuǎn)向時(shí)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角為負(fù)，左轉(zhuǎn)向時(shí)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角為正，在車(chē)輛低速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，電子差速器可依據(jù)Ackermann轉(zhuǎn)角關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)[10]。圖4.2汽車(chē)轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系示意圖由圖4.2，根據(jù)其幾何關(guān)系，得：(4.2)式中，、分別為內(nèi)外前輪轉(zhuǎn)向半徑；、分別為外內(nèi)后輪轉(zhuǎn)向半徑，lf為質(zhì)心至前軸的距離，lr為質(zhì)心至后軸的距離，Tf為前輪輪距，為內(nèi)輪轉(zhuǎn)角，為外輪轉(zhuǎn)角，一般可近似認(rèn)為。前軸內(nèi)外車(chē)輪轉(zhuǎn)向角可表示為：(4.3)式中，為方向盤(pán)轉(zhuǎn)角，為地面到兩主銷(xiāo)中心延長(zhǎng)線(xiàn)交點(diǎn)之間的距離，e為主銷(xiāo)到車(chē)輪中心的距離。由內(nèi)外車(chē)輪轉(zhuǎn)向角可計(jì)算出內(nèi)外車(chē)輪輪速，根據(jù)Ackermann轉(zhuǎn)角關(guān)系計(jì)算法：(4.4)式中：v為給定車(chē)速，。然而(4.5)所以(4.6)因此，汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)，以整車(chē)質(zhì)心速度為參考，計(jì)算每個(gè)車(chē)輪繞轉(zhuǎn)向中心的線(xiàn)速度，進(jìn)而得出每個(gè)車(chē)輪需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)向電機(jī)控制器發(fā)出電壓指令實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，而調(diào)整車(chē)輪轉(zhuǎn)速，合理的分配每個(gè)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)車(chē)輪的純滾動(dòng)轉(zhuǎn)向行駛。4.2雙饋級(jí)聯(lián)差速結(jié)構(gòu)雙饋差速系統(tǒng)有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪的雙饋電機(jī)組成，兩電機(jī)的功率繞組電壓由逆變器提供，兩控制繞組相連。通過(guò)改變電機(jī)1和電機(jī)2的功率繞組電壓頻率，可以控制車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)速度和方向，通過(guò)改變控制繞組電壓可以控制帶負(fù)載能力，剩余的功率用于提供給另外一個(gè)電機(jī)。雙饋差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型，如圖4.3所示，包括：（1）兩臺(tái)相同的無(wú)刷雙饋電機(jī)，M1和M2；（2）兩臺(tái)能夠變頻且能為兩個(gè)無(wú)刷雙饋電機(jī)功率繞組提供任意極性有功功率和無(wú)功功率的逆變器；（3）兩臺(tái)雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器，能夠?yàn)槟孀兤魈峁〥C直流電壓，直流電流能根據(jù)操作情況的要求流向任一方向；（4）電池。圖4.3無(wú)刷雙饋級(jí)聯(lián)差速控制結(jié)構(gòu)圖雙饋差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能提供正向和反向的動(dòng)力，兩部電機(jī)像發(fā)動(dòng)機(jī)一樣運(yùn)轉(zhuǎn)，如一部電機(jī)在正向亞同步范圍內(nèi)運(yùn)行而另一部電機(jī)在相反的超同步范圍內(nèi)運(yùn)行，系統(tǒng)中來(lái)自一個(gè)電機(jī)的回收能量會(huì)提供給另一個(gè)電機(jī)，兩個(gè)雙饋電機(jī)可實(shí)現(xiàn)理想的差速操作。4.3雙饋獨(dú)立驅(qū)動(dòng)差速結(jié)構(gòu)雙饋差速獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型，如圖4.4所示，包括：（1）兩臺(tái)相同的無(wú)刷雙饋電機(jī)，M1和M2；（2）四臺(tái)能夠變頻且能為兩個(gè)無(wú)刷雙饋電機(jī)功率繞組和控制繞組提供任意極性有功功率和無(wú)功功率的逆變器；（3）四臺(tái)雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器，能夠?yàn)槟孀兤魈峁〥C直流電壓，直流電流能根據(jù)操作情況的要求流向任一方向；（4）電池。