遼寧科技大學本科生畢業設計（論文）遼寧科技大學本科生畢業設計（論文）第頁1緒論1.1課題背景及選題意義電動汽車，如清潔能源，節能，低噪音和能源多樣化，是公認的解決未來能源問題和環境問題的最有效的工具之一，在世界上，各國政府，企業和科研機構的所有國家的關注。中國電動汽車的技術水平與發達國家相差不大，而目前的格局是一種罕見的為中國汽車制造業的發展機會，并加強研究和開發，以生產出達到當代國際水平并具有自主知識產權的電動汽車，是國家的利益所在。電動汽車最明顯的優勢是快速準確的轉矩控制，如果不能充分利用這點，電動汽車的性能難以在與其他新能源汽車的競爭中獲得絕對優勢（如在能源消耗方面，柴油混合動力汽車會更低）。通過實現和超越傳統內燃機性能的智能控制的電動汽車電機驅動系統，不僅只是在簡單的動力源替換，尤其是配備多個電機的電動車。由于其特殊的布置形式而在提高汽車操縱穩定性方面具有令人矚目的潛力[1-2]。在本文中，采用雙電機前輪的電機進行了研究。無刷雙饋電機作為驅動電機，并分別對驅動系統結構及電機牽引、汽車操縱穩定性控制、差速控制策略問題進行深入的研究。本論文一方面研究電動汽車無刷雙饋電機牽引控制問題，提出針對性地控制結構與控制策略，另一方面以提高操縱穩定性為目的，研究兩個牽引電機的協同控制，研究成果既具有理論意義亦有工程應用的可能。1.2電動汽車的發展概況1.2.1國外發展現狀從1970年起，發達國家已經在商業開發和應用電動汽車方面投入了巨資。到20世紀90年代，美洲和歐洲國家都相繼制定并嚴格執行[3]關于汽車尾氣排放標準。在美國大力發展純電動汽車需要很長的時間，需要的投資也非常大。早在1991年，在美國創建了先進的電池聯盟是由三大汽車公司共同簽署了一項協議而成立的，這個聯盟是共同合作和研發汽車電池去供應電動型汽車。在1990年初，為了發展ev-i型純電動汽車美國通用汽車公司投資近10憶美元，這種汽車車大容使用鉛酸電池和鎳氫電池，具有137馬力、3相交流感應電動機驅動，最大的時速可高達80km/h，一次性充電可行駛的里程為75~130km，完整的充電時間為5.5~6h。之后通用公司新建設了電動汽車生產線。2002年福特公司在市面上推出了全新的THINK都市車。這種汽車采用了前輪驅動，運用的是交流電的控制系統和單速齒輪減速傳動裝置，還有別的充電設備可以選擇，在內的插入式充電器為標準配置分別為110V或220V，220V的充電設備可以在6~8h之內將電池充滿[4-9]。在日本，電動汽車已受到各個領域的關注，日本在1997年后的一些制造商就開始銷售第二代純電動型汽車，這種汽車裝配了鎳氫和鏗離子電池。在近20世紀末，日本的豐田公司研發出了裝備RAV-4EV型純電動轎車，這種汽車的動力裝配是一臺不用維修護理的功率為50kw的交流同步電動機，汽車的電力的支持是由88V鎳氫電池供給的，充電的時間為5~6h，最高的速度是125km/h，通過一次性充電能行駛的距離215km。隨后日產公司成功的研制出一款采用鏗離子電池為主動力的LunnetEV五座純電動轎車，一次性充電可行駛多達230km并且最高車速為120km/h。閃耀在第16屆國際電動車展會上的新型電動車—“Prius”，它是由豐田公司研發的，至今在日本國內、美國、歐洲分別銷量達3.5萬輛、1萬余輛、1萬余輛。歐洲也投入力量大力發展電動汽車。法國在電池、電子控制和電機技術等電動汽車技術方面位于全球前列，法國的電動車產業最具優勢，在整個的歐洲共有電動汽車的數量為12000輛，而單單法國所擁有的數量就占據了這個歐洲的63%。在1971年，德國成立了城市電動車交通公司(GES)，1991年國家投入了300輛電動汽車進行運行。1.2.2國內發展現狀我國正式對電動汽車的研制始于1981年，自從20世紀90年代以來，國家支持研發的關于電池技術和電動汽車的項目數量達十余項；機械部主辦了關于電動型汽車的發展戰略研究會；中美合作簽署了電動汽車技術相關的戰略協議；在中國的汕頭、南澳島開通了國家電動車專用實驗區，并擁有世界各國多種先進的車型。