电动驱动

电动驱动（共10篇）

电动驱动 篇1

1 引言

石油钻机按照动力驱动源分为电动钻机和机械钻机两大类。目前,电动钻机为主流装备,机械钻机正在被电驱动钻机所替代。无论那种形式的钻机均有绞车、转盘 / 顶驱、泥浆泵等主要钻井机械。

电动钻机驱动控制装置可简单描述为钻井机械装置的驱动者,以电力为动力源,以绞车、转盘 / 顶驱、泥浆泵等的电动机为控制对象,通过微电子元件和电力电子器件构成控制系统,依据自动控制理论,控制这些电动机的转速,以满足钻井工况的最佳要求,降低能耗、提高效率。下面对电动钻机的主要驱动控制部分进行概述和讨论。

2 主要控制对象

2.1 小电网系统

电动钻机按电源的来源分为两种,一种是独立的自备电站供电方式,另一种是大电网供电方式。自备电站供电方式使用较多、应用广泛,这种方式多采用3-5台柴油发电机组并网发电,构成一个公共交流母线的小电网系统,总容量在3000-6000k VA之间,并留有足够的裕量,根据钻井工况选择机组的台数,以达到最佳的效率。目前柴油发电机组的主流控制技术是全数字控制,柴油机采用功率内环、速度外环的双闭环负反馈控制策略,发电机采用无功内环、电压外环的双闭环负反馈控制策略,机组自动同期并网,并网后负荷分配调节环节自动投入,使并网各机组的有功和无功功率按照设计要求调节平衡。一般控制策略为负荷分配调节的输出分别叠加于柴油机和发电机的双闭环控制系统的输入,调节各机组使其有功、无功达到均衡。

2.2 提升系统

通过绞车 / 送钻离合器切换,由绞车或者自动送钻驱动提升系统,其负载是位能性的,无论提升还是下放负载,转矩方向始终不变。

2.2.1 绞车

绞车机械机构由滚筒、离合器、变速齿轮箱、制动装置等组成。驱动部分由传动控制系统拖动绞车电动机构成,用于起下钻具、套管、起放井架、底座等。绞车工作的特点是载荷变化大,起放频繁,深井起钻时载荷最大,空吊卡起放时最轻。对驱动系统的要求为:为防止提升时钻杆晃动与井架碰撞等,最好低速起动,然后迅速加速;为防止井壁轻微卡钻,需具备1分钟左右过载1.5倍的能力;为提高效率,充分发挥机械能力,需要绞车运行在最佳速度下。因此,控制系统一般采取的策略是:额定速度以下恒转矩调速,额定速度以上恒功率调速,具有挖土机特性输出。

2.2.2 自动送钻

自动送钻用于降低司钻工的劳动强度、提高钻井速度、降低钻井成本。电驱动钻机一般配有独立的送钻系统,通过离合器与绞车电机共同拖动滚筒,实现复合送钻,同时具备了绞车电机的部分功能,可互为备用,目前多采用这种送钻方式。

驱动控制策略为:在常规的双闭环系统的基础上增加钻压调节外环,构成钻压、速度、扭矩三闭环的调节系统,钻压环采用PID算法。

2.3 旋转系统

指顶部驱动或者转盘驱动的旋转系统,其负载是带有粘滑摩擦的弹性负载。

2.3.1 转盘

转盘的作用是使钻具旋转,把扭矩经钻杆传送到钻头,切削地壳实现钻进作业。电机通过传动齿轮箱驱动转盘,对驱动系统的要求是:调速范围宽;具有设定扭矩限制、反转等功能;具有钻杆反弹速度缓释放控制即软扭矩控制、惯性制动控制等功能。

2.3.2 顶驱

顶驱是取代转盘钻台面驱动的钻井装置,把钻井动力部分由下面的转盘处移到钻机上部的动力水龙头处,在井架上部直接驱动钻具旋转,沿井架内导轨上下移动,完成钻柱旋转钻进、接立柱、上卸扣、倒划眼和循环钻井液等钻井操作。驱动控制的要求为:控制精度要高,上扣、卸扣时需满足机械机构对扭矩的要求;液气回路的控制需依据顶驱特性并结合旋转钻进的工艺要求,使顶驱各部件按照钻井要求有序动作;钻柱反弹力的释放需要控制。

2.4 钻井液循环系统

通过泥浆泵驱动钻井液循环,负载为典型的泵类特性,负载转矩与转速的平方成正比关系。

驱动系统控制泥浆泵电机旋转,泥浆泵作为钻井液循环的动力源头,推动整个循环液高压循环,携带悬浮岩削、冷却钻头、钻具、冲洗井底、防止井喷、保护井臂、防止坍塌,配合旋转系统提供井下动力。驱动控制一般采用恒转矩调速,调速范围窄,通常使用两至三台泥浆泵,直接使用,泥浆输送管网中承受较大的压力脉动,通过检测泵的相位角,即采用“角同步控制”方式,实现软泵控制功能,使输送管网中压力脉动峰值相位均匀错开,这样两台三缸泵就相当于一台六缸泵,三台三缸泵就相当于一台九缸泵的压力脉动,使泵压脉动大幅度降低。从而提高了泵和输送管网等泥浆循环系统的使用寿命。这种通过控制实现软泵功能,是泵控制中有待于进一步研究和推广的新课题。

3 驱动类型

按照主传动部分驱动电机的类型是交流电机还是直流电机,把电动钻机分为交流钻机和直流钻机两大类。

3.1 交流钻机

交流钻机的优越性,在很大程度上与交流电机的优点有关。同容量时交流电机转子惯量小于直流电机,能实现更高的动态性能,总体效率较高。交流电机不存在电流换向,因此无火花,在容量上不存在限制。交流钻机具有悬停、四象限运行等新功能,尤其适合现代钻井工况的需求。交流钻机功率因数高,节能效果好。不足之处是交流电机虽然能够对速度精确控制,但对力矩无法做到精确控制。其做不到直流调速的特性,只能是逼近直流调速的特性。

目前交流电机主要采用矢量控制和直接转矩控制技术,装置大多数为SIEMENS或ABB的产品,相信在不远的将来我国国产的变频系统一定会在交流钻机中得到广泛应用。

3.2 直流钻机

直流钻机的优点是控制精度高,调速特性良好。直流电机转子惯量与其结构有关,一般较大,因此加速时间长,影响动态性能,总体效率低。其电机换向能力限制了容量和转速,极限容量和转速的乘积是106k W.r / min。其转矩脉动小,但电流换相有火花,这样对位于防爆区的绞车、转盘等电机有不利的一面。直流钻机功率因数较低,耗能较大。

交流和直流钻机互有优缺点,目前交直流钻机系统共存,但发展趋势是交流钻机取代直流钻机。

4 控制技术

4.1 模拟与全数字控制

早期的电动钻机多采用模拟控制系统。随着数字控制技术的快速发展,全数字控制技术应用于电动钻机,使电动钻机在性能、精度和灵活性等方面有了突出优点。模拟系统无法与全数字系统相比,模拟系统逐渐被淘汰了。

模拟系统是基于模拟控制器件的,控制量采集(采样)、信息交换、计算、控制、输出等功能的执行都是连续的,是连续控制的系统。

全数字系统是基于数字控制器件的,其核心是处理器,处理器要完成大量的任务,在一定时间内只能做一件事,任务分时串行执行,把连续的任务间断成每隔一定时间执行一次,称离散控制。每个周期开始时采集信号,进行周期性采样,只能在采样瞬间被测量和控制。合理的采样周期,将连续变量量化为不连续的数字量,处理器才能进行计算和控制。连续量的量化是数字控制和模拟控制的重要区别之一,量化时两相邻采点之间的信息被失去,影响了精度。

合理量化就是合理选择变量当量。利用数字量位数资源,使系统中的变量都有相同的精度。在数字控制器中,当量都按百分数(%)规定。为充分利用数字量位数资源,规定去掉一个符号位的数为200%(留100%调节余量)。

以16位数为例,100%对应214=16384,全部数的范围是(+ / -)200%对应(+ / -)215=(+ / -)32768。

4.2 可编程控制和总线通讯

电动钻机的可靠性和维护性要求很高,为此控制系统大多数采用两套完全独立的PLC和现场总线通讯方式构成,两套能互相切换工作,在任何一套系统工作时另一套不加电便于维护,使影响钻井作业停机的故障几率大大降低,提高了系统的可靠性并便于现场维护。

如图1所示,以ZJ70DBS通讯网络为例,来说明常规配置的冷冗余通讯网络的构成及特点。

1VFD2控制室的PLC1(PLC2)作为PROFIBUS_DP主站,进行网络组态。自动送钻(ADR)、绞车A(DWA)、转盘(RT)、绞车B(DWB)变频器作为DP从站设置参数。

