电动汽车电机驱动控制系统设计研究

陈立峰

摘要：探究电机驱动控制系统的设计原理，对电动汽车电驱动技术长足发展具有深远意义。其中包含电动汽车电机驱动控制策略的选择分析、电动汽车动力源的要求以及电动机的几种主要调速策略。按照所选择电机的特征，设立了驱动控制系统的操纵模型。基于增量式PI控制算法的理论之上，选择出合理的工程方案，进而择取出PI控制系统主要参数值，设计出系统的主要控制程序。

关键词：电动汽车；驱动电机；控制系统

载燃料汽车拥有量的不断增长趋势下，汽车给人类带来了一系列环境污染和石油资源匮乏的问题。由于电动汽车使用过程具有零排放、噪声低，以及综合利用能源等优势，电动汽车将为我国节能环保方面做出巨大贡献。电动汽车驱动控制技术是制约其发展的关键因素。

1电动汽车电机驱动控制系统

最近几年来，在电动汽车研发和革新上虽然取得一定成就，但仍然遗留急需解决的技术难点。

1）电动车的电池使用年限很短，更新更换频率大。

2）电池充电过程历时时常较长，一次充电完成需要耗时610h。

3）电动汽车一次充电完成后，行驶范围太短。这主要是由于电池比能量低造成的。

4）电动车动力远远没有达到理想效果，技术还不成熟，需要在电动车电机技术以及电机驱动控制系统继续深入研究。

电力驱动系统、电机、电池等是制约电动汽车长久发展的重要因素。动力传动系统能够有效保障车辆的动力性、里程和安全性。尤其现阶段电池创新技术尚未得到有效突破的情况下，为了提升电动汽车的里程数，需要在电机驱动控制系统的研究和开发多下功夫，使电动汽车更具实用价值。

2控制系统的基本结构内容

电动汽车的最核心部分是电机驱动控制系统，驾驶员的主要职责是操纵驱动系统，让电动车电能充分高效能地转换为汽车的动能，克服行驶过程路面的摩擦阻力。见下图所示，从功能角度分析，电气和机械两大系统都是电动汽车的电机驱动系统。电气系统是电机驱动控制系统的关键环节。系统由电动机、功率变换器和控制器三个关键器件组合而成。

3电动汽车电机驱动控制策略

3.1电压控制策略

如下式直流电机调速系统的特点为（忽略电池内阻情况下）：

Te=CmUdo-Cen[]R

压力调节器在最大输出电流极限下呈现机械特性。因受到电压模式牵制，电压大的电动车电机输出功率较大，所需的电枢电流较大。为了保证电机效率有效提升，电枢电路的电阻R小而Ce、Cm大，因此，倾斜角度就越大，代表Te值越大。同时在此种模式下，最大限流区域也就是控制系统的工作集中区域，此外，加速踏板对应控制不同的电压。另外，一经发现电压值超过电机反电动势，控制系统就会向限流控制区域倾斜。电车汽车通常凭借最大扭矩运作行驶，这有别于传统驾驶特性。

3.2限速策略

传统的闭环内燃机车控制不同于电动车电机调速，内燃机车面对的行驶摩擦阻力不尽相同，在不同的节气门开启时，可以达到最大速度档位，并利用闭环控制来调节踏板的不同位置，以保证行驶速度的变化。

另外，系统在控制速度模式下的现实情况，尽管电动汽车自身属于大型的惯性系统，但为了保障电机输出转速的快慢能到跟上输入指令节奏，最大力矩是电机的输出力和力臂的乘积。当车辆处在行驶状态时，司机调控命令的输入以便限制旋转角度的更多踏板变化形式。当电动车正常运行过程中，由于路面的振动颠簸导致踏板发生轻微错位。这种轻度的错位避免不了地导致车辆以加速度和减速度继续运行，同时客户乘坐舒适度感觉会大大削弱。此外，在窄小道路行驶需要缓慢进行或者需要驾驶员微调接近于零的电动机速度方可通过，此时会受到驾驶员的反应速度和现有的操纵限制，并且闭环速度控制难以完成。

3.3力矩限制战略

对于永磁直流电机系统，转矩控制电流负反馈系统。电动汽车的驱动电机系统可以直接输入转矩从而掌控踏板指令，且电流传感器能及时检查电枢电流的闭环控制。在理想功率条件下，永磁直流电动机的转矩和转速特性与线速度轴平行。

它的曲线方程是：

Te=CmId

式子中：Id——电动机电枢电流。

4电机驱动器的软件设计方案

软件系统是EV电机驱动控制器设计的重点，它将控制算法、控制逻辑和整个硬件系统资源结合起来，实现控制功能。该软件完成了各种控制算法、控制策略和运行过程。电机驱动控制器软件的设计包括PI控制算法和PI控制参数设计，PWM输出编程，主控制程序设计和中断程序设计。

4.1完成实现PI控制算法

上图是电机控制系统控制器PI算法模块的程序流程。

系统运行时，首先从CAN总线采集PI控制器的参数数据，每秒钟中断一次定时器完成PI控制计算，控制参数继续调整。通过对PWM控制单元的参数变化，LPC2119调整输出PWM波形的占空比，完成实时控制任务。在正常情况下，输出控制增量在相对较小的范围内波动，最终实现稳定控制。因此，程序指定输出增量的上限Umax数值和下限Umin数值。

4.2调整PI控制器的参数值

PI控制器参数的选取直接关系到控制效果的好坏。建立PI参数的方法有多种，可分为工程设定法和计算整定法。理论计算的调整方法需要已知过程的数学模型，计算复杂，工作量大，可靠性低，需要重復现场标定。所以这个项目没什么用。项目调整方法不需要预先知道数学模型的过程，可以直接在控制系统中进行调整。这种方法简单，易于操作。所谓的临界比例法是常用的。在一个封闭的控制系统中，调节器处于一个纯比例的作用下，逐渐从调节器改变振荡过程，这个比值被称为临界值，相邻两个峰之间的间隔称为振荡临界周期。此时应注意比值系数k和临界振荡周期r。根据ZieglerNichols提供的经验公式，可以用不同类型的控制器参数获得两个参考参数。

表中的控制器参数是通过实际衰减1/4获得的。一般认为1/4衰减可以认为是速度快和稳定性能好。数字PI控制是一种准连续PI控制，采样周期远小于控制对象的时间参数。基于此，得到了模拟调节器的整定方法。原则上，数字PID调节器也是适用的。

5结语

工作人员通过实验研究电机系统设计方案，电机驱动控制的电枢电流闭环控制策略。开始成立驱动控制系统中数学模子。基于此模型的基础之上，确立PI控制算法，抉择出PID控制器的参数，规划主控制模板的主要程序。

参考文献：

[1]陈清泉.现代电动汽车技术[M].北京：北京理工大学出版社，2002.

[2]李铁才.电机控制技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000.