目前，我國已自主開發出多種型號的電動汽車，中國首輛電動轎車于2001年6月也在湖北東風汽車公司問世。近600輛由我國自主研發的新能源汽車在北京2008年奧運會時得到了成功使用。2010年的上海世博會，各場館使用了大量的電動車。國家高技術研究發展計劃關于電動汽車重大專項燃料電池轎車項目分別由我國北京理工大學、清華大學、同濟大學三所大學承建。我國西安交通大學在電動車關鍵的技術領域研發了有多達15項國家發明專利，且正式授權的有5項。1.3多電機驅動電動汽車控制技術目前，許多電動汽車發展還處于傳統的燃油汽車動力改造階段，其結構是借用汽車的傳動體系，采用一個動力電動機，由減速器和差速器驅動兩個（或四個）驅動輪。明顯的，這樣的結構只是改變了傳統汽車的動力源，只有電動機的轉矩特性較發動機有一定的改善，但是并沒有根本充分發揮電動驅動系統和改變車輛的運動性能所帶來的技術進步的優勢。多電機驅動系統直接面向電動汽車的理想的結構形式，給電動車帶來了許多不同于傳統燃油汽車的新問題和新特性，基于本課題的研究成果，使得電動車技術全面超越燃油汽車成為可能。1.4主要研究工作本文以無刷雙饋電機牽引的雙輪驅動電動汽車為研究對象，將對驅動系統及整車操縱穩定性的控制策略進行了理論分析、系統仿真和實驗驗證。主要工作可分解為以下部分：（1）電動汽車用無刷雙饋電機直接轉矩控制牽引控制策略的研究在研究無刷雙饋電機工作機理的基礎上，對電機直接轉矩控制系統的能流和控制方案，進行了深入的分析和仿真研究，立足于電動汽車的驅動要求，根據無刷雙饋電機在能量分配、運行方式及動態控制性能上的優勢，首次提出以無刷雙饋電機作為雙輪驅動電動汽車的牽引動力，同時采用針對性控制策略滿足車輛牽引要求，打破了傳統無刷雙饋電機的應用限制。針對無刷雙饋電機低速運行時控制繞組無謂回饋能量，造成功率及控制繞組電流過大，增加逆變器容量的問題，提出通過控制繞組電流最小化控制方案，優化系統的控制策略，切實減小逆變器功率，降低系統成本。采用無刷雙饋電機轉子速數學模型，對電機的牽引控制策略進行了全面的仿真研究，仿真結果表明：無刷雙饋驅動具有電機容量小、動態響應快、起動、制動、加速、減速各工況下能量分配靈活、高速運行能力強的優點，當逆變器不可使用時，電機可當做感應電機。對于在野外工作的汽車來講，驅動設備相當于一個“冗余”系統。實驗研究結果進一步揭示了電動汽車無刷雙饋電機牽引控制的運行機理，有效驗證了本文提出的牽引系統的可行性。（2）雙輪驅動電動汽車的差速研究根據無刷雙饋電機在結構、控制及能量傳遞方面的特殊性，提出雙輪驅動電動汽車無刷雙饋電機級聯差速控制結構，該結構充分發揮了電機雙饋輸入的優勢，簡單經濟，在車輛轉向時能量利用率高；論文還研究了雙輪無刷雙饋電機獨立差速驅動結構，仿真結果表明：級聯和獨立驅動兩種差速結構均可有效實現差速控制，級聯差速成本低，轉向時兩電機分別在亞同步區和超同步區工作，能量自動在兩電機間合理分配；獨立驅動動態性能好、調速范圍寬、能量可控性強，更利于在高速電動汽車上使用。2無刷雙饋電機運行的基本原理本文提出采用兩臺無刷雙饋電機分別驅動電動汽車的左右前輪，充分發揮無刷雙饋電機電磁功率傳遞靈活和節能的優勢。無刷雙饋電機定子上有兩套繞組，均可從電源接收或向電源回饋能量，用兩個小功率雙饋電機可取代傳統汽車的發動機、離合器、變速箱及笨重而龐大的機械差速機構。對于電動汽車的轉向控制來說，電機是實現牽引的執行機構，能否控制車輛準確執行司機指令，平穩行駛，一方面取決于雙輪電機控制指令的優化，另一方面則取決于電機的牽引控制系統能否準確地跟蹤指令，本章首先研究的即是單電機的牽引控制策略。雙輪驅動電動汽車轉向時，如果不加以控制，則將產生內外車輪的轉速過快或過慢問題，從而導致汽車轉向困難，車輪與地面的相對滑動，加快了輪胎的磨損率。為保證在汽車轉向時，所有車輪均繞轉向中心作純滾動，外輪車速應大于內轉車速，即需要對左右兩牽引電機進行差速控制。