《北京汽车》2009.No.3北京汽车文章编号：1002-4581（2009）03-0021-04电动汽车用驱动电机控制系统研究肖平1冯能莲2XIAOPing1，FENGNeng-lian2（1.安徽工程科技学院先进数控和伺服驱动技术安徽省重点实验室，安徽芜湖241000；2.北京工业大学环能学院，北京100022）摘要：驱动电机的控制技术是电动汽车的关键技术之一，对整车性能有决定性的影响。文中针对电动汽车的要求对直流驱动电机的控制系统进行研究，完成了控制系统软硬件设计。采用智能功率模块IPM作为强电回路的主要功率器件，设计中采用软件滤波和光电隔离的措施以提高系统的抗干扰能力，采用模糊PI调节对电枢电流和励磁电流进行闭环控制。试验表明，所设计的控制系统能够满足电动汽车的行驶要求，为进一步进行电动汽车的研究奠定了基础，积累了一定的技术经验。关键词：电动汽车；直流电机；控制；设计；模糊PI中图分类号：U469.72:TM331+.3文献标识码：A自从电动汽车面世以来，就有了电机驱动系统。电机驱动系统是电动汽车的心脏。它的任务是在驾驶员的控制下，将蓄电池的电能转化为车轮上的动能，或者将车辆上的动能反馈到蓄电池中[1]。电动汽车对电机驱动控制系统的基本要求是：有4~5倍的过载动力以满足短时加速行驶和最大爬坡度的要求；电机应根据车型、车辆的行驶规律进行设计；要求有较高的功率密度和好的效率图（在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率），从而能够降低车重，延长续驶里程；为使多电机协调运行，要求电动汽车驱动电机可控性高、稳态精度高、动态性能好[2]。目前，在电动汽车上运用的电机驱动系统主要有直流电机驱动系统、异步电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系统、永磁电机驱动系统。异步电机有结构简单、电机成本低等优点，但有驱动系统的控制复杂，不易达到宽范围的恒功率调速的缺点；开关磁阻电机有效率高、成本低等优点，但是电机驱动系统有转矩脉动，噪声大并且使用位置传感器增加了结构复杂度，降低了可靠性等缺点；永磁电机具有功率密度高、在宽速度范围内运行效率高等优点，但有驱动系统电流损耗大，永磁体有退磁问题,有转矩脉动，工作噪声大等缺点。与这3种电机驱动系统相比，直流驱动系统具有成本低、调速性能好(平滑和精确)、控制器简单、控制相对成熟等优点，同时直流电机还具有起动转矩高和宽恒功率调速范围，适合在牵引领域应用等优点；因此，本课题研究的电动汽车采用直流电机驱动系统，尽管它存在机械换向器所引起的效率低、转矩脉动大等缺点[3]，但是由于设计中采用了直流斩波技术，使得直流电机的功率因数、工作效率、动态性能和转矩脉动性得到明显改善，因此设计中的直流电机能够满足电动汽车的工作要求。1驱动电机控制系统硬件设计文中所研究的电动汽车，电池为水平铅布电池，单体电池容量85Ah，额定电压216V（单体电池电压12V×电池数18）；驱动电机采用45kW他励直流电机，其控制系统硬件设计包括电机的·电动汽车用驱动电机控制系统研究·
纯电动汽车的驱动电机系统详解
驱动电机系统是电动汽车三大核心系统之一，是车辆行驶的主要驱动系统，其特性决定了车辆的主要性能指标，直接影响车辆动力性、经济性和用户驾乘感受。一、驱动电机系统介绍驱动电机系统由驱动电机、驱动电机控制器(MCU)构成，通过高低压线束、冷却管路与整车其他系统连接，如图1所示。整车控制器(VCU)根据加速踏板、制动踏板、挡位等信号通过CAN网络向电机控制器MCU发送指令，实时调节驱动电机的扭矩输出，以实现整车的怠速、加速、能量回收等功能。电机控制器能对自身温度、电机的运行温度、转子位置进行实时监测，并把相关信息传递给整车控制器VCU，进而调节水泵和冷却风扇工作，使电机保持在理想温度下工作。