2VFD1控制室的ET200站点、3号泵(MP3)、2号泵(MP2)、1号泵(MP1)变频器作为DP从站设置参数。

3司钻控制室的ET200站点、触摸屏作为DP从站操作和控制整个电动钻机的运转。

主站与从站交换数据的速率、传送数据的长度由主站设定,每个变频器从站按照冷冗余配置两块CBP2通讯板,按照控制指令切换通讯板及变频器参数组。

这种技术使钻井工艺与操作控制有机结合,有效实现了数据采集和计算处理,并经触摸屏实现了一体化仪表功能。其软件设计灵活,绞车控制手柄、手轮等传统的硬件操作和触摸屏的界面操作互备,保护联锁功能齐全,使钻井安全得到保证。队长办公室进行监视、数据保存、归档等。

5 无功补偿和谐波抑制

由于钻机电网大多数为小电网系统,变流装置负载容量达到电网在线容量的70%-80%,每个变流负载对电网相当于一个谐波电流源,产生各次谐波,谐波电流的次数有5、7、11、13、17、19、23、25,以5、7次谐波最为显著,小电网容量不是无穷大,谐波阻抗不为零,谐波电流在电网建立相应的谐波电压,引起电网电压波形的严重畸变。

电动钻机上多采用无源滤波,按照钻机工作特性选择电抗器、电容器等器件参数,滤除一定的谐波,改善小电网品质。有源滤波是另造一种谐波电流源,因造价高、体积大,在钻机上使用较少。

直流钻机的功率因数低,用无功补偿提高功率因数。依据钻机负载变化情况,确定无功补偿方案。对缓慢变化和冲击性负载引起的无功功率进行补偿,抑制电网电压波动。

6 采用的功率器件

功率器件是指用于钻机传动系统功率变换的电力电子器件,主要有脉冲控制型的晶闸管(Thyristor)和双向晶闸管等半控型器件、电平控制型的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等全控型器件。不可控器件有整流二极管、快速整流二极管等。其主要技术指标有阻断电压、通态电流、压降、开关时间等。

7 控制技术发展趋势

钻机控制技术正向着高效、节能、智能化方向发展,主要表现在以下方面:

(1)以柴油机为动力的机械钻机正在被电代油所替代。

(2)数字控制技术逐步取代模拟控制技术。

(3)电力电子器件向大电流、高电压、全控型、集成智能化方向快速发展,为开发10000米以上大功率钻机提供了硬件保障,大容量钻机的开发研制势在必行。

(4)随着电力电子器件、数字控制技术、变频调速技术的发展,交流钻机取代直流钻机成为必然。

(5)钻机控制系统进入一个开放的网络化、管理一体化的新阶段,数字通讯和网络技术在钻机领域全面应用。

(6)谐波治理及功率补偿将逐步成为常规要求。

(7)可编程序控制器(PLC)在钻机控制中将会得到全面而深入的应用。

电动驱动 篇2

电动助力转向系统电机驱动电路的研究

本文简单介绍了汽车电动助力转向系统的基本组成结构及其工作原理,以及ARM-S3c2410芯片的功能特点,并以ARM-S3c2410芯片为核心,介绍了电动助力转向系统电子控制单元.把电动助力转向系统的电机驱动电路作为了介绍重点.驱动电路采用三相全桥逆变电路以及MOSFET驱动电路和PWM脉宽调制技术实现对电机的控制.在对硬件系统进行的`实验中,表明所设计的硬件电路能够满足电动助力转向系统对稳定性和跟随性的要求.

作 者：刘文举 吕秀江 作者单位：长春工业大学电气与电子工程学院,130012刊 名：城市建设英文刊名：CHENGSHI JIANSHE YU SHANGYE WANGDIAN年，卷(期)：2010“”(21)分类号：关键词：电动助力转向 ARM-S3c2410 驱动电路 PWM脉宽调制技术

电动驱动 篇3

据宋惠民介绍，现阶段电动汽车的技术瓶颈主要是在车载能源系统、驱动系统、以及控制系统。经过研究表明，必须将电机、离合装置、变速装置结合，形成一套完整的电动汽车驱动系统。这样做的好处便是机械装置结构简单、紧凑，故障率低、可靠性高、寿命长、性能高，能耗低。

“机械式自动变速箱，有10%的效能，可以用在卡车上，百公里耗油一般在40升左右。我们研发的集成式的电驱动系统可以用在纯电动车上，也可以用在传统的汽车上进行改装车。改装成新能源车，改装的困难度很小。”宋惠民说。

宋惠民跟团队最初研发新产品是在2004年，当时跟武汉理工大学汽车学院以产学研结合的方式从事新能源汽车EMT系统的开发。最初，宋惠民团队和苗华春双方只是在产品方面进行合作，宋的特长在于电机，而苗则专注于研究控制系统。随后，苗华春正式定居襄樊加入宋的团队并成为核心技术总监，他的加入对宇清的研发团队来说可谓如虎添翼。

据宋惠民介绍：“苗博士接触新能源概念比较早，七八年前就曾支持新加波第一辆纯电动巴士的研发，在他的介绍和推动下，大家跟产学研团队一起研发电动汽车驱动系统。”实验室研发阶段成熟之后，三年间经过三轮实验、检测之后，产品基本成形。当时正值十一五期间，当时有“十城千辆”计划，再加上越来越多的新能源政策的出台，外加当地市政府、科技部的支持，2009年，襄樊宇清电动汽车有限公司便顺利成立。

跟新能源车结缘20多年的苗华春感觉目前的电动车总有缺陷：“创业动机其实起源于需求。大家心里总感觉这车总是有缺陷，总是感觉叫电平车，不是真正意义上的电动车。”

针对过去国内混乱的电动车市场，宋惠民颇有感触。“过去一段时间，出现了一系列所谓的‘新能源电动汽车’，有些只是节能改造的车，有些类似电瓶车，充其量算是节能技术改造。而真正意义上的新能源车是混合动力车、纯电动车、燃料电池汽车这三类汽车。”做真正意义上的电动汽车，这是宇清团队成立至今的定位。

汽车工业的特点是前期研发必然耗费大量资金，但最大的研发困难还是要克服传统的观念。据苗华春介绍：传统的变速箱有液力的、有离合器等很多种，包括伊顿、沃尔沃都是很传统的概念。但我们没做过变速器，我们做的是新能源的东西。我们必须要根据传统的概念来找到自己的优势。

“因为中国给人的概念是只能制造鞋子、衣服等低端制造业、对高端制造业的认可度不够强。好在我们已经有车在外面跑。”目前宇清的科技成果已经得到澳大利亚当地第三大汽车制造厂商BCI认可，已经在给客户使用。

经过多年的研发，他们把电机和变速箱集成，再此基础之上，又把电机控制系统、整车控制系统、辅助控制系统集合，形成一个控制平台，同时又把控制系统跟EMT自动变速箱、电机、变速箱又融为一体，形成集成式驱动系统，简称IEDS系统。这个成功研发，填补国际空白。“传统汽车的研发我国跟国外还有一段距离，但新能源汽车的研发我们没有输在起跑线上。”宋惠民为宇清团队的研发成果感到骄傲。

电动叉车驱动方式的比较分析 篇4

直流驱动作为一种比较便宜的驱动方式很早以前就已在电动设备上广泛应用。然而, 直流系统本身在性能、维修等方面存在一些固有的缺陷。

20世纪90年代前的电动车辆几乎全是直流电机驱动的。直流电机本身效率低, 体积和质量大, 换向器和碳刷限制了它转速的提高, 最高转速为6000~8000r/min。

其工作原理是:直流电流经碳刷输送至换向器, 并传到转子。这种方式有两个明显缺陷:所有的电枢电流必须经由碳刷来输送, 电机的性能取决于碳刷的物理尺寸及磨损情况, 而且这也会限制电机制动性能的发挥。另外, 碳刷容易损坏, 必须定期 (半年至一年) 更换, 否则会极大地影响电机寿命。直流电动机的热量主要产生在电动机的内部部件, 因此大多数直流电动机都会同时配备一个风扇用于散热。以上装置无疑增加了电机的成本。

交流电机驱动方式

以交流电机为核心的交流驱动系统因其生产效率高、维护成本低被业内专家誉为21世纪电动叉车的革命性技术。全球叉车巨头竞相推出了性能更佳的交流驱动电动叉车, 以丰富自己的产品, 满足用户需求, 赢得市场份额。

感应电机交流驱动系统是20世纪90年代发展起来的新技术。其原理是将三相交流电输送给固定的定子绕组, 产生旋转的磁场感应闭合的转子绕组产生电流, 转子在电磁力的作用下顺着旋转磁场的转动方向旋转。电机控制器采用矢量控制的变频调速方式。交流电动机最为突出的优势是没有碳刷, 也没有直流电动机通常对最大电流方面的限制, 这意味着电动机在实际使用中可以得到更多的能量及更大的制动扭力, 于是可以更快的速度运转。其次, 交流电动机的热量主要发生在电动机外壳部分的定子线圈, 便于冷却与散热。因此, 交流电动机比直流电动机所需元件数量大大减少, 没有需要定期更换的易损件, 几乎不用维护, 更高效, 更坚固耐用。

