摘 要

节能环保主题在各行各业引起了重视，传统汽车存在的一系列例如噪声污染等问题，于是新能源汽车成了一个比较火的话题。本课题在对车用电机及控制系统研究及发展现状调研的基础上，比较分析几种车用驱动电机之后，重点学习了异步电动机的结构和工作原理，研究了其直接转矩控制（DTC）技术。本文提炼了一部分国内外关于新能源汽车电机及控制系统的大致发展状况；讲述了异步机DTC的一些基本思想，并建立了异步机数学模型；由于基于六个矢量的DTC系统有着较大的转矩脉动，我们选择了一种扩充矢量的改良方案；关于系统的探索，本文建立了基本的和基于十二矢量的改良仿真；仿真研究可以看出经典DTC控制的特质，以及定性比较了基本和改良方案发现脉动的改善效果良好。作者水平有限，系统也有很多部分没有探索，未来可以继续探索优化。

关键词：车用电机；直接转矩控制；十二矢量；仿真研究

Abstract

The theme of energy conservation and environmental protection has attracted attention in all walks of life. There are a series of problems with traditional automobiles such as noise pollution. Therefore, new energy vehicles have become a hot topic. Based on the research and development of the research and development status of vehicle motors and control systems, this topic focuses on learning the structure and working principle of asynchronous motors and compares their direct torque control (DTC). technology. This article abstracts some of the general development status of new energy automotive motors and control systems at home and abroad; describes some basic ideas of asynchronous machine DTC, and establishes a mathematical model of asynchronous machines; as the DTC system based on six vectors has a large turn For moment pulsation, we have chosen an improved scheme for expanding the vector; on the exploration of the system, this paper has established a basic and twelve-vector-based improved simulation; the simulation study can see the characteristics of the classic DTC control, and the qualitative comparison of the basic and The improved plan found a good improvement in pulsation. The author's level is limited, there are many parts of the system that have not been explored, and the future can continue to explore and optimize.

Keywords :Vehicle motor; Direct torque control; Twelve vector; Simulation research

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的目的及意义 1

1.2 车用电机及其控制系统发展现状 1

1.2.1 国外车用电机及其控制系统发展历程及现状 1

1.2.2 国内车用电机及其控制系统发展历程及现状 2

1.3 车用异步电机驱动技术的发展 3

1.4 本文研究的主要内容 4

第2章 异步电机直接转矩控制系统基本原理 5

2.1 交流异步电机数学模型 5

2.2 电压型逆变器的模型 7

2.3 圆形定子磁链轨迹的实现 9

2.4 本章小结 10

第3章 车用异步电机直接转矩控制系统整体方案 11

第4章 异步电机直接转矩系统仿真 15

4.1 基于六矢量的异步电机直接转矩控制系统仿真 15

4.1.1 磁链和转矩观测模块 15

4.1.2 磁链调节模块与转矩调节模块 17

4.1.3 磁链区间判别模块 18

4.1.4 开关信号模块 19

4.1.5 转速调节模块 22

4.1.6 基于六矢量的整体仿真模型 23

4.2 基于十二矢量的异步电机直接转矩控制系统仿真 23

4.2.1 基于十二矢量的磁链区间判别模块 24

4.2.2 基于十二矢量的开关信号模块 26

4.2.3 基于十二矢量的整体仿真模型 28

4.3 本章小结 29

第5章 仿真结果与分析 30

5.1 基于六矢量的仿真结果 30

5.2 基于十二矢量的仿真结果 33

第6章 结论与展望 35

参考文献 36

致谢 37

第1章 绪论

课题研究的目的及意义

汽车的发展为人们的生活工作等提供了很大的方便，但是由于传统汽车引起的一系列能源、气候、噪声、污染等问题，新能源汽车无疑是未来的发展趋势。汽车心脏部件之一的电机的驱动系统一直是人们探讨的热门课题。在节能环保的主题下，发展电动汽车已经成为各国政府和汽车工业行业的共识，被各国政府普遍确立为保障能源安全和转型低碳经济的重要途径，国际上各大汽车集团也都在致力于发展这项综合技术并开展产业化研究，我国当前的汽车行业正处在从投资向创新驱动转型期，电动汽车自主创新是我国汽车工业技术翻身并实现打技术翻身仗的关键点^[1]。

电机驱动系统是电动汽车不可缺少的重要部分，和整车动力性能密切相关^[2]。目前的电动汽车中，由于直流电机有电刷、换向器，造成了它不方便修理，复杂的构成以及提速受限等原因，学者们不怎么钟爱。与直流电机比较起来，交流电机就显得很有优势，其简单的结构、超大功率、良好的可靠性博得了大家的热爱。因此，在电动汽车的应用中，它已渐渐抢走了直流电机的宝座。随着功率器件、控制策略、微处理器和ASIC、计算机辅助技术、PWM技术的发展，高性能的交流变频调速系统日趋成熟。