圖4.4無(wú)刷雙饋獨(dú)立驅(qū)動(dòng)差速控制結(jié)構(gòu)圖5雙輪驅(qū)動(dòng)無(wú)刷雙饋差速系統(tǒng)仿真分析雙輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)控制的性能當(dāng)車(chē)輛轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，為了防止不穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)，內(nèi)輪和外輪應(yīng)具有不同的速度。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛通過(guò)一個(gè)帶減速裝置的機(jī)械差速器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，雙輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)兩個(gè)前輪都能通過(guò)各自的雙饋電機(jī)獨(dú)立提供驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)差速控制，按運(yùn)行工況需求獨(dú)立分配轉(zhuǎn)矩與功率，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。5.1雙輪驅(qū)動(dòng)雙饋級(jí)聯(lián)差速系統(tǒng)仿真采用Ackermann轉(zhuǎn)向模型提供左右輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度給定，兩個(gè)無(wú)刷雙饋電機(jī)性能完全相同，電機(jī)參數(shù)為：Pp=3，rr=1.63Ω，Pc=l，rp=0.435Ω，Mpr=0.06931H，Mcr=0.06021H，rc=o.435Ω，Lsc=0.06533H，Lsp=0.07138H，Lr=0.1428H，J=0.03kg.m2，車(chē)體參數(shù)為：=1.6m，=1.7m，=1.5m，=1.6m，=0.32m。采用MATLAB的M-file對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制雙輪級(jí)聯(lián)差速系統(tǒng)進(jìn)行仿真，電機(jī)控制仍采用直接轉(zhuǎn)矩控制算法。(1)汽車(chē)直行時(shí)級(jí)聯(lián)差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真仿真條件：直行時(shí)汽車(chē)起動(dòng)給定速度為40km/h，0.25s時(shí)增加到160km/h，0.4s時(shí)減小到40km/h，負(fù)載為10N.m，汽車(chē)直行時(shí)運(yùn)行時(shí)仿真曲線(xiàn)見(jiàn)圖5.1。由仿真曲線(xiàn)可見(jiàn)，雙饋級(jí)聯(lián)直行時(shí)，低速跟蹤能力很好，而高速跟蹤不上，原因在于雙饋級(jí)聯(lián)后，直行時(shí)控制繞組電壓相同，電流為零，此時(shí)兩雙饋電機(jī)相當(dāng)于異步電機(jī)，沒(méi)有超同步能力。由仿真曲線(xiàn)可見(jiàn)，雙饋級(jí)聯(lián)直行時(shí)，低速跟蹤能力很好，而高速跟蹤不上，原因在于雙饋級(jí)聯(lián)后，直行時(shí)控制繞組電壓相同，電流為零，此時(shí)兩雙饋電機(jī)相當(dāng)于異步電機(jī)，沒(méi)有超同步能力。從功率曲線(xiàn)0-0.25s的情況可見(jiàn)，起動(dòng)、升速及低于同步速750rpm運(yùn)行時(shí)，功率繞組輸入的能量一部分由控制繞組回流到電源，其余的能量用于驅(qū)動(dòng)；從功率曲線(xiàn)0.25-0.3s的情況可見(jiàn)，電機(jī)從低于同步速750rpm運(yùn)行到超過(guò)同步速，同時(shí)電機(jī)升速，低于同步速時(shí)的能流與0.25s以前相同，只不過(guò)由于升速有所增加，高于同步速后，由于控制繞組短接，相當(dāng)于異步運(yùn)行，控制繞組功率為零。從功率曲線(xiàn)0.4-0.425s的情況可見(jiàn)，電機(jī)從高速急降，控制繞組回饋能量。a）左輪功率繞組功率曲線(xiàn)b）左輪控制繞組功率曲線(xiàn)c）右輪功率繞組功率曲線(xiàn)d）右輪控制繞組功率曲線(xiàn)e）雙輪轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)圖5.1汽車(chē)直行時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行曲線(xiàn)(2)汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真仿真條件：起動(dòng)時(shí)汽車(chē)給定速度為40km/h，轉(zhuǎn)向角為0°，0.25s時(shí)加轉(zhuǎn)向角到65°，0.4s時(shí)恢復(fù)轉(zhuǎn)向角到0°。