电动驱动 篇5

毕业论文（设计）题目混合动力电动汽车驱动系统的研究与设计

学生姓名车辆工程班级指导教师张 琎

一、毕业论文（设计）的主要内容：

二、毕业论文（设计）的基本要求及应完成的成果：

4、制定尽量完善的研究方案.；

5、完成毕业设计论文（不少于8000字）；

6、完成英文文献翻译（不少于2500字）；

三、毕业论文（设计）的进度安排：

四、毕业论文（设计）应收集的资料及主要参考文献：

2、主要参考文献：

（1）陈清泉，孙逢春等.现代电动汽车技术[M].北京：北京理工大学出版社, 2002.（2）段岩波、张武高、黄震.混合动力电动汽车技术分析[J].柴油机，2002，（6）：43-46

（3）刘金玲，宋健等.并联混合动力客车控制策略比较[J].公路交通科技, 2005, 22(1)

（4）高海鸥，王仲范等.PRIUS混合动力汽车驱动系统键合图建模仿真[J].武汉理工大学学报, 2004, 26(1)：63-65.（5）程伟，徐国卿等.混合动力车用永磁无刷电动机驱动系统[J].微特电机, 2004年9期

电动驱动 篇6

随着能源危机、环境问题的日趋严重, 节能环保的电动车日益受到人们的青睐。相比于传统燃油汽车和中置式电机驱动的电动汽车, 多轮独立驱动电动车取消了发动机与传动系, 对于提高能源利用率, 缓解噪声与振动的问题, 增强汽车主动安全与被动安全性能具有较大的优势。多轮独立驱动的电动车在转弯或者不平路面行驶时, 需要采用电控方式控制各个车轮的驱动力矩分配, 以实现电子差速和转矩协调功能。因此, 两轮独立驱动电动车驱动控制系统的研究具有重要的应用价值[1]。

本文构建在两轮独立驱动电动车动力学模型的基础上, 深入分析了以汽车稳定性为控制目标, 采用模糊控制策略, 基于横摆力矩的驱动控制系统;并在理论研究的基础上, 在MATLAB/Simulink环境下, 结合模糊控制工具箱, 建立了整车转矩协调控制系统的仿真模型, 并对其输出波形进行了分析研究, 验证了控制系统的有效性。

1、整车动力学模型的建立

整车动力学模型是整个系统研究的基础, 研究汽车运行特性时, 需要以地面作为固定参考坐标系[2], 如图1所示, 以X、Y、Z定义地面惯性坐标系, 定义转向行驶的车辆质心与x、y、z坐标系的原点重合, x轴方向是车辆纵向速度的方向, y轴方向是横向速度的方向, z轴垂直于x、y平面向上。x轴与X轴的夹角为车身的航向角y, 即两坐标系的夹角y, 则绕z轴的方向上的横摆角速度g=y&。

假设将转角输入直接作用于车轮, 即忽略转向系统;车辆在平坦路面行驶, 即忽略z轴方向上的运动。包括悬架系统在内的车辆结构是刚性的, 即不考虑汽车绕x、y轴的转动, 建立包括三个车身自由度:纵向、横向、横摆, 四个车轮的转向自由度的七自由度整车动力学模型, 如图1所示。

构建了汽车纵向、横向和横摆运动动力学方程得:

纵向运动动力学方程:

横向运动动力学方程:

横摆运动动力学方程:

式中:m—汽车的总质量;xv、vy—汽车的纵向、侧向速度;a、b—质心到前轴、后轴的距离;Fxi (i=fl, f r, r l, rr) —四个车轮受到的纵向力;Fyi (i=fl, f r, r l, rr) —四个车轮受到侧向力;b、g—车辆的质心侧偏角和横摆角速度Iz—车辆绕Z轴的转动惯量;w—车辆的宽度。

2、整车驱动控制系统的设计

整车驱动控制系统基于汽车稳定性的控制目标, 将横摆角速度和质心侧偏角作为目标参数, 通过二自由度的车辆模型, 完成对控制目标参数期望值的计算, 通过质心侧偏角观测器与整车模型反馈得到目标参数的实际值, 以目标参数的误差值为输入量, 基于模糊控制输出汽车所需的横摆力矩, 结合电子油门踏板输入转矩期望值, 实现车轮驱动力矩的分配。整个控制系统 (如图2所示) 分为三个部分:控制目标参数的制定、基于模糊控制的横摆力矩的控制和转矩分配模块。

2.1 系统控制目标参数的制定

汽车动力学稳定性包括两个方面:轨迹保持问题和汽车的稳定性问题。轨迹保持即汽车能够按照预设的轨迹运行, 通常用质心侧偏角来评价。汽车的稳定性即汽车不发生侧滑、激转, 通常用横摆角速度的来评价。当质心侧偏角较大时, 根据b-method理论, 轮胎的侧向力和车身的横摆力矩都趋于稳定值如图 (3) 所示, 轮胎处于非线性状态, 改变轮胎转角, 已经不能有效的控制车辆的转向。当质心侧偏角较小时, 汽车稳定性可以用前后轮侧偏角的差值来描述, 当前轮侧偏角大于后后轮侧偏角时, 汽车为不足转向, 反之则为过多转向[3]。因此, 基于操纵稳定性的整车控制系统应当将横摆角速度和质心侧偏角作为系统控制目标参数。

2.1.1 横摆角速度期望值与实际值的制定

根据汽车线性二自由度汽车动力学方程:

当纵向速度恒定时, 即v&x=0、g&=0时, 可得横摆角速度稳定时的期望值, 用公式表示为:

综上分析, 横摆角速度的期望值应该表示为:

在汽车实际运行中, 横摆角速度可以通过传感器进行实时测量获得, 根据图2可以看出, 横摆角速度的实际值可以整车模型反馈获得。

2.1.2 质心侧偏角期望值与实际值的制定

汽车的运动轨迹是用质心侧偏角来评价的, 在运行中, 偏离预设轨迹, 汽车将失去稳定性, 因此应尽可以能减小质心侧偏角, 使汽车按照预设轨迹运行, 故将质心侧偏角的期望值设置为0, 即db=0。

在汽车实际运行中, 横摆角速度可以直接获得, 而质心侧偏角无法直接测量, 本文通过质心侧偏角状态空间观测器对其进行估算, 得到实际值, 从而得到质心侧偏角的误差, 输入到横摆力矩控制模块。根据整车七自由度的整车模型与轮胎侧偏特性分析, 质心侧偏角的状态空间方程观测器可表示为[4]:

2.2 基于模糊控制的横摆力矩的控制

基于模糊控制的横摆力矩的控制模块是以横摆角速度和质心侧偏角的误差e (g) 、e (b) 为控制变量, 通过模糊推理, 得到保持汽车稳定行驶所需要的横摆力矩, 整个模块主要包括物理量的模糊化、模糊规则的制定以及模糊量的清晰化三个部分。

模糊控制器是按照模糊规则进行模糊推理的, 模糊规则是以模糊语言的形式描述操作人的经验, 本文设计的模糊控制器的模糊规则共25条如表1所示, 模糊推理方式采用Mamdani直接推理算法。模糊控制的输出Mz1应为有确定值的清晰量, 因此, 需要将模糊量转化为清晰量输出, 本文采用重心法, 每条模糊规则对应的权重分配如表 (1) 所示。经过清晰化的横摆力矩是在模糊集上论域的值, 转化为实际值要乘以相应的比例因子, 根据仿真实验数据将比例因子确定为200, 因此, 实际值应为200Mz1。

在实际中, 当车轮驱动力大于地面附着力时, 汽车会出现车轮滑转的现象, 因此, 汽车所需要的横摆力矩需要考虑地面附着力约束。因此, 基于模糊控制制定的横摆力矩最大值应为:

当模糊控制输出的横摆力矩大于地面能提供的横摆力矩时需要限制为Mmax, 否则不起作用, 即:

2.3 驱动力矩的分配

驱动力矩分配层是根据油门踏板输入的期望转矩dT以及横摆力矩制定模块输出的转矩Mz, 进行转矩分配。驱动力矩一方面要满足油门踏板预定期望值, 另一方面要满足整车力矩平衡[5], 即:要满足公式 (10) 和 (11) :

3、两轮独立驱动控制系统的仿真分析

为了验证控制系统的有效性, 需要对两轮独立驱动控制系统进行仿真分析, 以某汽车为例 (具体参数如表2所示) , 分析在前轮角阶跃输入工况下, 系统目标参数的输出波形。根据美国ESV实验标准:汽车先以直线行驶, 达到实验车速 (40km/h及110km/h) 后, 突然以不小不小于500°/s的角速度 (如图7所示) 转动方向盘, 方向盘转角输入为0.1rad保持不变, 油门也不变[6]。

从图8可以看出, 汽车在1s时前轮角阶跃输入, 未控制的车辆在1.8s时, 横摆角速度达到峰值0.3rad/s, 在3.2s时达到稳态0.27rad/s, 质心侧偏角在2s时达到最大值0.072rad, 2.8s时趋于稳定为0.07rad。施加横摆力矩后, 横摆角速度波形的上升时间和峰值时间明显缩短, 响应波动较小, 在2s趋于稳态, 稳态误差较小, 质心侧偏角2s达到稳态约为0.035rad。显然, 在汽车低速运行时, 驱动力矩分配控制子系统控制时横摆角速度响应速度快, 能够很好的跟踪期望值, 质心在侧偏角控制在很小的范围内, 证明系统在汽车低速急转弯时是有效的。

