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1、硕士学位论文 I 摘 要 电动汽车以电能为能源，具有零排放无污染的突出优点，开发前景十分广阔。 驱动电机及其控制系统是电动汽车动力系统中的核心部分。电动汽车用交流电机的直接转矩控制是电机高性能交流变频调速的新技术之一。 本论文以电动汽车用交流电机驱动系统为研究对象，将直接转矩控制思想运用于电动汽车驱动系统。为了降低成本并且提高整个系统的可靠性，将电动汽车电机控制器和整车控制器集成到一起即电机及整车总成控制器。 根据电动汽车所要达到的性能指标，分析了电动汽车驱动系统的特点，对各种驱动电机进行了比较。讨论了交流调速技术的发展和现状，采用空间电压矢量方法分析了直接转矩控制的基本原理结构及其算法。 详
2、细分析了交流异步电机系统的工作原理， 建立了交流异步电机及其控制系统的数学模型；然后在此基础之上分析了交流异步电机直接转矩控制的实现方法，介绍了直接转矩控制系统的关键参量定子磁链空间矢量的控制方式及其实现办法。并为获得良好的控制效果形成闭环控制系统，引入了磁链与转矩观测模型。最后建立了异步电机直接转矩控制系统模型并成功地进行了整个模型的仿真且得到了期望的结果。根据整车动力学原理，建立了整车动力学模型，最后完成了电机模型和整车动力学模型的联合仿真。 设计了基于CAN总线的电动汽车整车网络，并制订了整车CAN总线通讯协议。主控芯片选用美国TI公司生产的面向电机控制的DSP芯片TMS320LF240
3、7。整个硬件系统是以TMS320LF2407型DSP为核心的弱电电路和以IPM模块为主的强电电路所组成。设计完成了档位检测模块、踏板位置检测模块、输出控制模块和通讯模块等。 介绍了再生制动的概念，讨论了再生制动的重要性，尤其是在城市工况下，通过对频繁制动过程中制动能量的回收，既减少了机械摩擦制动系统的损耗，又实现了能量的重新利用。分析了再生制动的特性，设计了实现再生制动的方案，包括如何进行电制动和机械制动的合理分配。最后采用了模糊逻辑控制理论来优化制动能量回收策略。 介绍了嵌入式操作系统C/OS-II，完成了嵌入式操作系统C/OS-II 在DSP2407 上的移植。在完成上面的工作后，进行了基
4、于嵌入式操作系统C/OS-II平台上的任务的制定。最后完成软、硬件离线方式下的测试。 关键词关键词:直接转矩控制；DSP2407；IPM；模糊控制；嵌入式操作系统 纯电动汽车交流异步电机及整车总成控制器的开发技术研究 II Abstract The EV uses the Electric energy as the power and has the advantage of no emission. The application of EV will have a good prospect in the future. The controlling technology of dri
5、ving motor is core of EV power system. It is one of the new technologies by using direct torque controlling method to control the AC motor in which is used in the EV. AC motor driving system is taken as the research object. The direct torque controlling method is applied in the EV AC motor driving s
6、ystem. The AC motor controller and EV controller are integrated into one in order to reduce the cost and improve the reliability. The character of all of the EV AC motor driving system is analyzed and the direct torque controlling method is compared with others according to the EV requirements. The
7、current and future development of AC motor controlling technology and the theory construction and algorithm by using the space voltage vector method are discussed. The working theory of the AC motor are analyzed and set up the model of AC motor with controlling system. The model of AC motor direct t
8、orque controlling according to the foundation of previous analysis are realized. Introduce the critical parameter of magnetic linkage controlling and its realization method. The model to observe magnetic linkage and torque are used in order to obtain the perfect closed loop controlling effect. At la