驱动电机技术指标参数，如表1所示，驱动电机控制器技术参数如表2所示。1、驱动电机永磁同步电机是一种典型的驱动电机(图2)，具有效率高、体积小、可靠性高等优点，是动力系统的执行机构，是电能转化为机械能载体。它依靠内置旋转变压器、温度传感器(图3)来提供电机的工作状态信息，并将电机运行状态信息实时发送给MCU。旋转变压器检测电机转子位置，经过电机控制器内旋变解码器解码后，电机控制器可获知电机当前转子位置，从而控制相应的IGBT功率管导通，按顺序给定子三个线圈通电，驱动电机旋转。温度传感器的作用是检测电机绕组温度，并提信息供给MCU，再由MCU通过CAN线传给VCU，进而控制水泵工作、水路循环、冷却电子扇工作，调节电机工作温度。驱动电机上有一个低压接口和三根高压线(V、U、W)接口，如图4所示。其中低压接口各端子定义如表3所示，电机控制器也正是通过低压端口获取的电机温度信息和电机转子当前位置信息。2、驱动电机控制器驱动电机控制器MCU结构如图5所示，它内部采用三相两电平电压源型逆变器，是驱动电机系统的控制核心，称为智能功率模块，它以IGBT(绝缘栅双极型晶体管)为核心，辅以驱动集成电路、主控集成电路。MCU对所有的输入信号进行处理，并将驱动电机控制系统运行状态信息通过CAN2.0网络发送给整车控制器VCU。驱动电机控制器内含故障诊断电路，当电机出现异常时，达到一定条件后，它将会激活一个错误代码并发送给VCU整车控制器，同时也会储存该故障码和相关数据。驱动电机控制器主要依靠电流传感器(图6)、电压传感器、温度传感器来进行电机运行状态的监测，根据相应参数进行电压、电流的调整控制以及其它控制功能的完成。电流传感器用于检测电机工作实际电流，包括母线电流、三相交流电流。电压传感器用于检测供给电机控制器工作的实际电压，包括动力电池电压、12V蓄电池电压。温度传感器用于检测电机控制系统的工作温度，包括IGBT模块的温度。驱动电机控制器上分为低压接口和高压接口(图7)，低压接口端子定义如表4所示。二、驱动电机系统功能通过驱动电机工作状态可以了解新能源汽车驱动系统的基本功能，根据驾驶员意愿驱动电机的工作状态：挂D挡加速行驶时、减速制动时、挂R挡倒车时以及E挡行驶时来了解它的工作过程。1、D挡加速行驶驾驶员挂D挡并踩加速踏板，此时挡位信息和加速信息通过信号线传递给整车控制器VCU，VCU把驾驶员的操作意图通过CAN线传递给驱动电机控制器MCU，再由驱动电机控制器MCU结合旋变传感器信息(转子位置)，进而向永磁同步电动机的定子通入三相交流电，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势；另一方面以电磁力拖动转子以同步转速正向旋转。随着加速踏板行程不断加大，电机控制器控制的6个IGBT导通频率上升，电动机的转矩随着电流的增加而增加，因此，起步时基本上拥有最大的转矩。随着电动机转速的增加，电动机的功率也增加，同时电压也随之增加。在电动汽车上，一般要求电动机的输出功率保持恒定，即电动机的输出功率不随转速增加而变化，这要求在电动机转速增加时，电压保持恒定，其中永磁同步电机输出特性曲线如图8所示。与此同时，电机控制器也会通过电流传感器和电压传感器，感知电机当前功率、消耗电流大小、电压大小，并把这些信息数据通过CAN网络传送给仪表、整车控制器，其具体工作原理如图9所示。、R挡倒车时当驾驶员挂R挡时，驾驶员请求信号发给VCU，再通过CAN线发送给MCU，此时MCU结合当前转子位置(旋变传感器)信息，通过改变IGBT模块改变W\V\U通电顺序，进而控制电机反转。3、制动时能量回收驾驶员松开加速踏板时，电机由于惯性仍在旋转，设车轮转速为V轮、电机转速为V电机，设车轮与电机之间固定传动比为K，当车辆减速时，V轮K＜V电机时，电机仍是动力源，随着电机转速下降，当 V轮K＞V电机时，此时电机由于被车辆拖动而旋转，此时驱动电动机变为发电机(图10)。BMS可以根据电池充电特性曲线(充电电流、电压变化曲线与电池容量的关系)和采集电池温度等参数计算出相应的允许最大充电电流。MCU根据电池允许最大充电电流，通过控制IGBT模块，使“发电机”定子线圈旋转磁场角速度与电机转子角速度保持到发电电流不超过允许最大充电电流，以调整发电机向蓄电池充电的电流，同时这也控制了车辆的减速度，具体过程如图11所示。