从图9可以看出, 汽车在高速急转弯时, 未控制的车辆1.7s时, 横摆角速度达到峰值0.28rad/s, 在3s时趋于稳态0.2rad/s, 质心侧偏角在2.2s时达到最大值0.11rad, 2.8s时趋于稳定值为0.95rad, 施加横摆力矩后, 横摆角速度在1.6s时达到峰值0.17rad/s, 在2.2s波动较小, 趋于稳态, 在3s时, 基本与期望值重合, 质心侧偏角2s达到稳态约为0.5rad。据此可以看出, 整车控制系统能在高速运行时也能有效的控制车辆的稳定运行。

4、结论

本文以两轮独立驱动的电动车为研究对象, 探讨了以横摆角速度和质心侧偏角的误差为控制变量, 基于横摆力矩控制的整车驱动控制系统。MATLAB/Simulink仿真分析表明有控制的车辆能够很好的跟踪期望值, 响应快、超调小, 有效的提高了汽车的操纵稳定性。

摘要：文章以两轮独立驱动的电动车为研究对象, 探讨了整车的驱动控制系统。系统以汽车稳定性为控制目标, 基于横摆力矩实现车轮驱动力矩的分配, 并在MATLAB环境下, 建立了整车驱动控制系统的仿真模型, 验证了控制系统的有效性。结果表明:基于横摆力矩的整车控制系统较好的跟踪目标参数, 能有效提高汽车操纵稳定性。

关键词：两轮独立驱动,横摆力矩,模糊控制

参考文献

[1]李刚.四轮独立驱动轮毂电机电动汽车研究综述[N].辽宁工业大学学报, 2014 (01) :47-52.

[2]喻凡, 林逸.汽车系统动力学[M].北京:机械工业出版社, 2014.

[3]程军.汽车动力学控制的模拟[J].汽车工程, 2013, 04:199-205.

[4]周翠玉.微型电动汽车电子差速控制的研究[D].河北联合大学, 2013.

[5]蒋振江.四轮独立驱动电动汽车驱动控制策略的研究[D].重庆理工大学, 2012.

电动汽车驱动电机及其控制策略 篇7

电动汽车采用电动机驱动车轮行驶, 动力来源于车载电源, 作为理想“零排放” (或少排放) 汽车, 可使全球污染和能源危机等问题迎刃而解。为此, 汽车产业朝低碳经济方向转型升级势在必行。

现代电动汽车主要分为三类:纯电动汽车 (EV) 、混合动力汽车 (HEV) 、燃料电池电动汽车 (FCEV) 。驱动电机及其控制技术是电动汽车关键技术之一, 是提高可靠性、驱动性能和续驶里程的基本保证。电机驱动系统直接影响整车的动力性及经济性, 是保证电动汽车续驶里程、电动汽车能否产业化的关键。

常用电动汽车驱动电机主要分为直流电动机、感应电动机、开关磁阻电动机和永磁电动机四个大类。

电动汽车所采用驱动电机一般采用专用电机, 应满足如下基本性能要求:

1. 在较宽速度范围内保持高效率, 低损耗, 并能以再生制动运行方式实现制动能量回收。

2. 结构坚固, 体积小, 质量轻, 具有高功率密度、良好的环境适应性和高可靠性。

3. 有较宽的速度调节范围。

高速行驶时, 过载能力强, 能以高速低转矩的特性输出, 并有较好动态响应速度;基速以下输出低速大转矩, 以适应车辆的起动、加速、负荷爬坡和频繁起停等复杂工况。

4. 成本低, 可靠性好, 噪声较小, 结构坚固且易于维护。

5. 驱动系统器件成本低, 理论成熟, 控制性能优良, 利于降低开发成本, 缩短开发周期并提高整车的驱动性能。

驱动系统及其控制方法也将严重影响到其性能指标。这里, 主要阐述常用电动汽车驱动系统特点及其控制方法。

二、直流电动机驱动系统

直流电动驱动系统是以直流电动机为驱动电机的电动汽车驱动系统。在混合动力汽车中, 小功率电动机往往采用永磁电动机, 而大功率电动机, 大多采用励磁式直流电动机。

由于直流电动机驱动装置简单, 所以应用于早期以及小型电动汽车中。

1. 直流电动机特点

(1) 直流电动机的优点:

(1) 通过对电枢电流的控制, 能够较容易地实现对转矩的线性控制;

(2) 改变励磁绕组的电流, 易于实现弱磁, 从而使高速运行变得简单可行;

(3) 串励电动机在低速时可自动地获得大转矩。

(2) 直流电动机的缺点

由于电刷、换向器等易于磨损, 加上转子电枢结构限制, 它的转速、功率密度、使用寿命受到限制, 不适合高速旋转;而且, 直流电动机一般质量和体积较大。因此, 目前只在小型、低速车中使用。随着现代调速方法的发展, 直流电动机最终将被交流电动机所取代。

2. 直流电动机控制技术

直流电机驱动系统控制器一般采用斩波控制器控制。斩波器将固定的直流电压变成可调的直流电压。通过改变直流电机电枢两端的等效平均电压, 控制电机的转速和转矩。斩波器既可用于控制电机的电枢电压, 实现电机恒转矩调速, 也可用于控制励磁绕组电压, 改变励磁电流, 实现恒功率弱磁调速控制。

在电枢电压调节的直流调速系统中, 一般采用脉宽调制方法 (PWM) 直接将恒定的直流电压调制成极性可变、大小可调的直流电压, 以实现直流电动机转速和方向的平滑调节。

三、交流感应电动机驱动系统

交流感应电动机可以分为笼型和绕线转子型异步电动机两类。在电动汽车中, 使用的一般为笼型异步电动机。三相绕组放置在异步电动机的定子中, 并产生旋转磁场, 旋转磁场的转速和频率成正比。

1. 交流感应电动机特点

(1) 交流感应电动机优点

转子是用铸铝将导条和端环以一体的结构铸造出来。由于转子绕组使用整体轻量化的材料, 电动机能够实现高速运转。特别是在小型的笼型电动机中, 生产成本低, 结构坚固, 易于维护。

此外, 三相感应电机调速范围宽, 响应快、运行可靠, 低转矩脉动小、噪声低, 不需要位置传感器。

(2) 交流感应电动机缺点

在效率方面, 感应电动机略低于永磁同步电动机, 同时, 驱动电路复杂、成本高, 功率密度偏低, 有被新型永磁同步驱动系统逐步取代的趋势。

2. 交流感应电机驱动系统控制技术

交流感应驱动系统必须通过逆变器将蓄电池输出的直流电进行变流处理。逆变器的工作原理, 是通过电子开关及整流电路, 将直流电逆变成交流电。感应电动机逆变器即便短路也不会产生反向电动势, 所以没有出现紧急制动的可能性, 可靠性能够得以保障, 因此大量应用在高速电动汽车中。

交流感应电机调速方法有许多, 其中以变频调速应用最为广泛。现代研究较多的调速方法包括PWM调速、变频变压控制 (VVVF) 、矢量控制 (VC) 和直接转矩控制 (DTC) 。这里, 以后两种为例, 对感应电机调速方法进行阐述。矢量控制 (VC) 的基本原理, 是根据磁场定向原理, 将定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) , 然后同时分别控制两分量的幅值和相位, 从而达到控制电机转矩的目的。矢量控制方式分为最大效率矢量控制方式和无速度传感器量控制方式。对于一般的矢量控制系统, 励磁电流都保持常数, 在轻载时增加消耗, 存在效率相对较低问题。为解决这一问题, 应使电机在任何负载条件下损耗最小, 保证效率最大。

与矢量控制不同之处在于, 直接转矩控制 (DTC) 直接控制输出转矩, 根据输出特性, 通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流, 不需要复杂的坐标变换, 克服了矢量变换控制的复杂运算的缺陷, 具有结构简单、转矩响应迅速、计算简单等优点。

但由于该方法只对单一矢量、转矩和磁链进行控制, 存在谐波成分, 造成低速特性差、开关频率不固定以及转矩脉动等缺点, 限制了直接转矩控制方法在低速区的应用。

四、SRD开关磁阻电动机驱动系统

1. SRD开关磁阻电动机的特点

(1) 开关磁阻电动机的优点:

(1) 定子线圈易于安装, 整个结构牢固紧凑;

(2) 转子无绕组, 适合于高速运行, 起动转矩大的优点在低速运行阶段同样明显;

(3) 热耗大部分集中于定子, 易于冷却, 可有较高的最大允许温升;

(4) 启动电流小, 无明显的热量产生, 延长了使用寿命;

(5) 成本低, 性能可靠。

(2) 开关磁阻电机的缺点:

(1) 相对永磁电机而言, 能量转换功率密度和效率低;

(2) 由于转矩脉动大, 导致噪声大, 特定频率下的谐振问题也较为突出;