雙饋電機的雙繞組結構為差速控制帶來很多優勢，采用何種差速控制結構和控制方案也是本章要討論的問題。無刷雙饋電機在定子側具有控制繞組和功率繞組，按照轉子結構的不同，又可分為籠型以及磁阻轉子兩類，本文選用籠型無刷雙饋電機。無刷雙饋電機的控制繞組，其作用相當于轉子，它的功率繞組的作用就等同于一般的繞線式雙饋電動機的定子，而取消了繞線電機的電刷，將定子控制繞組和功率繞組都接至逆變電源上，通過調節功率、控制兩繞組的逆變器頻率實現調速，如圖2.1所示。圖2.1無刷雙饋電機調速系統示意圖無刷雙饋電機定子上兩套繞組的磁場沒有直接耦合關系，通過調制機理，以特殊結構的轉子為中介實現兩種不同極對數、不同轉速的磁場耦合并完成能量的傳遞。定子兩套繞組產生極對數分別為和的基波磁場，通過氣隙使轉子繞組產生感應電流，這時轉子繞組也分別感生了極對數為和的磁場，功率繞組對極基波磁場在轉子內感應出對極磁場與控制繞組對極基波磁場相互作用，控制繞組對極基波磁場在轉子內感應出對極磁場與功率繞組對極基波磁場相互作用，從而實現了機電能量的傳遞。a）反向序b）同向序圖2.2BDFM內部磁場相互作用關系改變控制繞組或功率繞組逆變器的輸出頻率，可實現無刷雙饋電機的調速，雙饋運行時，控制繞組和功率繞組同時接通三相交流電源，得到定子磁路中同時存在著2個旋轉磁場。當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，它們所產生的旋轉磁場方向相異，同步轉速、分別為：(2.1)(2.2)設轉子的旋轉速度是nr，則兩個定子磁場在轉子中frp、frc分別為：(2.3)(2.4)當頻率為frp的電流，流過轉子導體時，產生的旋轉磁場相對于轉子的轉速為：(2.5)當頻率為frc的電流，流過轉子導體時，產生的旋轉磁場相對于轉子的轉速為：(2.6)想要得到恒定的電磁轉矩，這兩個磁場必須進行同步旋轉，由式(2.5)和式(2.6)可知，轉子電流頻率必然相同，即：(2.7)同理，頻率為frp和frc的電流也會流過轉子導體，必須在滿足式(2.7)的條件時，控制繞組電流建立的磁場與它們產生旋轉磁場才會同步，它們之間的相互作用產生了恒定的電磁轉矩，維持了電機的穩定運行。綜上所述，由式(2.1)～式(2.4)和式(2.7)，得到，穩態運行時電機轉速的關系式：(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、控制繞組極對數。需要注意的是當nr=np時，BDFM處于臨界狀態，轉子中不產生感應電動勢也無電流，不能產生電磁轉矩。根據式(2.1)、式(2.2)和式(2.8)可以得出臨界狀態下控制繞組頻率fc-L為(2.9)3無刷雙饋電機牽引控制策略電動汽車牽引電機控制系統是個典型的隨動系統，對每個電機高性能的牽引控制，是保證車輛運行性能的前提。3.1無刷雙饋電機直接轉矩控制（1）功率繞組與控制繞組磁鏈、轉矩控制原理無刷雙饋電機運行時相當于一臺2()極普通感應電機，定子控制繞組和定子功率繞組等同于普通感應電機的轉子繞組和定子繞組。用控制繞組和功率繞組磁鏈表示的電磁轉矩表達式，即：(3.1)式中：和分別為控制繞組功率繞組磁鏈矢量的模；為控制繞組功率繞組磁鏈矢量之間的夾角。功率繞組、控制繞組磁鏈分別為：(3.2)分別調節功率繞組、控制繞組輸入電壓矢量即可調節磁鏈。當通過功率繞組和控制功率繞組磁鏈來控制轉矩時，欲加大轉矩使轉速升高時，控制功率繞組磁鏈順電機轉速方向旋轉，控制繞組則逆轉速方向旋轉，以增大控制繞組和功率繞組磁鏈間的夾角；減小轉矩時，則相反，通過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速度，進而改變來控制轉矩。功率、控制繞組均由六個開關元件組成的電壓型逆變器供電，逆變器可能的開關狀態有種，其中2種狀態輸出零電壓，六種非零電壓，分別為-。（2）磁鏈和轉矩的調節在直接轉矩控制中采用bang-bang控制直接調節轉矩和磁鏈，為降低開關頻率，轉矩和磁鏈調節器通過滯環實現，其結構如圖3.1所示。