纯电动汽车的驱动电机系统详解
驱动电机系统是电动汽车三大核心系统之一，是车辆行驶的主要驱动系统，其特性决定了车辆的主要性能指标，直接影响车辆动力性、经济性和用户驾乘感受。一、驱动电机系统介绍驱动电机系统由驱动电机、驱动电机控制器(MCU)构成，通过高低压线束、冷却管路与整车其他系统连接，如图1所示。整车控制器(VCU)根据加速踏板、制动踏板、挡位等信号通过CAN网络向电机控制器MCU发送指令，实时调节驱动电机的扭矩输出，以实现整车的怠速、加速、能量回收等功能。电机控制器能对自身温度、电机的运行温度、转子位置进行实时监测，并把相关信息传递给整车控制器VCU，进而调节水泵和冷却风扇工作，使电机保持在理想温度下工作。驱动电机技术指标参数，如表1所示，驱动电机控制器技术参数如表2所示。1、驱动电机永磁同步电机是一种典型的驱动电机(图2)，具有效率高、体积小、可靠性高等优点，是动力系统的执行机构，是电能转化为机械能载体。它依靠内置旋转变压器、温度传感器(图3)来提供电机的工作状态信息，并将电机运行状态信息实时发送给MCU。旋转变压器检测电机转子位置，经过电机控制器内旋变解码器解码后，电机控制器可获知电机当前转子位置，从而控制相应的IGBT功率管导通，按顺序给定子三个线圈通电，驱动电机旋转。温度传感器的作用是检测电机绕组温度，并提信息供给MCU，再由MCU通过CAN线传给VCU，进而控制水泵工作、水路循环、冷却电子扇工作，调节电机工作温度。驱动电机上有一个低压接口和三根高压线(V、U、W)接口，如图4所示。其中低压接口各端子定义如表3所示，电机控制器也正是通过低压端口获取的电机温度信息和电机转子当前位置信息。2、驱动电机控制器驱动电机控制器MCU结构如图5所示，它内部采用三相两电平电压源型逆变器，是驱动电机系统的控制核心，称为智能功率模块，它以IGBT(绝缘栅双极型晶体管)为核心，辅以驱动集成电路、主控集成电路。MCU对所有的输入信号进行处理，并将驱动电机控制系统运行状态信息通过网络发送给整车控制器VCU。驱动电机控制器内含故障诊断电路，当电机出现异常时，达到一定条件后，它将会激活一个错误代码并发送给VCU整车控制器，同时也会储存该故障码和相关数据。驱动电机控制器主要依靠电流传感器(图6)、电压传感器、温度传感器来进行电机运行状态的监测，根据相应参数进行电压、电流的调整控制以及其它控制功能的完成。电流传感器用于检测电机工作实际电流，包括母线电流、三相交流电流。电压传感器用于检测供给电机控制器工作的实际电压，包括动力电池电压、12V蓄电池电压。温度传感器用于检测电机控制系统的工作温度，包括IGBT模块的温度。驱动电机控制器上分为低压接口和高压接口(图7)，低压接口端子定义如表4所示。二、驱动电机系统功能通过驱动电机工作状态可以了解新能源汽车驱动系统的基本功能，根据驾驶员意愿驱动电机的工作状态：挂D挡加速行驶时、减速制动时、挂R挡倒车时以及E挡行驶时来了解它的工作过程。1、D挡加速行驶驾驶员挂D挡并踩加速踏板，此时挡位信息和加速信息通过信号线传递给整车控制器VCU，VCU把驾驶员的操作意图通过CAN线传递给驱动电机控制器MCU，再由驱动电机控制器MCU结合旋变传感器信息(转子位置)，进而向永磁同步电动机的定子通入三相交流电，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势；另一方面以电磁力拖动转子以同步转速正向旋转。