仿真曲線(xiàn)如圖5.2所示。a）左輪功率繞組功率曲線(xiàn)b）左輪控制繞組功率曲線(xiàn)c）右輪功率繞組功率曲線(xiàn)d）右輪控制繞組功率曲線(xiàn)e）雙輪轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)圖5.2雙輪差速驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向時(shí)電機(jī)運(yùn)行曲線(xiàn)從汽車(chē)左轉(zhuǎn)向運(yùn)行仿真曲線(xiàn)可見(jiàn)：汽車(chē)左轉(zhuǎn)向時(shí)，左輪電機(jī)轉(zhuǎn)速低于右輪，系統(tǒng)控制左電機(jī)運(yùn)行于亞同步狀態(tài)，右電機(jī)運(yùn)行于超同步狀態(tài)，左電機(jī)控制繞組能流為負(fù)，處于回饋狀態(tài)，右電機(jī)能流處于輸入狀態(tài)，說(shuō)明能量從左電機(jī)傳送到右電機(jī)，實(shí)現(xiàn)差速運(yùn)行。差速級(jí)聯(lián)仿真結(jié)果證明，差速級(jí)聯(lián)在車(chē)輛轉(zhuǎn)向時(shí)，利用無(wú)刷雙饋電機(jī)超同步與亞同步運(yùn)行時(shí)控制繞組能流方向不同的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)差速控制。這種方案可用兩個(gè)功率較小的電機(jī)實(shí)現(xiàn)雙輪驅(qū)動(dòng)。差速級(jí)聯(lián)的缺點(diǎn)是直行時(shí)高速能力弱，這將給汽車(chē)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶來(lái)負(fù)擔(dān)，因此本章考慮了另一種差速控制方案-雙電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。5.2雙輪無(wú)刷雙饋電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)差速系統(tǒng)仿真雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)時(shí)，左、右兩電機(jī)的功率及控制繞組由逆變器供電，兩電機(jī)之間能量無(wú)流動(dòng)。兩個(gè)無(wú)刷雙饋電機(jī)參數(shù)同前，兩輪電機(jī)均有功率繞組及控制繞組兩個(gè)逆變器供電。(1)汽車(chē)直行時(shí)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真仿真條件：駕駛轉(zhuǎn)向角°，汽車(chē)起動(dòng)給定速度為20km/h，0.3s時(shí)給定速度提高到110km/h，左、右輪電機(jī)運(yùn)行仿真曲線(xiàn)如圖5.3所示。a）左右輪電機(jī)控制繞組功率曲線(xiàn)b）左右輪功率繞組功率曲線(xiàn)c）左右輪電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)d）左右輪電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)圖5.3雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制高速直行電機(jī)性能曲線(xiàn)從圖5.2和圖5.3的仿真結(jié)果可見(jiàn)：與級(jí)聯(lián)差速相比，雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，原因在于升降速時(shí)，雙繞組同時(shí)進(jìn)行能量調(diào)控，縮短了過(guò)渡過(guò)程；系統(tǒng)可在不降負(fù)載的條件下從20km/h的低速上升到高速110km/h，調(diào)速范圍寬，高速直行時(shí)，左右輪電機(jī)均工作在超同步狀態(tài)，四個(gè)繞組同時(shí)為汽車(chē)饋能。由仿真曲線(xiàn)可以看出，亞同步狀態(tài)下，雙饋電機(jī)的控制繞組功率為負(fù)，說(shuō)明有功率回饋電網(wǎng)?？刂评@組功率的一部分是滑差功率，在異步電機(jī)中是被消耗掉的，而在雙饋電機(jī)中則被回饋給了電源?？刂评@組功率的另一部分是由于雙饋電機(jī)的雙向能量流通路徑，使能量沒(méi)有做功而從控制繞組側(cè)直接流向了電池，如不限制這部分能量，將會(huì)給逆變器容量選擇帶來(lái)負(fù)擔(dān)。電機(jī)從亞同步切換到超同步狀態(tài)時(shí)，雙饋電機(jī)的控制繞組功率由負(fù)變正，說(shuō)明超同步時(shí)能量從功率、控制兩繞組一起流入驅(qū)動(dòng)電機(jī)。