通過判斷磁鏈、轉矩的狀態和磁鏈所在的空間區域后就可以選擇合適的電壓空間矢量，得到直接轉矩控制的逆變器開關表。a）磁鏈調節器b）轉矩調節器圖3.1直接轉矩控制滯環結構圖3.2基于控制繞組電流最小化直接轉矩控制策略無刷雙饋電機亞同步運行時，雙饋運行能量有雙向的流通路徑，有一部分能量沒有做功而從控制繞組側流回了電池，使功率、控制兩繞組電流及輸入功率增大，這會加大對逆變器容量的要求。要想成功的將無刷雙饋電機應用在電動汽車上，必須對無刷雙饋電機的能流加以合理的優化控制。本文提出基于控制繞組電流最小化的直接轉矩控制，一方面降低銅耗，另一方面縮減對無刷雙饋電機雙繞組逆變裝置的容量要求，降低驅動成本。控制繞組磁鏈與電流夾角的確定當控制繞組磁鏈與控制繞組電流成90°時，控制繞組電流中無功分量為零，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到額定電流，大于電機控制繞組額定電流的有功分量，因而電動機的輸出轉矩可以大于額定轉矩。同時功率繞組電流小于其額定值，功率因數、效率亦有提高。在復平面中兩個矢量α、β的點乘積公式為：(3.3)式中：，為矢量α、β的模；為兩個矢量之間的夾角。設，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，可通過判斷這兩個矢量夾角的余弦值是否大于來實現，當余弦值大于時，夾角小于，余弦值小于時，夾角大于90°。（2）亞同步運行時控制繞組開關電壓矢量的選擇欲保持控制繞組電流與磁鏈始終呈90°，必須根據控制繞組磁鏈的旋轉方向來選擇適合的開關電壓矢量，保證控制繞組電流與磁鏈相互垂直。在亞同步運行狀態，假設當前控制繞組電流矢量與控制繞組磁鏈矢量ψc呈垂直狀態，當施加一個與控制繞組磁鏈矢量ψc夾角小于90°的控制繞組電壓矢量uc時，將使控制繞組電流矢量ic與控制繞組磁鏈矢量ψc的夾角變小。相反，當施加一個與控制繞組磁鏈矢量ψc夾角大于90°的控制繞組電壓矢量uc時，將使控制繞組電流矢量ic與控制繞組磁鏈矢量ψc的夾角變大。按逆時針方向對控制繞組電壓空間矢量作用范圍進行了劃分，分為六個區段()，在每個區段可以選用兩個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。將控制繞組磁鏈矢量向，，三軸做投影，來確定控制繞組磁鏈所在的區間，一旦磁鏈所在的區間被確定，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，，三個軸上的投影，，，分別代表磁鏈的開關狀態，當對應的投影值大于零時為1，當對應的投影值小于零時為0，，，分別代表逆變器的功率開關器件的開關狀態。圖3.2控制繞組控制開關選擇圖中，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，，三個軸上的投影，，，分別代表磁鏈的開關狀態，當對應的投影值大于零時為1，當對應的投影值小于零時為0，，，分別代表逆變器的功率開關器件的開關狀態。與磁鏈開關狀態的邏輯關系：(3.8)與磁鏈開關狀態的邏輯關系：(3.9)對應的開關電壓選擇表，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）超同步運行時控制繞組開關電壓矢量的選擇在超同步狀態時，功率繞組磁鏈的旋轉方向不變，而控制繞組磁鏈則按順時針方向旋轉，所施加的電壓空問矢量應按順時針施加。超同步狀態時，對功率器件的開關狀態與控制繞組磁鏈矢量ψc的開關狀態其分析方法，可按照亞同步時的分析方法得到，逆變器磁鏈開關狀態與功率開關器件的開關狀態的關系：與磁鏈開關狀態的邏輯關系：(3.10)與磁鏈開關狀態的邏輯關系：(3.11)由以上分析可得出，無刷雙饋電機控制繞組電流的最小優化控制方法的開關狀態選擇表，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化控制策略能夠通過控制控制繞組電流、控制繞組的無功電流來降低功率，減小損耗，提高能量利用率，同時還能夠降低對功率、控制繞組雙側逆變裝置的電流要求，優化逆變器容量，節省成本。