随着科技的发展，控制理论和控制方法是日新月异，矢量控制和直接转矩控制一直是现代的研究热门。直接转矩控制技术（DTC）是上世纪80年代中期继矢量控制技术之后出现的高性能交流变频调速技术。此技术刚开始推出，就以其新鲜的控制思想，一目了然的系统结构，控制法子直接，系统响应快，鲁棒性好等特点，受到了电机控制行业的广泛关注。并且其动、静态性能良好。DTC系统是直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型。它不需要用传统的将交流电机通过一些运算等效成直流的去分析控制，而是正如其名直接操控磁链及转矩。因此他所需要的信号处理工作比较简单，并且直接转矩控制的磁场定向是用的定子磁链。相比矢量控制，这种方式的控制大大减少了控制效果容易受参数变化影响的问题。所以本课题对异步电机直接转矩控制系统的研究对于科研和生产存在一定价值。

车用电机及其控制系统发展现状

国外车用电机及其控制系统发展历程及现状

国际上电动汽车电驱动系统专门的供应商不是很多，一般有传统电机企业、汽车电子企业或电池企业拓展的供应商提供，国外的主要企业有美国的Enova公司（主要产品是感应电机驱动系统）、Arzue公司（其产品主要应用于军事和混合动力汽车上），加拿大的巴拉德，日本富士电子研究所（为丰田公司提供永磁电机驱动系统），德国磁电等^[1][2]。海外已经可以提供满足要求的产品，但是品类少，价格高。并且由于某些专利限制等原因，在市场上买到合适的产品还不怎么容易。但是从发展趋势上看，产量是批量增加，国外的供应商会呈爆发性的趋势发展起来。

在美国能源部组织开展的FCVT计划七个子项目中就包括电力电子和电机，并且由多个研究机构和汽车厂商组成的FreedomCAR联盟，在面向汽车应用的先进电力电子技术的研究以及取得了显著的进展^[3]。低铁损的非晶铁磁材料已经在样车上应用，但目前成本高。

通用汽车公司采用双混合动力技术在大型SUV平台上应用较为成熟的技术。目前这种技术在市场上的产品09款凯雷德的发动机最大功率可到248kW，最大扭矩498N.m，电功率比可达40%。

欧盟委员会提出了很多吸引各集团发展新能源汽车的战略，这些政策让欧车企出现快速调整的一个动向。在车用电机及其控制系统领域，如大陆、AVL等均以电驱动集成系统的整套解决方案向汽车厂商推广。以大陆电力电子集成控制器为例，集成了电机控制器、低压DC/DC变换器、整车控制器等，系统质量功率比大于5kW/kg。

日本以丰田为代表，第三代普锐斯逆变器改变了传统的封装结构，去除了昂贵的材料，大大降低了电机及其控制系统的成本。牵引电机采用新的硅钢材料并去掉传动皮带结构、提高系统电压并为电机配备减速器，在实现小型化的同时提高了输出功率。发电机采用粉末铁芯直接铸成和集中绕组的方式，线圈端缩短了30%。

总体来说，欧美各国研发的电动客车多采用交流异步电机。为了让车变轻，电机壳多选用铸铝材料，并且电机恒功率范围比较宽，最高转速可达基速的2到2.5倍。而日本今年的电动汽车主要是永磁同步电机。电机恒功率范围很宽，最高转速可达基速的5倍，在功率密度和产品集成度上有很大的优势。

国内车用电机及其控制系统发展历程及现状

在科技部的支持下，通过“八五”、“九五”、“十五”期间的攻关，我国学者们的努力下已经掌握了电动汽车的大量前沿技术，自主设计开发电动汽车用电机系统产品的能力上升了一个台阶，为电动汽车电机系统之后产业化的小目标打下了基础。但除了少数传统电机生产企业外，其他就是一些资金经验等不是很高的高校科研院，毕竟产业化经验以及资金能力不够不是个小问题。还有些高新企业没有汽车产品的大规模批量生产供货经验。

经过近年学者们十几年的埋头探索和实际应用，我国已经独立开发了满足种种电动汽车需求的驱动电机系统产品。很多相关知识产权也有了，所以在这方面就很吃香了。目前，我国独立开发的永磁同步电机、交流异步电机和开关磁阻电机已经融入了国内整车产业化技术^[5]。据资料显示，查得我国电机功率密度大于1.3kW/kg，电机系统最高效率达到93%以上，功率范围覆盖了200kW以下电动汽车用电机。由此可见很多核心指标达到相同功率等级的国际先进水平^[1]。