(2)汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真仿真條件：駕駛轉(zhuǎn)向角°，汽車(chē)起動(dòng)給定速度為20km/h，0.3s時(shí)給定速度提高到70km/h，°，左、右輪電機(jī)運(yùn)行仿真曲線(xiàn)如圖5.4所示：a）右輪電機(jī)功率繞組功率曲線(xiàn)b）右輪電機(jī)控制繞組功率曲線(xiàn)c）左輪功率繞組功率曲線(xiàn)d）左輪控制繞組功率曲線(xiàn)e）右輪電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)f）左輪電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)圖5.4雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向控制電機(jī)性能曲線(xiàn)雙輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向仿真結(jié)果表明：所提出的電動(dòng)汽車(chē)無(wú)刷雙饋電機(jī)電機(jī)的差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型可以模擬汽車(chē)的行駛情況，轉(zhuǎn)向運(yùn)行時(shí)兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)存在速度差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)操縱性的控制。本文分兩個(gè)層次研究驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制問(wèn)題，其一是無(wú)刷雙饋電機(jī)的牽引控制；其二是雙輪驅(qū)動(dòng)兩電機(jī)的差速控制結(jié)構(gòu)。首先對(duì)電機(jī)在汽車(chē)起動(dòng)、制動(dòng)、高速、低速等各種行駛工況下的能流進(jìn)行了分析，從能量控制的角度研究無(wú)刷雙饋控制系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置的優(yōu)勢(shì)及存在的問(wèn)題，為逆變器容量?jī)?yōu)化銅耗，提出基于控制繞組電流最小化的直接轉(zhuǎn)矩控制策略，并進(jìn)行了仿真研究，得出如下結(jié)論：（1）采用無(wú)刷雙饋電機(jī)作為電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)容量小，因?yàn)闊o(wú)刷雙饋電機(jī)在高速時(shí)可以雙側(cè)輸入能量，而異步電機(jī)若想達(dá)到同等高速，需要更換功率更大的電機(jī)。（2）低速運(yùn)行時(shí)，無(wú)刷雙饋電機(jī)能夠?qū)⒔^大部分的轉(zhuǎn)差功率回饋電源，應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)能夠提高能量的利用率，提高續(xù)航里程。高速運(yùn)行時(shí)，無(wú)刷雙饋電機(jī)雙繞組各自的功率較單繞組異步電機(jī)的定子功率小，由于逆變裝置的價(jià)格相對(duì)于容量非線(xiàn)性增加，因此逆變器成本降低。（3）無(wú)刷雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，證明牽引系統(tǒng)可以很好的保證汽車(chē)的快速操控能力；機(jī)械特性硬，證明系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力強(qiáng)；調(diào)速范圍寬，高速帶載能力很強(qiáng)，因此汽車(chē)可放寬對(duì)變速箱等機(jī)械傳動(dòng)裝置的要求；（4）采用控制繞組電流最小化控制方案，控制無(wú)刷雙饋電機(jī)的無(wú)功功率，從而使控制繞組電流最小，仿真結(jié)果證明：該控制方案能夠降低電機(jī)功率、控制兩繞組的電流，減小銅耗和逆變器容量。（5）無(wú)刷雙饋電機(jī)定子上有兩套繞組和兩套小容量逆變裝置，逆變裝置是易損部件，當(dāng)某一逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，電機(jī)可從雙饋運(yùn)行轉(zhuǎn)為異步運(yùn)行，一方面可防止故障造成的安全事故，另一方面對(duì)于野外行駛的汽車(chē)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于存在一個(gè)冗余的牽引電機(jī)。其次研究了無(wú)刷雙饋電機(jī)雙輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的差速控制結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)兩種差速結(jié)構(gòu)的仿真分析，得出如下結(jié)論：（1）級(jí)聯(lián)差速結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于逆變器的使用數(shù)量與異步電機(jī)相同，轉(zhuǎn)向時(shí)兩電機(jī)會(huì)分別工作在亞同步與超同步狀態(tài)，能量通過(guò)控制繞組從高速電機(jī)傳向低速電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)用小容量的雙饋電機(jī)完成高速、大角度轉(zhuǎn)向差速控制。