(3) 相数越多, 接线也较多, 主电路复杂。

2. SRD开关磁阻电机控制技术

电机驱动电路简单, 在宽转速范围内效率较高, 易于实现四象限控制;转子转动惯量低, 便于调速控制。

由开关磁阻电动机转矩-转速特性曲线 (如图1所示) 可以看出, 当电机转速低于基速ωb时, 电感L很小, 此时保持开通角和关断角不变, 电机工作在恒转矩 (0<ω≤ωb) 区间, 这时采用电流斩波器 (也叫变流器) 进行控制。

电流斩波控制, 是指当转角处于开通角阶段时, 使功率开关电路接通 (称为相导通) , 绕组电流从0开始上升;当电流达到设定的上限峰值时, 切断绕组电流 (称斩波关断) , 绕组承受反压, 电流迅速下降;经过一段时间后, 电流降到设定的下限值时, 电路重新导通 (也称斩波导通) 。上述过程周而复始, 形成斩波电流波形, 直到转角为关断角, 使电路相关断。

电流斩波控制的实质, 是按照转矩-转速特性曲线, 使绕组电流在上下极限值时进行电路的关断和导通, 从而实现对电机转矩和转速的控制。该驱动系统控制策略, 使得转矩相对平稳, 适合车辆低速和制动运行。其缺陷在于, 当路况发生变化 (负载扰动) 情况下动态响应迟缓。

在 (ωb, ωsc) 区间, 当电机电感增加到一定值时, 阻碍峰值电流上升, 根据图1中第2段曲线, 以转子位置角作为控制参数, 采用角度控制方式。

角度控制是指控制开通角θon和关断角θoff。在θon和θoff之间, 对绕组施加正向电压, 维持电流上升。在θoff一段时间内, 对绕组施加反向电压使电流续流迅速下降, 直至为0, 实现电机调速目的。通过角度优化, 能使电动机在不同负载下保持较高的效率。

在高速工作区 (ωb>ωsc) 时, 临界速度ωsc、开通角θon和关断角θoff达到极限值后, 保持电机相电压, 使开通角θon和关断角θoff固定不变, 根据图1中第3段曲线, 采用电压斩波方式进行控制, 抗负载扰动动态响应快, 但转矩脉动较大。

五、永磁同步电动机

永磁同步电机分为永磁无刷直流电动机和永磁无刷交流电动机。不同的是, 无刷直流电动机的反电动势和定子电流波形为三相方波, 而无刷交流电动机波形则为三相正弦波信号。无刷直流电动机的优势在于没有电刷, 而是利用电子换相, 克服了由电刷引起的问题。永磁体安装在转子上, 电枢绕组装在定子上, 因而导热性能好, 结构简单, 既使结构紧凑, 又减少了磁场损失, 其效率与转速保持同步关系。

1. 永磁同步电动机特点

(1) 永磁同步电动机优点

(1) 结构简单, 便于维护。与感应电动机相比, 无滑环、无电刷、结构简单、寿命长。

(2) 由于采用永磁体, 可省去励磁功率, 高效节能, 功率因数大幅度提高。

(3) 功率密度大, 效率曲线平直, 效率特性优良。位置检测方便, 控制简单, 调速精度高。

(2) 永磁同步电动机缺点

(1) 成本高, 要做到体积小、重量轻, 技术难度较大;

(2) 相电流难以达到理想状况, 存在一定转矩脉动和噪声、振动。

2. 永磁电动机控制技术

永磁电动机只能对定子绕组的电流进行控制, 具有较高的功率密度, 而且能在较宽的调速范围内保持高效率。永磁同步电动机其控制方式包括电流指令的生成、定子电流检测和电流的闭环控制。

永磁同步电机驱动系统低速时常采用矢量控制, 高速时易于弱磁调速, 扩大了恒功率运行范围, 适用于电动汽车的牵引驱动。

永磁无刷直流电动机的控制方法有许多, 最常用的为模糊PID (比例-积分-微分) 控制。系统由PID控制器和被控单元组成。PID控制器由比例单元 (P) 、积分单元 (I) 和微分单元 (D) 组成。

与其他自动控制领域一样, PID控制比例环节用于控制系统的偏差信号, 控制积分环节 (I) 是为了消除余差, 微分环节 (D) 反映偏差信号的变化趋势。在偏差信号变得太大之前, 在系统中引入一个有效的早期修正信号, 从而加快系统的动作速度, 减少调节时间。使用中只需设定少于等于三个参数, 即可以只对比例积分或比例微分进行控制, 但比例控制单元 (P) 必不可少。

所谓模糊PID控制算法, 是根据一定的模糊规则, 利用逻辑算法对传统PID控制的比例、积分、微分系数进行实时控制和优化, 达到较为理想的效果。

模糊PID控制共包括参数模糊化、模糊规则推理、参数解模糊、PID控制器等重要组成部分。计算机根据所设定的输入sp和反馈信号, 计算实际位置和理论位置的偏差以及当前的偏差变化, 输出PID控制器的比例、积分、微分系数。此外, 为防止一般模糊控制分挡造成控制过程不连续, 系统中解模糊输出控制器参数的修正量。

由用户根据具体情况设定, 最后根据修正系数计算出实际的PID控制参数, 并运用到控制系统中, 使整个系统稳定、可靠地运行。

六、结语及建议

就目前研究状况来看, 电动汽车驱动系统及其控制技术发展较为迅速, 尤其驱动电机技术已经日趋成熟。但现存驱动系统及其控制方案还有各种不尽人意的地方, 还很难形成安全、鲁棒性强、性价比高的产品。

电动汽车电驱动系统辅助电源设计 篇8

从20世纪70年代开始, 多路输出开关变换器广泛应用于工业及军事设备的电子系统中, 特别是在需要电池供电的设备中, 通过采用多路电源供电可减少能耗。最初人们通过把几个独立的DC/DC变换器组装在一起获得多路输出电源, 但这种方式造成了电源成本及体积的增加, 并且引入了拍频干扰。此后, 多路输出技术引起了研究人员的广泛关注。以往的众多研究表明:由单电感实现的多路输出及PWM—PD (脉宽调制—脉冲延迟) 实现的多路输出都无法实现各路输出隔离, 且后者只能使变换器工作在不连续导通模态。此后, 单绕组实现多路输出技术利用同一个绕组实现多路输出变换器将磁性元件的数量减到最小, 但由于同步整流技术的应用, 使得其驱动电路设计变得较为严格。多绕组实现多路输出技术同样能实现各路隔离输出, 其中变压器耦合调节式多绕组由于其电路设计简单、成本低, 能实现主路输出的精确稳压, 适合辅路输出要求不高的场合, 虽然耦合电感调节式多绕组缓解了各路输出之间的交叉调节误差, 但是由于耦合电感的存在使得变换器存在结构比较复杂且成本上升的不足。加权电压调节式多绕组虽然在变换器整体的稳压精度有所提高, 但只是将误差在各支路上重新分配, 没有从根本上消除误差, 并且无法实现各路的相互隔离输出。其他各类后置调节式多绕组实现多路输出技术大多通过增加控制变量得到精确调节的各路电压, 但结构相对复杂, 成本较高, 并且部分元器件或部分电路的设计比较困难, 有些甚至还对输入电压的范围有一定要求[1,2,3]。

鉴于电动汽车电驱动系统对其辅助电源设计需求是主路输出±15 V, 要求精确稳压, 而其它路输出电压的纹波要求不高, 为此, 本研究采用结构简单的反激拓扑结构, 通过变压器耦合调节式多绕组实现多路输出的设计方案, 旨在满足设计需求的同时兼顾成本;变压器在绕制+15 V与-15 V两绕组时采用双股并绕方式实现两路输出电压的精确稳压, 同时使用Y电容对高频共模噪声进行抑制, 以满足噪声纹波的要求。

1 系统原理及PWM控制芯片简介

1.1 单端反激式变换器基本原理

单端反激式变换器基本原理图如图1所示。

其基本原理如下:

在开关管Q导通期间Ton=αTS (式中:α—开关管占空比, TS—开关管开关周期) , 电源电压Uin加到一次绕组N1上, 其电流直线上升, 磁通增加, 电感L1储能增加, 二次绕组N2的感应电动势eBF<0, 二极管D截止, 负载由电容C提供能量, C放电;在开关管Q关断期间Toff= (1-α) TS, N1绕组的电流转移到绕组N2上, 电源停止对变压器供电, 二次绕组N2电流和磁通从最大值减小, 感应电动势eBF>0, 使得二极管D导通, 将二次绕组N2中电流所代表的变压器磁能变为电能向负载R供电, 并使电容C充电[4,5]。

1.2 电流型PWM控制原理

电流型PWM控制系统框图如图2所示, 该系统采用电流内环电压外环的双闭环串级控制结构。

其控制原理如下:

输出电压Uo经反馈电路得到的反馈输出Ur与给定指令电压U1进行比较, 电压误差经电压调节器的输出Uc作为电流调节器的电压参考指令信号, 该信号与通过电阻采样并反映电流变化的信号Us进行比较, 输出占空比可调节的PWM脉冲信号, 使得输出电压Uo保持恒定[6]。

1.3 电流型PWM控制芯片TL2844B简介

TL2844B是工业级 (-40℃～85℃) 电流型PWM控制芯片, 它主要由:高频振荡、误差比较、电流取样比较、脉宽调制锁存、欠压锁定、过压保护等功能电路组成。