3.3牽引系統仿真（1）系統仿真本文采用無刷雙饋電機轉子速數學模型，利用兩套逆變裝置，分別接到無刷雙饋電機的功率繞組和控制繞組上，功率繞組逆變器采用傳統的直接轉矩控制方案，控制繞組逆變器采用基于控制繞組電流最小化的直接轉矩控制策略，進行了牽引控制系統的仿真研究。系統原理框圖如圖3.3所示。利用Matlab語言的M-File編寫仿真程序，仿真電機參數為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：電機的同步轉速為750r/min，轉速給定值360r/min，負載為10N.m，并在t=0.25s時給定轉速增為1100r/min，系統仿真總時間為0.5s，仿真結果如圖3.4所示。系統在額定負載下運行，由圖3.4e-g可見，系統可從亞同步運行進入超同步運行，高速帯載能力強，因此汽車可放寬對變速箱等機械傳動裝置的要求；機械特性在高、低均保持同樣硬度，抗擾能力強。圖3.4b、3.4c、3.4e可見，系統啟動、升速、制動時的動態響應很快，說明系統動態跟蹤能力強，汽車驅動電機控制是隨動系統，要求電機迅速跟蹤指令，以保證安全，因此這一性能對高速行駛的汽車來說至關重要。由圖3.4a、3.4d可見，系統功率、控制兩繞組的磁鏈幅值均可穩定控制在給定值上，這一性能可為系統通過磁鏈優化改善能流分配帶來方便。圖3.3控制繞組電流最小化直接轉矩控制系統結構圖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)轉矩f)轉速g)機械特性圖3.4控制繞組電流最小優化控制方法仿真結果仿真結果表明：采用基于控制繞組電流最小化的無刷雙饋電機直接轉矩控制系統高速帶載能力強，調速范圍寬，系統動態響應快、機械特性硬，系統的跟蹤及抗擾動能力很強。（2）傳統DTC與控制繞組電流最小化DTC性能對比為了分析控制繞組電流最小化對系統輸入電流的抑制能力，對傳統直接轉矩控制（DTC）和控制繞組電流最小化直接轉矩控制進行了對比仿真，仿真中為了對比方便，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（電流最小化）d)控制繞組功率（DTC）e）功率繞組功率曲線（電流最小化）g）功率繞組功率曲線（DTC）圖3.5DTC與控制繞組電流最小化DTC對比仿真對比圖3.5a、c、e、g和圖3.5b、d、f、h的仿真可見，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，進而亦使功率繞組的電流和功率下降。結果表明：采用控制繞組電流最小化控制方案，控制無刷雙饋電機的無功功率，最小化控制繞組與電源間的無功功率傳遞，從而使控制繞組電流最小，進而降低功率繞組電流。仿真結果證明：該控制方案能夠降低電機兩繞組的電流，減小銅耗和逆變器容量。（3）系統能流分析由圖3.5e和圖3.5g可見，電機從亞同步切換到超同步狀態時，雙饋電機的控制繞組功率由負變正，說明超同步時能量從功率、控制兩繞組一起流入驅動電機，而異步電機能量只能從定子來。在高速相同負載條件下，雙饋電機用兩個小容量逆變器，而異步電機用一個大容量逆變器，由于逆變裝置的價格與容量不成比例，兩個容量較小的逆變裝置要可能比一個大容量的逆變裝置便宜。另外，雙饋電機在超同步時可以從定、轉子雙側輸入能量，超同步運行能力使系統調速范圍增寬。而異步電機沒有超同步運行能力，只能弱磁降載運行。若想達到與雙饋電機相同的驅動效果，需要更換功率更大的電機。4無刷雙饋電機雙輪差速控制原理與結構采用兩個相同的無刷雙饋電機分別驅動電動汽車的左右輪，構成無刷雙饋電機差速系統，系統結構見圖4.1。