电动汽车电机驱动控制系统的设计

焦致远，于士军

（德州学院汽车工程学院，山东德州 253000）

电动汽车电机驱动控制系统的设计

焦致远，于士军

（德州学院汽车工程学院，山东德州 253000）

在对电动汽车进行整体研究时，电动汽车驱动控制系统是至关重要的一部分。此研究对电机驱动系统进行了设计，根据不同电动机的不同特性和工作状态，以及在满足所设计电动汽车性能需求的前提条件下，对电机驱动控制系统进行了结构设计。在进行了模糊控制算法后，又利用软件工具对 PI 控制器的传递函数进行选择，设计出了模糊 PI控制程序的主要流程。

电动汽车；驱动电机；控制系统；模糊 PI 控制

电动汽车的发展顺应当今发展趋势，电动汽车较之传统汽车，不需要非可再生能源的消耗就能提供一定的动力，经济、环保的特性让电动汽车作为目前流行的发展产物被人们广泛接受。在研究电动汽车制动系统工作中，对电机控制器进行设计是核心工作，系统正常工作能够保障电动汽车良好性能。因此，电机驱动控制系统设计和优化便显得十分重要。本研究的设计主要包括电机驱动系统结构设计、电机驱动控制模型设计，以及利用模糊 PI 控制算法设计系统主控制程序。

1 电机驱动控制系统控制模型

（1）电机驱动控制系统主要结构。控制电机工作时，将可变电压信号与电枢电流反馈电压信号进行对比，通过相应算法计算后，输出控制电压 Uc。将 PWM 变换电路进行更改，然后求出占空比，从而可以充分控制电机端电压的平均值。电机驱动控制系统框图，如图1 所示。

图1 电机驱动控制系统框图

（2）永磁无刷直流电动机的等效电路。电机驱动控制的数学模型对于此研究的进行可以提供帮助，对于电机驱动控制系统来说，快速响应的性能至关重要。电动机的转速变化要求能够随着电压控制信号的改变而改变，因此电动机的动态过渡过程越短，其数学模型设计越能够满足设计要求。图2 为永磁无刷直流电动机的等效电路。

图2 磁无刷直流电动机的等效电路

Udo为电机端电压；Id为电枢电流；R 为电枢回路电阻：E为反电动势；n 为电机转速；TL为负载转矩；Te为电磁转矩；L为电感。

永磁直流电动机动态方程为：

（3）电流 PI 控制器的传递函数。对于永磁无刷直流电机来说，电动机没有电刷，利用电子换相，克服由电刷引起的任何问题；永磁体安装在了转子上，电枢绕组装在了定子上，导热性好；结构简单，节省了空间同时也减少了磁场损失；效率与转速始终保持同步关系，没有失步、振荡等现象。永磁无刷直流电动机有多种控制方法，在此运用 PI 控制方法系统由电流控制器和被控对象组成，PI 控制器由比例单元（P）和积分单元（I）组成。电流控制器的传递函数为：

式中：Kp为比例调节系数；Ti为积分时间常数。

（4）PWM 变换器传递函数。可以将 PWM 变换装置看成一个滞后环节，因为当改变发出的控制电压信号 Uc时，在下一个方波周期变换器的输出电压才能进行改变，一个开关周期 Ts为最大延时。PWM 装置传递函数为：

式中：Ks为 PWM 装置的放大系数。

（3）电机驱动控制模型。电机驱动系统框图，如图3 所示。

图3 电机驱动系统框图

2 电机驱动控制器算法实现

（1）模糊 PI 控制算法的实现。C 语言可以提高软件的多种性能，有利于处理中断函数、实现控制系统的系初始化以及良好的控制信号输出的功能等。主程序流程如图4 所示。

图4 主程序流程

初始化主要包括两路 PWM 初始占空比和继电器初始状态的设置。系统所涉及到的中断有：①CAN 总线中断；②HSO中断；③串口接收数据中断；④挡位变化中断。以 T1 作为周期为 2000Hz 的 PWM 波采用定时器的基准，用定时器中断采取的样本周期为 250Hz。

用模糊 PI控制算法来对励磁和电枢部分进行计算，其工作的原理框图如图5 所示。该控制器可以在调整系统控制量U 时，在大的偏差范围内采用模糊推理的方法对 U 进行有效调整。这样不仅消除了模糊控制较难控制的稳态误差，而且还对系统的响应速度进行了提高，实现了 PI 控制可以在小偏差范围内转换，使算法几乎没有系统的静差和提高算法的动态性能。

图5 模糊 PI控制算法原理框图

3 结论

电动汽车作为全世界正在大力发展的新兴产物，对保护环境、节约资源有着积极的影响。文章主要研究了电动汽车的核心技术中的电动机驱动控制系统。通过对电机驱动控制系统进行了研究和优化，并建立了电机驱动控制系统模型。在此模型的基础上，确定了模糊 PI 控制算法，设计了控制器主程序。在之后的研究测试中，所设计的电机驱动控制系统工作性能良好，安全可靠，符合了电机驱动控制策略的要求。证明了电动汽车的整体设计研究符合研究标准，满足设计要求，为此后进行其他重要系统以及电动汽车整车设计研究打下了一定的基础。

［1］濮良贵，纪名刚.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［2］邢念伟.电动车用 PMSM 驱动控制系统关键技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

［3］王孝红.纯电动汽车交流电机控制器的仿真与设计［D］.合肥：安徽大学，2011.

［4］吴世华.电动汽车用永磁同步电机设计方法及相关问题的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

Design of Motor Drive Control System for Electric Vehicle

JIAO Zhi-yuan，YU Shi-jun
（School of A utomotive Engineering，Dezhou College，Dezhou，Shandong 253000，China）

In the study of electric vehicle，electric vehicle driving control system is a very important part. The study designs motor drive systemaccording to different characteristics and working conditionsof different motors，and on the premise of meeting the performance requirements of designed electric vehicles.After the fuzzy control algorithm being adopted，the paper selects the transfer function of PI controller by software tools，and designs the main flow of fuzzy PI control program.

electric vehicle；drive motor；control system；fuzzy PI control

U464.142.1

A

2095-980X（2016）12-0030-02

2016- 11-20

焦致远，主要研究方向：汽车工程。