其内部结构框图和引脚图如图3所示。

引脚1 (COMP) —误差放大器补偿端;引脚2 (VFB) —接电压反馈信号;引脚3 (ISENSE) —接电流检测信号;引脚4 (RT/CT) —外接电阻RT及电容CT用来设置振荡器的频率;引脚5 (GND) —接地端;引脚6 (OUT-PUT) —推挽PWM输出端, 可提供大电流图腾柱输出;引脚7 (VCC) —接芯片工作电压;引脚8 (VREF) —提供5 V的基准电压

2 辅助电源主电路设计

2.1 辅助电源设计原理图

该辅助电源设计原理图如图4所示。

图4中, 高压直流电取自电动汽车动力电池组的输出, 经过单端反激变换器转换为15 V、±15 V、24 V输出, 分别为TL2844B芯片、运放、风扇与继电器供电, 还有4路输出为IGBT驱动供电, ±15 V输出是最重要且纹波要求较高的一路, 所以本研究对该路输出进行电压反馈。考虑到辅助电源的负载相对比较固定, 其他各路输出电压的质量要求不高, 所以从节约成本的角度出发, 本研究没有采用类似7815的二次稳压模块和附加的LC滤波器。

该辅助电源主要技术指标如表1所示。

2.2 高频变压器设计

根据变压器原副边电流情况, 单端反激变换器可以处于断续工作模式 (DCM) , 临界工作模式 (BCM) , 连续工作模式 (CCM) 。由于输入电压及负载的变化, 变换器可能在不同工作模式切换。考虑当变换器输入电压最小值为220 V且带满载的1/3时处于临界工作模式, 对其变压器主要参数确定如下:

根据系统相关的设定参数可以求得原边电感LP (单位为mH) , 如下式所示:

式中:Uin min—最低输入电压, V;Dmax—输出最大占空比;η—系统效率;Po max—最大输出功率, W;fS—开关频率, kHz。

变压器磁芯面积乘积AP计算值 (单位为mm4) 可由下式求得:

式中:Ae—磁芯的有效截面积, mm2;Aw—磁芯的窗口面积, mm2;ko—窗口的铜填充系数, 一般取0.4;kc—磁芯填充系数, 对铁氧体磁芯取1;Bm—变压器工作磁密T, 且Bm0.5Bsat, Bsat—磁芯的饱和磁密T。

对于这种8路输出的高频变压器, 由于绕组比较多, 在选择磁芯时一般AP比计算值大很多, 这样方便变压器绕制, 同时变压器的散热比较好, 温升问题也较小。

原边匝数NP可由下式求得:

计算气隙l1 (单位:mm) 可由下式求得:

值得注意的是计算气隙l1表示近似值, 需要进一步计算得修正气隙l2 (单位:mm) , 如下式所示:

式中:le—选择磁芯数据里的实效磁路长度;μ—磁芯材质表里查到的初始磁导率, 但要考虑修正气隙的合理性, 既不能太小, 小于0.2 mm就很难实现, 也不能太大, 太大就会使漏感问题很严重, 一般会控制这个气隙在0.8 mm以内。

主反馈输出绕组的匝数NS可由下式求得:

式中:n—NP与NS的比值, 它的计算取值与系统采用的功率器件最大耐压值及系统最大输入电压相关, 此处就不详细阐述。但由于考虑到原边与副边导线尺寸相差太大会造成变压器线圈绕制工艺问题, 一般n最大为10∶1, 最小为1∶10。

其他输出绕组匝数NK均可由输出电压比得到, 如下式所示:

式中:UK, NK—所求输出绕组的电压和匝数。

2.3 漏感吸收电路

在反激变换器中, 高频变压器由于防止磁芯饱和的气隙存在, 必然会引起漏感, 在开关管关断时, 变压器漏感与开关管及变压器的寄生电容之间的谐振会在开关管两端产生很大的尖峰电压, 容易击穿开关管。在不计成本追求效率的情况下, 采用有源无损的瞬态电压抑制器TVS保护开关管抑制漏感尖峰电压, 笔者建议采用低成本的RCD无源有损箝位电路保护开关管[7,8,9]。

RCD箝位电路参数的选取很重要, 系统负载发生变化时箝位电压会随之变化, 若R、C参数选择合适, 不仅能抑制开关管的关断尖峰电压, 而且箝位电阻R的损耗较低;若R、C参数选择不合适, 不仅关断时尖峰电压较大易击穿开关管, 而且箝位电阻R会消耗变压器励磁电感能量, 从而降低整个电源系统的效率。箝位电路的参数确定如下:

RCD电路箝位电压Vclamp可由下式确定:

式中:VDSS—MOS管的最大反向耐压, Vin max—最大输入电压。

箝位电阻R19可由下式确定:

式中:VOR—反射电压;LS—高频变压器的原边漏感, mH;IPK—原边绕组或开关管的最大电流。

箝位电容C17 (单位:μF) 由式 (10) 确定:

3 控制电路设计

3.1 控制芯片TL2844B的启动及正常工作

TL2844B第7脚Vcc为其工作电源, 其启动电压是16 V, 关闭阈值为10 V。

电池的直流高压分为两路:一路经变压器初级绕组直接加至MOS管的漏极;另一路经启动电阻降压给TL2844B第7脚Vcc并联的电容C18充电, 当Vcc>16 V时芯片立即启动工作, 此时芯片需要的启动电流<0.5 mA (启动电阻应选择合适值) , 同时变压器次级馈电绕组可能由于系统逐渐稳定在10 ms后才感应输出到Vcc供给TL2844B, 以保持芯片的正常工作, 所以当启动电阻确定后, C18电容值需要合适选择。本研究在TL2844B内部的第7脚输入端设有34 V的稳压二极管, 用于保证其内部电路绝对工作在34 V以下, 防止高压可能带来的损害[10]。

此外, TL2844B内第7脚Vcc具有欠压锁定保护的作用, 当电路由于某种原因导致电压下降时, 次级馈电绕组感应输出到第7脚Vcc也会下降, 当低至10 V以下时, 芯片将停止工作。在系统过载或输出短路时, 两个并联电阻R14、R15能滤除负载绕组漏感引起的初始尖峰电压 (因为起始的尖峰部分整流就足够给7脚供电的电压) , 使得Vcc电压掉落到欠压保护点达到打嗝保护目的 (此外, C18电容值的选择对打嗝保护也会有影响) 。

3.2 电压反馈电路设计

电压反馈电路通过电阻R1、R2对+15 V的输出电压进行分压, 将R2得到的采样电压与TL431的参考端2.5 V进行比较。若采样电压小于2.5 V (或相等) , 则TL431未工作, 阴极电流很小 (小于1 mA) , 此时流过PS2501光耦 (非线性光耦、高速开关) 二极管的电流很小, 光敏晶体管不导通, TL2844B的第1脚COMP为高电位, 约为5.8 V (经过两个二极管压降再通过电阻分压得到的电压约为1.8 V, 但由于TL2844B芯片内部有1 V稳压管, 电流感应比较器反相输入端为1 V, 其输出R为低电平) 。或门输出保持原有状态 (当S为高电平时, 无论R是何状态, MOS管此时关断, 即R对或门的输出无影响, 当S转为低电平, RS触发器保持原有状态) , 从而输出以最大占空比D进行输出。

当输出电压因某种原因偏高, 则采样电压大于2.5 V, 流过TL431的阴极电流增大, 流过光耦二极管的电流增加, 光耦二极管导通发光, 光敏晶体管导通, 其输出R为高电平。在开关周期内, S为高电平表示开关管关断, 输出R对或门输出无影响, 若S为低电平, RS触发器输出高电平, 表示无论开关管在什么状态, 或门输出为高电平, 开关管关断, 输出占空比D下降, 导致输出电压降低。

3.3 电流反馈电路设计

在电流控制型DC/DC变换器中, 由于内环采用了直接峰值电流控制技术, 可以及时准确地检测出变压器以及开关管中的瞬态电流, 从而形成了逐个电流脉冲检测电路。只要研究者给定限制参考电流, 就可以准确地限制流过开关管和变压器中的最大电流, 从而在输出过载或短路时保护开关管和变压器, 同时有效克服因输入电压的浪涌产生很大的尖峰电流而损害功率开关管。

开关管导通时, 其流过的电流逐渐增大, 并在由R17、R18并联组成的电流检测电阻Rc上产生压降, 该电压与电流比较器的另一端进行比较, 当这电压达到一定值时, 锁存器复位, 开关管截止;正常运行时, 检测电阻上的峰值电压由误差放大器控制。

原边检测电流I由下式确定:

式中:Ue—电压误差放大器的输出电压。

TL2844B的内部电流感应比较器反向输入端钳位为lV, 因此最大峰值电流限制为I=1 Rc。本研究设计了由R7、C20组成的滤波电路, 是为了滤除开关管导通时锯齿波的前端小尖峰。为了防止误控, C20电容值不能大, 否则让正常的锯齿波衰减导致电流峰值失控爆管, 其时间常数通常近似等于电流尖峰持续时间, 约为几百纳秒。此处的R7、C20分别是1 kΩ和1 nF。