（2）雙電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)比級(jí)聯(lián)差速結(jié)構(gòu)多用兩套逆變器，但起、制動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低；直行時(shí)左右電機(jī)均可超同步運(yùn)行，提高了車(chē)輛的高速行駛能力。結(jié)論電動(dòng)汽車(chē)是汽車(chē)工業(yè)的未來(lái)，多電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)充分發(fā)揮電機(jī)突出的易控性和快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，無(wú)疑將是電動(dòng)汽車(chē)不僅在能源上、而且在性能上全面超越傳統(tǒng)汽車(chē)的最值關(guān)注研究方向。該文是以無(wú)刷雙饋電機(jī)牽引的雙輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)為研究對(duì)象，對(duì)雙輪無(wú)刷雙饋電機(jī)牽引控制進(jìn)行了較為透徹的研究和分析。該論文主要研究的方向如下：通過(guò)研究取得主要?jiǎng)?chuàng)新性結(jié)論如下：（1）提出采用無(wú)刷雙饋電機(jī)作為雙輪驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)。牽引電機(jī)是電動(dòng)汽車(chē)的核心部件，本文根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)要求和無(wú)刷雙饋電機(jī)的特點(diǎn)，提出采用無(wú)刷雙饋電機(jī)作為雙輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力，并針對(duì)電機(jī)復(fù)雜的機(jī)理，研究可行的控制結(jié)構(gòu)與控制策略。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：雙饋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量調(diào)控靈活、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、調(diào)速范圍寬、牽引電機(jī)容量小、能量回饋率高，當(dāng)一套逆變器發(fā)生嚴(yán)重故障的情況下，電機(jī)仍可作為普通的感應(yīng)電機(jī)使用，所以電機(jī)的無(wú)刷結(jié)構(gòu)提高了雙饋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。（2）提出一種簡(jiǎn)單的無(wú)刷雙饋級(jí)聯(lián)差速控制結(jié)構(gòu)在深入分析無(wú)刷雙饋電機(jī)和雙輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)差速控制原理的基礎(chǔ)上，有別于傳統(tǒng)的雙輪獨(dú)立差速驅(qū)動(dòng)，提出一種充分發(fā)揮無(wú)刷雙饋電機(jī)雙繞組輸入特點(diǎn)的無(wú)刷雙饋級(jí)聯(lián)差速控制結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)恰到好處地利用了無(wú)刷雙饋電機(jī)雙繞組同時(shí)可進(jìn)行能量調(diào)控的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)新穎簡(jiǎn)單，逆變器的使用數(shù)量與異步電機(jī)相同，轉(zhuǎn)向時(shí)能量在兩輪高、低速電機(jī)間流動(dòng)，無(wú)需外輸能量即可實(shí)現(xiàn)差速控制，用小容量的雙饋電機(jī)完成高速、大角度轉(zhuǎn)向差速控制。目前國(guó)內(nèi)外研發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)大多還僅限于能源的更替，即將電機(jī)取代傳統(tǒng)汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)。事實(shí)上，從運(yùn)行性能來(lái)說(shuō)，電機(jī)更適合電動(dòng)汽車(chē)的行駛要求，真正從電驅(qū)動(dòng)出發(fā)，采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)，汽車(chē)的結(jié)構(gòu)與性能將會(huì)有革命性的飛躍。多電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)是集汽車(chē)、自動(dòng)控制、電力電子等多學(xué)科于一身的交叉研究領(lǐng)域，有廣闊的研究空間。為了本文的研究工作的完整性和接續(xù)性，下一步需要解決如下問(wèn)題：（1）進(jìn)一步深入研究抑制