我国电动客车以交流异步电机系统和开关磁阻电机为主，并且已经小批量生产并且使用。以高密度永磁电机为代表的各类车用电机和无刷直流电机驱动系统明显有了突破，部分技术指标接近国际先进水平。在电机设计方面，采用电机与变速器在机械、电磁和热一体设计，并且在制造工艺上进行了一些摸索。在电机及其控制系统关键材料和零部件方面获得显著成果，如钕铁硼永磁体最高工作温度280摄氏度，水平堪比日本和德国，并且开发出了0.27到0.35mm不同规格硅钢片，转速位置传感器各项指标性能与国外相当，但是IGBT管芯基本上依赖进口，国内也正在研究和小批量生产。总体来说，我国已经掌握了车用电机及控制系统的核心技术，但仍处于中小批量生产阶段，整体上国内和国外有一定的差距。大批量生产指日可待。

结合国内外的现状，车用驱动电机的发展的大致趋势无疑就是是向永磁化、集成化和数字化发展。

车用异步电机驱动技术的发展

现在电动汽车使用的电机很广泛，包括交流异步电机、直流无刷电机、永磁同步电机和开关磁阻电机等。虽然目前有永磁同步电机已逐步取代交流异步电机的说话，但是异步电机具有结构简单、成本很低、转矩脉动小以及低噪声等依然很实用的优点，并且其控制技术比较成熟，所以本课题对异步电机的控制的研究依然具有研究意义。例如日本三菱汽车工业公司的REBELEV小型乘用车、日野汽车工业公司的混合动力大客车以及我国BK6120EV电动公交车均采用的异步电动机。

交流异步电动机控制方法不少，以前很老的变压变频，如V/F控制、转差频率控制等，满足不了驱动性能的要求。进入上世纪七十年代，异步电机的磁场定向矢量控制（FOC）诞生，相比之前的控制方式具有很大优势。通过坐标变换将交流机等效为直流机，然后对变换的量进行观测和控制，可以获得和直流机几乎一样的动、静态性能。矢量控制是对转子磁链的观测，然而为了精确的观测就得引入补偿算法，这样就使得系统变得相对复杂。

在矢量控制出来之后，上世纪八十年代，德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授分别提出了两种控制方案，即六边形磁链控制和圆形磁链控制的方案^[1][4]。1987 年，这种控制理论又被运用到了弱磁调速范围。DTC技术手段和物理概念很清晰，转矩响应很快，非常适合电动汽车应用。

鉴于DTC和矢量控制都是在电动汽车已经得到实际应用的高性能热门技术，特意对比这两种热门的产物，发现两者各有千秋。经过阅读一些文献，对比这两种控制方式的部分特点和性能，列入下表1.1：

表1.1 直接转矩控制系统和矢量控制系统的比较

本文研究的主要内容

本课题在对车用电机及控制系统研究及发展现状调研的基础上，对几种车用驱动电机进行比较分析，重点学习了异步电动机的结构和工作原理，研究其控制技术，并根据技术要求，建立异步电动机及其直接转矩控制系统的数学模型。利用MATLAB建立了经典的基于六矢量的直接转矩控制系统之后，又钻研了基于扩充矢量表的改良方案，建立了基于十二矢量的异步电机直接转矩控制系统模型，来改良转矩脉动。

第2章 异步电机直接转矩控制系统基本原理

直接转矩控制系统的基本思想是根据定子磁链幅值偏差的正负符号和电磁转矩偏差的正负符号以及当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制^[4]。

咱们只需要抓住两个对象：定子磁链、转矩。这种控制方式不用那么繁琐的进行一些旋转变换，而且抓住定子这个对象就可以，不用考虑转子磁链。不仅操控方便，而且转矩的响应还很快。但是没有完美的系统，我们是这种方式由此付出的代价是会产生冲击电流，我们得引起重视，不然它就损坏开关器件了。

2.1 交流异步电机数学模型

异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质^[4][9]。虽然有传言说异步机会渐渐被永磁同步机挤出去的说法，但是本人认为异步机依靠它自身的一些优势，至少目前是广泛被选用的。

咱们理论研究它的时候把它当做理想模型，一般做的几点假设关于电机的书籍上基本都有提到，作者参考的本校的运动控制教材，读者可查阅，此处就不再赘述。

基本方程如下：

（2.1）

（2.2）

（2.3）

、—定、转子的电阻.

、—转子自、互感.

—转子角速度.

、：定子电压（、）分量

、：定子电流（、）分量

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