圖4.1電動汽車雙輪驅動系統4.1雙輪驅動電動汽車的轉向模型當車輛直線行駛時，假設電機直接相連車輪，電機轉子旋轉的角速度就是車輪的角速度，由于假設了各個車輪的滾動r相同，則有下式成立：(4.1)式中，分別為左、右驅動車輪的旋轉角速度。圖4.2為汽車轉向的幾何關系示意圖。設右轉向時方向盤轉角為負，左轉向時方向盤轉角為正，在車輛低速轉向行駛時，電子差速器可依據Ackermann轉角關系進行設計[10]。圖4.2汽車轉向幾何關系示意圖由圖4.2，根據其幾何關系，得：(4.2)式中，、分別為內外前輪轉向半徑；、分別為外內后輪轉向半徑，lf為質心至前軸的距離，lr為質心至后軸的距離，Tf為前輪輪距，為內輪轉角，為外輪轉角，一般可近似認為。前軸內外車輪轉向角可表示為：(4.3)式中，為方向盤轉角，為地面到兩主銷中心延長線交點之間的距離，e為主銷到車輪中心的距離。由內外車輪轉向角可計算出內外車輪輪速，根據Ackermann轉角關系計算法：(4.4)式中：v為給定車速，。然而(4.5)所以(4.6)因此，汽車轉向時，以整車質心速度為參考，計算每個車輪繞轉向中心的線速度，進而得出每個車輪需要的電機轉速，通過向電機控制器發出電壓指令實現電機轉速調節，而調整車輪轉速，合理的分配每個電機的輸出轉矩，實現車輪的純滾動轉向行駛。4.2雙饋級聯差速結構雙饋差速系統有兩個驅動車輪的雙饋電機組成，兩電機的功率繞組電壓由逆變器提供，兩控制繞組相連。通過改變電機1和電機2的功率繞組電壓頻率，可以控制車輪的旋轉速度和方向，通過改變控制繞組電壓可以控制帶負載能力，剩余的功率用于提供給另外一個電機。雙饋差速驅動系統模型，如圖4.3所示，包括：（1）兩臺相同的無刷雙饋電機，M1和M2；（2）兩臺能夠變頻且能為兩個無刷雙饋電機功率繞組提供任意極性有功功率和無功功率的逆變器；（3）兩臺雙向DC-DC轉換器，能夠為逆變器提供DC直流電壓，直流電流能根據操作情況的要求流向任一方向；（4）電池。圖4.3無刷雙饋級聯差速控制結構圖雙饋差速驅動系統能提供正向和反向的動力，兩部電機像發動機一樣運轉，如一部電機在正向亞同步范圍內運行而另一部電機在相反的超同步范圍內運行，系統中來自一個電機的回收能量會提供給另一個電機，兩個雙饋電機可實現理想的差速操作。4.3雙饋獨立驅動差速結構雙饋差速獨立驅動系統模型，如圖4.4所示，包括：（1）兩臺相同的無刷雙饋電機，M1和M2；（2）四臺能夠變頻且能為兩個無刷雙饋電機功率繞組和控制繞組提供任意極性有功功率和無功功率的逆變器；（3）四臺雙向DC-DC轉換器，能夠為逆變器提供DC直流電壓，直流電流能根據操作情況的要求流向任一方向；（4）電池。圖4.4無刷雙饋獨立驅動差速控制結構圖5雙輪驅動無刷雙饋差速系統仿真分析雙輪驅動電動汽車的電機控制的性能當車輛轉向行駛時，為了防止不穩定的驅動，內輪和外輪應具有不同的速度。傳統的內燃機車輛通過一個帶減速裝置的機械差速器來實現這一功能，雙輪驅動的電動汽車兩個前輪都能通過各自的雙饋電機獨立提供驅動力，通過差速控制，按運行工況需求獨立分配轉矩與功率，實現穩定運行。5.1雙輪驅動雙饋級聯差速系統仿真采用Ackermann轉向模型提供左右輪驅動電機的速度給定，兩個無刷雙饋電機性能完全相同，電機參數為：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，車體參數為：=1.6m，=1.7m，=1.5m，=1.6m，=0.32m。采用MATLAB的M-file對無刷雙饋電機直接轉矩控制雙輪級聯差速系統進行仿真，電機控制仍采用直接轉矩控制算法。(1)汽車直行時級聯差速驅動系統仿真仿真條件：直行時汽車起動給定速度為40km/h，0.25s時增加到160km/h，0.4s時減小到40km/h，負載為10N.m，汽車直行時運行時仿真曲線見圖5.1。由仿真曲線可見，雙饋級聯直行時，低速跟蹤能力很好，而高速跟蹤不上，原因在于雙饋級聯后，直行時控制繞組電壓相同，電流為零，此時兩雙饋電機相當于異步電機，沒有超同步能力。