摘 要

当今汽车工业发展中，发展电动汽车逐渐变为汽车行业重点研究扶持的主题项目之一。而无论是何种新能源汽车，驱动电机系统既是关键技术又是共性技术，因此，对车用电机及其控制系统的研究具有理论指导意义和实际应用价值。

直流无刷电机（BLDCM）因为依旧保持着传统直流电机优良机械特性，故在电动汽车领域内被广泛应用。本文首先综述了车用电机及其控制系统的发展现状，在比较了几种常用的车用驱动电机之后，重点分析了永磁无刷电机的结构和工作原理，然后设计了无刷直流电机的控制系统。

最后利用MATLAB/Simulink建立永磁无刷直流电机基于直接转矩控制模型及基于无位置传感器控制模型，在给定转矩、给定转速下得到仿真结果，验证控制策略的正确性。

关键词：车用电机；无刷直流电机；直接转矩控制；无位置传感器；

Abstract

Today in the development of the automobile industry, the development of electric vehicles has gradually become one of the key research and support topics of the automotive industry. No matter what kind of new energy vehicles, the drive motor system is both a key technology and a common technology. Therefore, the research on the motor and its control system for vehicles has theoretical significance and practical application value.

Brushless DC motors (BLDCMs) are widely used in the field of electric vehicles because of retaining the excellent mechanical properties of the drum DC motors. This paper first summarizes the development status of automotive motors and their control system, then compares several commonly used automotive drive motors and focuses on the structure and working principle of permanent magnet brushless motors, then design a control system for brushless DC motors.

At last, Permanent Magnet Brushless DC Motor Direct Torque Control Model and Brushless DC motor position sensorless control model based on Matlab/Simulink are established. The simulation results are obtained under a given torque and given rotation speed, and the correctness of the control strategy is verified.

Key Words: Vehicle Motor; Brushless DC Motor; Direct Torque Control; No Position Sensor