随着加速踏板行程不断加大，电机控制器控制的6个IGBT导通频率上升，电动机的转矩随着电流的增加而增加，因此，起步时基本上拥有最大的转矩。随着电动机转速的增加，电动机的功率也增加，同时电压也随之增加。在电动汽车上，一般要求电动机的输出功率保持恒定，即电动机的输出功率不随转速增加而变化，这要求在电动机转速增加时，电压保持恒定，其中永磁同步电机输出特性曲线如图8所示。与此同时，电机控制器也会通过电流传感器和电压传感器，感知电机当前功率、消耗电流大小、电压大小，并把这些信息数据通过CAN网络传送给仪表、整车控制器，其具体工作原理如图9所示。、R挡倒车时当驾驶员挂R挡时，驾驶员请求信号发给VCU，再通过CAN线发送给MCU，此时MCU结合当前转子位置(旋变传感器)信息，通过改变IGBT模块改变W\V\U通电顺序，进而控制电机反转。3、制动时能量回收驾驶员松开加速踏板时，电机由于惯性仍在旋转，设车轮转速为V轮、电机转速为V电机，设车轮与电机之间固定传动比为K，当车辆减速时，V轮K＜V电机时，电机仍是动力源，随着电机转速下降，当 V轮K＞V电机时，此时电机由于被车辆拖动而旋转，此时驱动电动机变为发电机(图10)。BMS可以根据电池充电特性曲线(充电电流、电压变化曲线与电池容量的关系)和采集电池温度等参数计算出相应的允许最大充电电流。MCU根据电池允许最大充电电流，通过控制IGBT模块，使“发电机”定子线圈旋转磁场角速度与电机转子角速度保持到发电电流不超过允许最大充电电流，以调整发电机向蓄电池充电的电流，同时这也控制了车辆的减速度，具体过程如图11所示。
·电动汽车用驱动电机控制系统研究·
电劲汔季用绍动电机搪帚哆系伤研宓
肖平１冯能莲２
ＸＩＡＯＰｉｎ９１，ＦＥＮＧＮｅｎｇ—ｌｉａｎ２（１．安徽工程科技学院先进数控和伺服驱动技术安徽省重点实验室，安徽芜湖２４１０００；
２．北京工业大学环能学院，北京１０００２２）
摘要：驱动电机的控制技术是电动汽车的关键技术之一。对整车性能有决定性的影响。文中针对电动汽车的要求对宣流驱动电机的控制系统进行研究．完成了控制系统软硬件设计。采用智能功率模块ＩＰＭ作为强电回路的主要功率器件．设计中采用软件滤波和光电隔离的措施以提高系统的抗干扰能力，采用模糊ＰＩ调节对电枢电流和励磁电流进行闭环控制。试验表明。所设计的控制系统能够满足电动汽车的行驶要求，为进一步进行电动汽车的研究奠定了基础．积累了一定的技术经验。
关键词：电动汽车；直流电机；控制；设计；模糊ＰＩ
中图分类号：Ｕ４６９．７２：ＴＭ３３１＋．３
自从电动汽车面世以来，就有了电机驱动系
统。电机驱动系统是电动汽车的心脏。它的任务
是在驾驶员的控制下，将蓄电池的电能转化为车轮上的动能，或者将车辆上的动能反馈到蓄电池
中【¨。电动汽车对电机驱动控制系统的基本要求
是：有４－５倍的过载动力以满足短时加速行驶和
最大爬坡度的要求；电机应根据车型、车辆的行
驶规律进行设计；要求有较高的功率密度和好的
效率图（在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率）。从而能够降低车重，延长续驶里程；为使
多电机协调运行，要求电动汽车驱动电机可控性
高、稳态精度高、动态性能好【２】。目前，在电动汽
车上运用的电机驱动系统主要有直流电机驱动系统、异步电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系
统、永磁电机驱动系统。异步电机有结构简单、电机成本低等优点，但有驱动系统的控制复杂，不
易达到宽范围的恒功率调速的缺点；开关磁阻电机有效率高、成本低等优点，但是电机驱动系统
有转矩脉动，噪声大并且使用位置传感器增加了结构复杂度，降低了可靠性等缺点；永磁电机具文献标识码ｉＡ