3.4 振荡频率的设定

电源的工作频率可由TL2844B的数据手册中查到, 该芯片PWM输出的开关频率fS是振荡器频率fC的一半。

若时间电阻R5小于等于5 kΩ时, 振荡频率fC由下式确定:

若时间电阻R5大于5 kΩ时, 振荡频率fC由下式确定:

式中:C21—充电电容。

而开关频率fS=0.5fC, 开关频率直接影响高频变压器体积的大小, 但太大又会增大开关损耗, 一般取50 kHz左右。为此, 开关频率设定为:fS=0.5fC=43 k Hz, R5和C21的取值为:R5=20 kΩ, C21=1 nF。

4 输出整流电路及高频噪声抑制方法

4.1 输出整流电路

在每一路输出都是由快恢复整流二极管和滤波电容 (大容值电解电容滤低频和小贴片电容滤高频) 构成。在满足系统负载供电性能需求度前提下, 从节约成本角度考虑, 本研究方法中的各路输出没附加LC滤波器。

4.2 高频噪声抑制方法

引起输出高频噪声的原因较多, 所以降低高频噪声的方法各异, 主要采用的方法为: (1) 在布板方面, 尽可能缩小高频环路面积, 尽可能减小布板时因走线不合理所引起的分布参数对高频噪声的影响; (2) 关键元器件选择时需要关注的一些参数, 如电解电容的ESR、ESL, 开关MOSFET管的门极电荷、反向恢复电荷, 整流二极管的寄生电容、反向恢复时间等; (3) 变压器绕制方式对变压器分布参数有不同的影响, 低压输入时可以只需考虑漏感的影响, 但高压输入时必须考虑分布电容的影响[11]。

当然, 除了前面从源头减小高频噪声的方法外, 还可以采用外加的高频噪声抑制手段, 即: (1) 在MOS管漏源极和整流二极管两端加合理的RC吸收电路; (2) 在整流二极管上串磁珠; (3) 增大MOS管的驱动电阻; (4) 在输入侧加X电容减小差模噪声; (5) 在一、二次侧间加Y电容, 并尝试改变Y电容的位置及参数值以达到较好地减少共模噪声。

相比于差模干扰, 共模干扰的幅度大、频率高, 可以通过电源线形成辐射, 所以干扰较大。该设计在一、二次侧间加合适的Y电容CY1和CY2, 抑制高频噪声, 减少高频振荡和降低噪声峰峰值。

设计的辅助电源系统在整个输入电压范围内带满载时, +15 V输出的最大噪声峰峰值如图5所示 (左图是无Y电容方案, 右图是有Y电容方案) 。

-15 V输出的最大噪声峰峰值如图6所示 (左图是无Y电容方案, 右图是有Y电容方案) 。

5 结束语

在满足电动汽车电驱动系统辅助电源设计需求的同时, 兼顾系统成本, 本研究采用了单端反激多路输出的辅助电源设计方案达到了最初的设计目的, 并给出详细的设计过程。

经系统实验性能测试, 结果表明, 本研究所设计的辅助电源具有结构简单、性能良好的技术优势, 实现了在输入电压宽范围变化时系统多路电压的稳定输出;所采用的RCD电路既能保护开关管又能保证系统的效率, 同时, 还通过一、二次侧间加合适的Y电容抑制了共模噪声。目前, 该方案可以直接应用于电动汽车的电驱动系统。

参考文献

[1]甘久超, 谢运祥, 颜凌峰.DC/DC变换器的多路输出技术综述[J].电工技术杂志, 2002 (4) :1-3.

[2]吴冬梅, 蔡丽娟.开关电源的多路输出技术发展综述[J].电气传动, 2006, 36 (4) :8-11.

[3]蒋伟, 喻浩.DC/DC变换器在新能源汽车上的应用[J].机电工程技术, 2011, 40 (8) :143-144.

[4]张占松, 蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社, 2004.

[5]陈坚.电力电子学[M].2版.北京:高等教育出版社, 2004.

[6]刘俊, 楚君, 王玲.一种基于UC3844的多路输出电源设计[J].电子工程师, 2007, 3 (9) :49-52.

[7]张兰红, 陈道炼.反激变换器开关应力抑制技术研究[J].电力电子技术, 2002, 36 (2) :29-31.

[8]邹华昌, 乔江, 宋浩谊.开关电源的缓冲电路设计[J].微电子学, 2008, 38 (1) :141-144.

[9]刘国伟, 董纪清.反激变换器中RCD箝位电路的研究[J].电工电气, 2011 (1) :21-23.

[10]夏亮.电动汽车驱动器用开关电源的设计研究[D].上海:同济大学电子与信息工程学院, 2008.

分布式驱动电动汽车构型综述 篇9

关键词：电动汽车,分布式驱动,评价指标

引言

面对燃油汽车尾气排放造成的污染及对石油资源的过度消耗引发的环境问题与能源问题, 电动汽车已经成为国际汽车工业发展的潮流和“热点”之一。电机在加、减速过程中转矩响应时间大概在1-10ms, 而内燃机却达500ms-1s。这使得电机驱动容易实现高性能的一体化TCS/ABS。此外, 电机转矩易于根据电流等参数求得, 可以实时地得到轮胎和路面间的驱动/制动力。分布式驱动电动车是一辆车上装备两台或两台以上的电动机, 每个电动机通过自己的传动半轴将动力传递个各自对应的驱动轮。

1 分布式驱动电动汽车构型

1.1 驱动桥式

其优势在于与集成式驱动构型相似, 并且电动机的选型由于减速器的存在可以有最小程度从集成整体式驱动构型的改变, 但能够对驱动轮有更加精准的掌控力。是从集中式到轮毂式构型之间的过渡构型。奥迪R8 e-tron双永磁同步电机在宽泛的转速范围内都能保持95%的效率, 最高时速可超过250km/h。单台电机410N.m的扭矩被传动比为6的行星齿轮组放大了6倍。

1.2 电动轮驱动构型

这两种构型不再经由长半轴部件传动并且舍弃了传统的离合器、传动系统等机械部件, 简化了机械传动结构, 降低了车载自重。同时提高了对车轮控制的动态响应。

(1) 轮边减速器构型

相对于驱动桥式其减速比固定, 容易维修, 而且电机和减速器并没有放入轮辋内, 刹车系统可以很好地布置。ZF公司在2011年第四季度开始量产其新式低地板轮边电驱动桥车桥。

(2) 轮毂电机构型

轮毂电机按照驱动方式又可以分为直接驱动和减速驱动[6]直接驱动构型下电机由于采用低速外转子电动机, 这种电动轮直接将外转子安装在车轮的轮辋上驱动车轮转动;如图1即是法国TM4所制造的一体式电动轮

轮边减速电驱动系统采用高速内转子电机, 同时装备固定传动比的减速器。为了获得较高的功率密度, 适合现代高性能电动汽车的运行要求。电机的转速通常高达10000r/min。减速结构通常采用传动比在10∶1左右的行星齿轮减速装置, 车轮的转速在在1000r/min左右。常电动机的最高转速设计在4000-20000r/min, 其目的是为了能够获得较高的比功率

1.3 动态吸振驱动形式

动态吸振驱动构型在转向时通过角度传器测量转向角, 经电子控制器计算、判断后控制驱动电机转速与转矩。驱动电机应选择盘式电机, 因为它除了散热性好、转动惯量小、具有良好的快速反应性能外, 轴向尺寸小, 能与轮毂形状相适应, 无需占据轮毂以外的空间, 使电动轮的结构紧凑, 直接降低了车轮的非簧载质量, 从源头上解决了非簧载质量过大问题。

(1) 直接减振构型

Bridgestone公司开发的采用动态吸振形式轮边驱动系统, 电机呈环状结构, 内侧作为

备有线圈的定子, 外侧作为备有永磁铁的转子, 定子和转子之间设有直径400mm的大直径滚珠轴承, 通过将电机质量转换为吸振器质量, 不仅可以直接降低非簧载质量, 而且还可以利用分离出来的电机质量进行吸振。

(2) 主动悬架减振构型

2008年, 米其林创新地推出了主动车轮, 轮毂中有两个电动机, 其中一个向车轮输出扭矩, 另一个则是用于控制主动悬架系统, 从而改善舒适性、操控性和稳定性。在两个电动机之间还设有制动装置, 动力、制动和悬架都被集成在一起, 结构相当紧凑, 见图2。

2 分布式驱动电动汽车评价指标

2.1 增加车内空间

分布式驱动车辆降低车厢底板且底盘平整, 增大空间的同时便于老年人和儿童上下走动。尤其是在需要频繁上下车和走动的公交车上, 分布式驱动的优势更为明显

2.2 减小最小转弯半径

当采用电动轮时, 由于没有了发动机或电动机的空间限制, 转向轮可以拥有的空间更大了, 再加上没有传动轴上万向节的角度限制, 电动轮极大地减小了最小转弯半径

2.3 轻量化整车

由于省去了不必要的差速器和传动轴, 分布式驱动形式的采用大大减轻了整车的质量, 在提高了驱动系统的效率和比功率的同时, 能源消耗将明显降低。根据丰田的计算, 整个动力系统可以减重36%。