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 国内外新能源汽车发展 2

1.2.1 国外新能源汽车发展 2

1.2.2 我国新能源汽车的发展 3

1.3 车用电机及其控制系统的要求和发展现状 3

1.3.1 典型车用电机及其控制系统性能比较 3

1.3.2 国内外车用电机及其控制系统的发展现状及趋势 4

1.4 本文研究内容和结构安排 5

第2章 无刷直流电机的工作原理及数学模型 6

2.1 无刷直流电机基本组成 6

2.2 无刷直流电动机运行原理 8

2.3 无刷直流电动机的数学模型 10

2.3.1 电压平衡方程和等效电路图 10

2.3.2转矩和运动方程 11

第3章 无刷直流电机的发展及控制策略 13

3.1 电动车用无刷直流电机的发展历程 13

3.2 电动车用无刷直流电机研究现状 13

3.3.常用无刷直流电机调速系统 14

3.3.1 开环调速系统控制 14

3.3.2双闭环调速系统控制 15

3.4 无刷直流电机控制策略概述 15

第4章 无刷直流电机直接转矩控制系统设计 17

4.1 电机转矩控制策略的发展 17

4.2 直接转矩控制基本概念 17

4.3 无刷直流电动机直接转矩控制总体方案设计 18

4.3.1 定子磁链及转矩观测方案实现及设计 18

4.3.2 定子磁链和转矩滞环调节方案实现及设计 20

4.3.3 定子电压空间矢量及逆变器工作原理及设计 21

第5章 无刷直流电机无位置传感器控制系统设计 23

5.1 无位置传感器控制技术的研究意义 23

5.2 反电动势过零点检测法 23

5.2.1 基于端电压反电动势过零检测法 26

5.2.2 基于相电压反电动势过零检测法 27

5.3 反电动势三次谐波积分检测法 28

5.4 常用无刷直流电动机无传感器控制芯片 28

第6章 基于MATLAB的BLDC系统模型的建立 29

6.1 常用车用电机系统仿真软件简介 29

6.2 基于直接转矩控制的无刷直流电动机仿真 29

6.2.1 无刷直流电机本体的建模仿真 30

6.2.2 无刷直流电机直接转矩控制系统的仿真 32

6.3 基于无位置传感器控制的无刷直流电动机仿真 34

6.3.1 反电动势检测模块 34

6.3.2 逻辑换相模块 35

第7章 基于MATLAB的BLDCM的仿真结果 36

7.1 无刷直流电机直接转矩控制的仿真结果 36

7.2 无刷直流电机无位置传感器控制的仿真结果 40

第8章 结论 41

参考文献 42

致 谢 43

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

汽车已有100多年的发展历史，随着时代和社会工业的进步，人们生活水平有了大幅度的提高，汽车作为交通工具中最重要的一员，已经成为了社会生活中不可缺少的部分，不知不觉中已经从人们眼中曾经的新生事物，成功地在交通运输工具、高科技产品和社会生活等方面占据了十分重要的位置。但是随之而来的污染问题日益严重，非可再生能源机动车在城市中排放出来的有害气体急剧增多，在污染自然环境的同时也会危害人体健康。为此人们对于可再生能源在汽车中的应用也有了进一步的研究，新能源交通工具作为一项可以减少污染甚至做到无污染的项目，成为许多国家与科研人员积极研究的课题之一。

完全或主要使用新型能源驱动且采用新型电动系统的汽车被称为新能源汽车，插电式混合动力汽车、燃料电池汽车以及纯电动汽车是其中期待值较高的研究对象。高效率动力电池或燃料电池作为动力源，全部或部分由电机驱动的新能源汽车，又被称为电动汽车。

电动汽车具备以下优点：

电能是二次能源，是清洁能源的一种；相对于传统燃油汽车，电动汽车的排放大大降低，其中纯电动汽车和燃料电池汽车更是零排放汽车，这能保证电动汽车可以做到真正的环境友好型；

电动汽车转矩响应速度高于传统型汽车，并且其电机可以独立配置安装，故电动汽车行驶过程中可以直接控制车轮转速，实现驱动独立；

电动汽车结构相对简单，这就代表了其在维修简便的同时还减少了成本。

如今市场上，人们对于电动汽车的需求日益增长，再加以国家的扶持，为此我们可以大胆地预测将来电动车行业的发展势必蒸蒸日上，市场对电动汽车性能上的要求也会越来越严格。但是，现在市场上现有的电动车性能还有待提高，存在的缺点不外乎较长的充电时间、不大的蓄电池容量、较短的行驶里程，还有频繁更换配件从而增加成本费用，电机控制器及其性能不尽人意等；另外在电动汽车行业还存在实体充电桩的投入与汽车实物投放不成对应比例等一系列的发展阻碍。面对这些性能难题，开发出一套节能环保性能优良的电机控制系统，会在保障消费者权益的同时，为企业带来声誉和利润，推动整个电动汽车行业的向前发展，因此本课题的研究具有很高的社会应用价值和很深刻的研究意义。

一般的电动汽车主要由车身本体、蓄电池管理系统、驱动电机及其控制装置构成。其中，整个电动车的核心是电机及其控制装置，它们决定了电动汽车的性能，这也是电动汽车与传统燃油机动车辆最大的不同。电动汽车的控制系统必须更加安全可靠，性能必须更加稳定，其驱动电机要求必须具有较宽的调速范围、良好的过载能力、即使处于低速也要保证大转矩、功率密度大等特点。从电机结构方面来看，直流电机有有刷和无刷两种类型。从前有很长一段时期，人们普遍在开发电机伺服系统的时候选择传统有刷直流电机，但由于有刷直流电机中存在实体电刷和换向器，二者需要定期清理和更换的同时还会降低电机运行可靠性，减少电机寿命。而无刷直流电机不仅继承了调速范围广、机械性能好等直流电机的优点，还更新改正了直流电机中的结构缺陷，直接舍去了电刷和换向器，简化了电机结构，使其性能更加优良，运行时更加安稳牢固，故无刷电机在电动汽车行业得到了广泛地应用。

1.2 国内外新能源汽车发展

1.2.1 国外新能源汽车发展

随着世界石油资源的开发、广泛使用和过度消费，国外新能源汽车的发展按时间推移可分为三个不同时期：

①、20世纪30年代以前的繁荣期

1881年，法国推出了第一台电动汽车，其动力为可充电电池，自此打开了世界范围内电动汽车开发与生产的序幕，这在当时的车辆运输中起到了重要作用。但由于燃油发动机的发明及其在汽车中的应用，剧烈地改变了当时电动汽车在市场上无出其右的状况，1930年以后，电动汽车行业进入了冰封期。