由仿真曲線可見，雙饋級聯直行時，低速跟蹤能力很好，而高速跟蹤不上，原因在于雙饋級聯后，直行時控制繞組電壓相同，電流為零，此時兩雙饋電機相當于異步電機，沒有超同步能力。從功率曲線0-0.25s的情況可見，起動、升速及低于同步速750rpm運行時，功率繞組輸入的能量一部分由控制繞組回流到電源，其余的能量用于驅動；從功率曲線0.25-0.3s的情況可見，電機從低于同步速750rpm運行到超過同步速，同時電機升速，低于同步速時的能流與0.25s以前相同，只不過由于升速有所增加，高于同步速后，由于控制繞組短接，相當于異步運行，控制繞組功率為零。從功率曲線0.4-0.425s的情況可見，電機從高速急降，控制繞組回饋能量。a）左輪功率繞組功率曲線b）左輪控制繞組功率曲線c）右輪功率繞組功率曲線d）右輪控制繞組功率曲線e）雙輪轉速曲線圖5.1汽車直行時系統運行曲線(2)汽車轉向時驅動系統仿真仿真條件：起動時汽車給定速度為40km/h，轉向角為0°，0.25s時加轉向角到65°，0.4s時恢復轉向角到0°。仿真曲線如圖5.2所示。a）左輪功率繞組功率曲線b）左輪控制繞組功率曲線c）右輪功率繞組功率曲線d）右輪控制繞組功率曲線e）雙輪轉速曲線圖5.2雙輪差速驅動轉向時電機運行曲線從汽車左轉向運行仿真曲線可見：汽車左轉向時，左輪電機轉速低于右輪，系統控制左電機運行于亞同步狀態，右電機運行于超同步狀態，左電機控制繞組能流為負，處于回饋狀態，右電機能流處于輸入狀態，說明能量從左電機傳送到右電機，實現差速運行。差速級聯仿真結果證明，差速級聯在車輛轉向時，利用無刷雙饋電機超同步與亞同步運行時控制繞組能流方向不同的特點，實現差速控制。這種方案可用兩個功率較小的電機實現雙輪驅動。差速級聯的缺點是直行時高速能力弱，這將給汽車的機械傳動機構帶來負擔，因此本章考慮了另一種差速控制方案-雙電機獨立驅動。5.2雙輪無刷雙饋電機獨立驅動差速系統仿真雙輪獨立驅動時，左、右兩電機的功率及控制繞組由逆變器供電，兩電機之間能量無流動。兩個無刷雙饋電機參數同前，兩輪電機均有功率繞組及控制繞組兩個逆變器供電。(1)汽車直行時獨立驅動系統仿真仿真條件：駕駛轉向角°，汽車起動給定速度為20km/h，0.3s時給定速度提高到110km/h，左、右輪電機運行仿真曲線如圖5.3所示。a）左右輪電機控制繞組功率曲線b）左右輪功率繞組功率曲線c）左右輪電機轉矩曲線d）左右輪電機轉速曲線圖5.3雙輪獨立驅動控制高速直行電機性能曲線從圖5.2和圖5.3的仿真結果可見：與級聯差速相比，雙輪獨立驅動動態響應速度快，原因在于升降速時，雙繞組同時進行能量調控，縮短了過渡過程；系統可在不降負載的條件下從20km/h的低速上升到高速110km/h，調速范圍寬，高速直行時，左右輪電機均工作在超同步狀態，四個繞組同時為汽車饋能。由仿真曲線可以看出，亞同步狀態下，雙饋電機的控制繞組功率為負，說明有功率回饋電網。控制繞組功率的一部分是滑差功率，在異步電機中是被消耗掉的，而在雙饋電機中則被回饋給了電源。控制繞組功率的另一部分是由于雙饋電機的雙向能量流通路徑，使能量沒有做功而從控制繞組側直接流向了電池，如不限制這部分能量，將會給逆變器容量選擇帶來負擔。電機從亞同步切換到超同步狀態時，雙饋電機的控制繞組功率由負變正，說明超同步時能量從功率、控制兩繞組一起流入驅動電機。(2)汽車轉向時獨立驅動系統仿真仿真條件：駕駛轉向角°，汽車起動給定速度為20km/h，0.3s時給定速度提高到70km/h，°，左、右輪電機運行仿真曲線如圖5.4所示：a）右輪電機功率繞組功率曲線b）右輪電機控制繞組功率曲線c）左輪功率繞組功率曲線d）左輪控制繞組功率曲線e）右輪電機轉速曲線f）左輪電機轉速曲線圖5.4雙輪獨立驅動轉向控制電機性能曲線雙輪獨立驅動轉向仿真結果表明：所提出的電動汽車無刷雙饋電機電機的差速驅動系統模型可以模擬汽車的行駛情況，轉向運行時兩驅動電機存在速度差，進而實現對電動汽車操縱性的控制。