2.4 提高动力学控制性能

由于分布式驱动相比于传统内燃机而言, 具有更快的响应速度, 是传统内燃机或者是液压系统的10-100倍。因此利用分布式驱动电动汽车电机力矩响应迅速及力矩独立可控的特点, 进行驱动防滑、制动防抱死及操纵稳定性控制。

2.5 提高平台通用性, 节省研发经费

采用分布式驱动可以匹配包括纯电动、混合动力和燃料电池电动车等多种新能源车型。无论是纯电动还是燃料电池电动车, 抑或是增程电动车, 都可以采用分布式驱动;同时, 新能源车的很多技术, 比如制动能量回收 (即再生制动) 也可以很轻松地在分布式驱动车型上得以实现。

2.6 简化底盘利于制造

如果将悬架系统集成入电动轮后, 未来的电动汽车将变得非常简单, 仅仅只用电池, 车架, 电动轮以及车壳四部分组成, 此时汽车的底盘就变成了一块“光滑的滑板”。因此能够很方便地维护制造, 同时也降低了制造成本

参考文献

[1]李佩珩, 易翔翔, 候福深.国外电动汽车发展现状及对我国电动汽车发展的启示[J].北京工业大学学报, 2004 (3) :49-54.

[2]罗昶.双电机独立驱动电动车稳定性控制研究与试验车设计[D].北京:中国科学院研究生院, 2004.

[3]李晓华, 杨尔滨.电动汽车轮毂电机的研究现状和发展趋势[C].中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十六届学术年会暨中国电机工程学会电力系统专业委员会2010年年会论文集.2010:1-4.

[4]宋慧, 胡骅.电动汽车的现状及发展[J].汽车电器, 2000 (6) .

[5]濮卉, 于新龙.电动汽车轮边驱动系统驱动方式与特点分析[J].汽车实用技术, 2012 (1) :31-34.

[6]李晓华, 杨尔滨.电动汽车轮毂电机的研究现状和发展趋势[J].电机与控制应用, 2007 (6) :1-5.

电动驱动 篇10

1 电动汽车的驱动能源

电动汽车简而言之就是指以车载电源为动力, 用电机驱动车轮行驶, 符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。电动汽车的优点是:它本身不排放污染大气的有害气体, 即使按所耗电量换算为发电厂的排放, 除硫和微粒外, 其它污染物也显著减少。由于电力可以从多种一次能源获得, 如煤、核能、水力、风力、光、热等, 解除人们对石油资源日见枯竭的担心。

电动汽车还可以充分利用夜间用电低谷时富余的电力充电, 使发电设备日夜都能充分利用, 大大提高其经济效益。有关研究表明, 同样的原油经过粗炼, 送至电厂发电, 经充入电池, 再由电池驱动汽车, 其能量利用效率比经过精炼变为汽油, 再经汽油机驱动汽车高, 因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排放。

电动汽车所使用到的能源——电池的种类以及性能如下介绍。

化学电池按工作性质可分为:一次电池 (原电池) 、二次电池 (可充电电池) 、铅酸蓄电池。其中一次电池可分为:糊式锌锰电池、纸板锌锰电池、碱性锌锰电池、扣式锌银电池、扣式锂锰电池、扣式锌锰电池、锌空气电池、一次锂锰电池等;二次电池可分为:镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池、二次碱性锌锰电池等;铅酸蓄电池可分为:开口式铅酸蓄电池、全密闭铅酸蓄电池。

电池是一种化学物质, 因而也是有一定服务寿命的, 诸如干电池 (包括普通的碱性电池) 等一次电池是不能充电的, 服务寿命只有一次。对于充电电池, 一般以充电次数来衡量其服务寿命的长短。镍镉电池的循环使用寿命在300～700次左右, 镍氢电池的可充电次数一般为400～1000次, 锂离子电池为500～800次。

1.1 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池由正极板、负极板、电解液、隔板、容器 (电池槽) 等5个基本部分组成。它是用二氧化铅作正极活性物质, 铅作负极活性物质, 硫酸作电解液, 微孔橡胶、烧结式聚氯乙烯、玻璃纤维、聚丙烯等作隔板制成的电池。铅酸电池 (含铅酸胶体电池) 成本便宜, 性能稳定, 目前市场上的中低端电动车均采用此种电池。

1.2 锂离子电池

锂离子电池 (常称之为锂电池) 成本昂贵, 性能不稳定, 容易出现爆炸, 安全系数低。目前正在研制使用的磷酸铁锂动力电池解决了安全的问题。

锂离子电池指能使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极, 锂的化合物作正极, 混合电解液作电解质液制成的电池。

1.3 锌锰电池

锌锰电池又称勒兰社电池, 是法国科学家勒兰社于1868年发明的由锌作负极, 二氧化锰为正极, 电解质溶液采用中性氯化铵、氧化锌的水溶液, 面淀粉或浆层纸作隔离层制成的电池。由于其电解质溶液通常制成凝胶状或被吸附在其它载体上而呈现不流动状态, 故又称为锌锰干电池。按使用隔离层区可分为糊式和板式电池2种, 板式又按电解质液不同分为铵型和锌型电池纸板电池2种。

1.4 碱性锌锰电池

碱性锌锰电池指20世纪中期在锌锰电池基础上发展起来的, 是锌锰电池的改进型。该电池使用氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液作电解液, 采用了与锌锰电池相反的负极结构, 负极在内为膏状胶体, 用铜钉作集流体, 正极在外, 活性物质和导电材料压成环状与电池外壳连接, 正、负极采用专用隔膜隔开制成的电池。

1.5 镉镍电池和金属氢化物电池

二者均采用氧化镍或氢氧化镍作正极, 以氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液作电解质溶液, 金属镉或金属氢化物作负极。金属氢化物电池为20世纪80年代末, 利用吸氢合金和释放氢反应的电化学可逆性发明制成, 是小型二次电池主导产品。

1.6 燃料电池

它是一种利用燃料 (如氢气或含氢燃料) 和氧化剂 (如纯氧或空气中的氧) 直接连接发电的装置。具有效率高、电化学反应转换效率可达40%以上, 且无污染气体排出的特点。

燃料电池虽然是理想的清洁能源, 但是目前它的性价比太低, 要达到可以进入市场的性价比, 可说是任重而道远, 必须从基础材料和基本理论上有重大突破, 才可能进入汽车市场。

1.7 绿色环保电池

近年来已投入使用和正在研制的一类高性能、无污染电池, 包括目前已投入使用的金属氢化物镍蓄电池、锂离子蓄电池, 正在推广使用的无汞碱性锌锰电池、燃料电池、太阳能电池 (光伏电池) 等。

2 电动汽车储能装置和电驱动的结构形式

2.1 储能装置的结构形式

采用不同类型的储能装置, 如不同的蓄电池、燃料电池、超大电容器和高速飞轮等, 构成不同的电动汽车结构。现在电动汽车所独有的以蓄电池作动力源的一种结构, 蓄电池可以布置在车的四周, 也可以集中布置在车的尾部或者布置在底盘下面。电动汽车所选用的蓄电池应该能提供足够高的比能量和比功率, 并且在车辆制动时能回收再生制动能量。同时具有高比能量和高比功率的蓄电池对电动汽车而言是最理想的动力能源, 比能量影响汽车的行驶里程, 而比功率影响汽车的加速性和爬坡能力。

为了解决一种蓄电池不能同时满足对比能量和比功率要求的问题, 可以在电动汽车上同时采用不同的蓄电池, 其中一种能提供高比能量, 另外一种提供高比功率。这种蓄电池作混合动力能源的基本结构, 不仅分离了对比能量和比功率的要求, 而且在汽车下坡或制动时可利用蓄电池回收能量。除了蓄电池以外, 还可以用燃料电池作储能装置。

燃料电池所需的氢气不仅可以作为压缩氢气、液态氢或金属氢化物的形式储存, 还可以由常温的液态燃料如甲醇或汽油随车产生。当用蓄电池与电容器作混合动力时, 所选的蓄电池必须能提供高比能量, 因为电容器本身比蓄电池具有更高的比功率和更高效回收制动能量的能力。

由于用在电动汽车上的电容器 (通常称为超大容量电容器) 相对而言电压较低, 所以需要在蓄电池和电容器之间加一个功率转换器。与超大容量电容器类似, 飞轮是另外一种新兴的具有高比功率和高效制动能量回收能力的储能器。用于电动汽车的飞轮与传统低速笨重的飞轮不同, 这种飞轮质量轻, 且在真空下高速运转, 超高速飞轮与具有一种工作模式 (电动机和发电机) 的电动机转子相结合, 能够将电能和机械能进行双向转换。这种飞轮和蓄电池作混合动力的结构, 所选用的蓄电池应能提供高比能量。飞轮最好与无刷交流电动机结合使用, 因为这种电动机的效率比直流电动机高, 因而应在蓄电池和飞轮之间加一个转换器。

2.2 电驱动的结构形式