9、st The AC motor direct torque controlling model are set up and the simulation are done and the expected result are reached. The vehicle model is set up according to the vehicle force formual. At last simiulation of two models are finished. The CAN bus in the EV and the protocol of CAN communication
10、are designed. The American TI companys DSP TMS320LF2407 is selected as the controller. The whole circuit can be divided into two parts. One part is the core circuit which uses the TMS320LF2407. The other one use the IMP to drive the high voltage section. The whole circuit can complete sampling the p
11、osition of shift、sampling the position of the pedal、output controlling variables and communication part and so on. The recycling energy strategy is introduced. The importance of recycling energy is discussed especially in the city situation. It can decrease the lose of mechanical braking system and
12、use the energy again through recycling the energy in the braking process. The character of the recycling is analyzed and the plan of recycling is 硕士学位论文 1 第 1 章 绪 论 本文整个研究工作是紧紧围绕电动汽车交流异步电机及整车总成控制器的开发来进行的。文中论述了电动汽车的研发背景和目的，并且讨论了车用交流异步电机的特殊要求。分析了直接转矩控制的思想，建立了电机直接转矩控制模型和整车动力学模型并进行了联合仿真。设计了电机及整车总成控制器和整车
13、CAN网络，并讨论了再生制动控制策略。最后完成了基于嵌入式操作系统平台的软件开发和测试。本章着重论述了选题的重要性以及国内外的研究情况。 1.1 本文研究的背景和意义 随着科学技术和经济高速发展的 21 世纪的到来，汽车在促进经济发展和社会进步中扮演着重要角色，它的出现极大地改变了人们的生活。汽车工业已经成为当今世界最大最重要的工业部门之一，成为世界上许多国家的支柱产业，在人类的经济生活中发挥着举足轻重的作用1。但人类在享受汽车文明的同时也必须面对汽车造成的负面影响：环境污染和能源过度消耗。 当今世界汽车保有量已超过 6 亿辆，每年向大气层排放 2 亿吨有害气体，占大气污染总量的 60以上，是
14、公认的污染大气层的“杀手”。根据国家环保中心预测 2010 年汽车尾气排放量将占空气污染源的 64。2002 年，中国石油净进口量直逼 7000 万吨大关， 预计到 2005 年， 中国石油进口量将达到 1 亿吨， 2030 年，中国的石油日净进口量将从现在每天不足 2 百万桶增加到每天 980 万桶。因此，从根本上解决汽车能源与污染问题，对我国汽车工业未来的发展和能源安全、环境保护以及整个社会的可持续发展都有着重要的作用2。 上个世纪开始，世界上著名的汽车公司都开始对电动汽车的研制投入力量。纯电动汽车、燃料电池车和混合电动汽车成为各科研机构和汽车厂家争相研究的对象。绿色环保车辆的概念正深入人
15、心。这些新型环保车辆很多都从根本上解决了污染问题，得到了全世界的关注34。 以解决环保需求与能源危机问题为出发点，纯电动汽车的发展受到全球广泛关注。纯电动汽车的推广应用可以有效地减少汽车尾气和城市噪音，显著改善环境，节约日益枯竭的石油资源。当今，对纯电动汽车的研究已经成为全世界高新技术的研究开发热点之一，并且被列入我国863计划的重点项目5。目前， 纯电动汽车与燃油汽车相比，无论在运行性能和使用成本上，都无法和燃油汽车相竞争。一方面，纯电动汽车的加速性能和最高时速都不及燃油汽车；另一方面，与燃油汽车相比，纯电动汽车成本较高，续驶里程短，充电或更换电池不方便。如何解纯电动汽车交流异步电机及整车总
16、成控制器的开发技术研究 2 决纯电动汽车上述缺点，是当前纯电动汽车研究的重点6。 中国的传统汽车产业一直落后于国外发达国家。现阶段，中国的汽车产业基本上是采用外国先进技术。发展新型环保汽车，这给中国汽车行业立足于世界汽车行业提供了一个非常好的契机7。中国目前非常重视这项被称为 21 世纪科技研究之重的产业，争取能利用这个契机使自己在汽车领域占有一席之地。因此，对纯电动汽车的研究是完全必要和迫切的。 1.2 电动车驱动系统简述 电动汽车实现零排放，能有效地避免空气污染。电动汽车在车辆性能方面也具有优势：电动汽车的转矩响应迅速、加速快；电机可分散配置，可直接控制车轮转速，易实现四轮独立驱动和四轮转向。由于信息技术和控制技术的广泛应用，电动汽车的安全性和可靠性大幅提高89。 电动汽车显示出的优越性和具有强大的竞争力使之成为21世纪各国政府大力支持发展的交通工具。 电动汽车配备电池高压系统，使用电动机通过传动系统驱动车辆行驶。正常行驶时，由电池系统提供电力驱动电动机。电动汽车在制动、滑行等状态时，电机进行发电，对电池