本文分兩個層次研究驅動電機的控制問題，其一是無刷雙饋電機的牽引控制；其二是雙輪驅動兩電機的差速控制結構。首先對電機在汽車起動、制動、高速、低速等各種行駛工況下的能流進行了分析，從能量控制的角度研究無刷雙饋控制系統作為電動汽車驅動裝置的優勢及存在的問題，為逆變器容量優化銅耗，提出基于控制繞組電流最小化的直接轉矩控制策略，并進行了仿真研究，得出如下結論：（1）采用無刷雙饋電機作為電動汽車的驅動電機，電機容量小，因為無刷雙饋電機在高速時可以雙側輸入能量，而異步電機若想達到同等高速，需要更換功率更大的電機。（2）低速運行時，無刷雙饋電機能夠將絕大部分的轉差功率回饋電源，應用于電動汽車能夠提高能量的利用率，提高續航里程。高速運行時，無刷雙饋電機雙繞組各自的功率較單繞組異步電機的定子功率小，由于逆變裝置的價格相對于容量非線性增加，因此逆變器成本降低。（3）無刷雙饋電機直接轉矩控制系統動態響應快，證明牽引系統可以很好的保證汽車的快速操控能力；機械特性硬，證明系統的抗擾動能力強；調速范圍寬，高速帶載能力很強，因此汽車可放寬對變速箱等機械傳動裝置的要求；（4）采用控制繞組電流最小化控制方案，控制無刷雙饋電機的無功功率，從而使控制繞組電流最小，仿真結果證明：該控制方案能夠降低電機功率、控制兩繞組的電流，減小銅耗和逆變器容量。（5）無刷雙饋電機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，當某一逆變器出現故障時，電機可從雙饋運行轉為異步運行，一方面可防止故障造成的安全事故，另一方面對于野外行駛的汽車來說相當于存在一個冗余的牽引電機。其次研究了無刷雙饋電機雙輪驅動系統的差速控制結構，通過對兩種差速結構的仿真分析，得出如下結論：（1）級聯差速結構的優勢在于逆變器的使用數量與異步電機相同，轉向時兩電機會分別工作在亞同步與超同步狀態，能量通過控制繞組從高速電機傳向低速電機，可實現用小容量的雙饋電機完成高速、大角度轉向差速控制。（2）雙電機獨立驅動結構比級聯差速結構多用兩套逆變器，但起、制動的動態響應更快，轉矩脈動降低；直行時左右電機均可超同步運行，提高了車輛的高速行駛能力。結論電動汽車是汽車工業的未來，多電機驅動電動汽車充分發揮電機突出的易控性和快速的轉矩響應，無疑將是電動汽車不僅在能源上、而且在性能上全面超越傳統汽車的最值關注研究方向。該文是以無刷雙饋電機牽引的雙輪驅動電動汽車為研究對象，對雙輪無刷雙饋電機牽引控制進行了較為透徹的研究和分析。該論文主要研究的方向如下：通過研究取得主要創新性結論如下：（1）提出采用無刷雙饋電機作為雙輪驅動牽引電機。牽引電機是電動汽車的核心部件，本文根據電動汽車的驅動要求和無刷雙饋電機的特點，提出采用無刷雙饋電機作為雙輪驅動電動汽車的動力，并針對電機復雜的機理，研究可行的控制結構與控制策略。仿真與實驗結果表明：雙饋驅動系統能量調控靈活、動態響應快、調速范圍寬、牽引電機容量小、能量回饋率高，當一套逆變器發生嚴重故障的情況下，電機仍可作為普通的感應電機使用，所以電機的無刷結構提高了雙饋驅動系統的可靠性。（2）提出一種簡單的無刷雙饋級聯差速控制結構在深入分析無刷雙饋電機和雙輪驅動電動汽車差速控制原理的基礎上，有別于傳統的雙輪獨立差速驅動，提出一種充分發揮無刷雙饋電機雙繞組輸入特點的無刷雙饋級聯差速控制結構。該結構恰到好處地利用了無刷雙饋電機雙繞組同時可進行能量調控的特點，結構新穎簡單，逆變器的使用數量與異步電機相同，轉向時能量在兩輪高、低速電機間流動，無需外輸能量即可實現差速控制，用小容量的雙饋電機完成高速、大角度轉向差速控制。目前國內外研發的電動汽車大多還僅限于能源的更替，即將電機取代傳統汽車的發動機。事實上，從運行性能來說，電機更適合電動汽車的行駛要求，真正從電驅動出發，采用多電機驅動，汽車的結構與性能將會有革命性的飛躍。多電機驅動電動汽車是集汽車、自動控制、電力電子等多學科于一身的交叉研究領域，有廣闊的研究空間。為了本文的研究工作的完整性和接續性，下一步需要解決如下問題：（1）進一步深入研究抑制