②、20世纪60年代以后的苏醒期

由于因能源危机而爆发的中东战争、温室效应、城市光化学烟雾危害等事件的冲击，许多国家开始重新审视电动汽车。例如美国国会以制定相关法律、政府资助和补贴的形式鼓励发展电动汽车。美国通用汽车公司、福特公司、日产汽车公司与日本丰田汽车公司等开始研制并推出一系列现代电动汽车产品。但由于70年代末期，大量勘探石油使得燃油汽车价格不断下降，电动汽车商品化的进展面临了又一次减速甚至原地踏步的局面。

③、20世纪90年代以后的全面发展期

1990年美国颁发了本国汽车排放标准，其余一些国家和地区也开始实行严格的排放法规，当时唯一被认可符合零排放标准的可用技术正是电动汽车，这使得电动汽车终于在世界范围内都得到了全面发展。纯电动汽车领域内，推广应用纯电动汽车小有成效的国家之一有法国，法国的推广措施除了成立相应推广协调委员会，还有在主要城市竣工了较为完备的纯电动汽车充电站网基础设施，这些举措越来越详细地勾勒出了纯电动汽车运行体系的雏形；混合动力汽车领域内，日本丰田、本田公司已经开始将自主研发产品小批量投放至市场，与此同时在美国、部分欧洲国家和日本，人们相继开展了混合动力公共汽车的研究，这是混合动力汽车走向产业化的一个重要研究方向；燃料电池汽车方面，国外企业不谋而合，均选择了合作参与研究此课题，但由于燃料电池的成本和寿命问题，目前该项目仍面临挑战，世界各国的注意力则基本集中于大客车上。

1.2.2 我国新能源汽车的发展

与国外相比，我国电动汽车行业发展起步较晚但起点高。20世纪最后十年，随着国家对电动汽车产业的鼎力支持，我国电动汽车也取得了令人满意的发展和进步，主要经历了以下两个时期：

①、20世纪末期前后的起步和发展期

1987年，中国电工技术学会设立了电动车辆专业委员会，我国第一批电动车辆随即面世并投入试验阶段；“十五”期间，在国家科技部863电动汽车重大项目大力支持下，我国汽车生产企业相继研究开发了各种电动汽车样车。其中代表性的企业有奇瑞汽车有限公司、天津一汽集团公司、东风汽车股份有限公司和上海燃料电池汽车动力系统有限公司等。

②、21世纪的全面发展期

本阶段主要汽车企业代表有东风汽车集团、一汽集团、上汽集团、奇瑞汽车、长安汽车和比亚迪汽车等。

我们不难看出，当今时代国际汽车产业的发展必定会朝着节能与新能源汽车方向前进，未来的十年里，全球汽车产业将面临变革升级的重要战略机遇期。虽然我国目前无刷直流电机等综合技术水平还达不到国际水平，但是前景还是十分乐观的。

1.3 车用电机及其控制系统的要求和发展现状

1.3.1 典型车用电机及其控制系统性能比较

直流驱动电机具有如启动速度快、恒功率调速范围宽、控制系统较简单等优点，十分适合应用于汽车运输等对动力源要求严格的领域。但是由于机械换向器的存在，电机运行时换向器表面会因摩擦而起火花，这不仅会很轻易使换向器损坏，还会产生不小的电磁干扰，这会对电子化的新能源汽车带来巨大的风险。因此，现代新能源汽车电动驱动系统已很少使用直流驱动电机。

而与直流电机相比，交流驱动电机具有以下突出的优势：高效、恒功率调速范围宽、体积相对小并且重量轻、基本不需要过多维护。交流驱动电机的现状及发展趋势如下：

①、异步驱动电机

异步驱动电机虽然结构简单但坚固可靠且使用周期长，成本相对不高，可以满足低转矩脉动，在保持低噪声这一优点的同时，还能达到高极限转速。对于这种电机的使用，已拥有比较完善的矢量控制技术，其恒功率调速范围可以达到4：1，是早期电动汽车电驱动的主流产品。然而，相对于永磁同步驱动电机而言，异步驱动电动机的缺点也是显而易见的，除了效率偏低、发热量和重量大、质量功率密度偏低以外，还有偏大容量的驱动装置，这些都提升了驱动控制系统成本，故逐渐被永磁同步驱动电机所取代。

②、无刷永磁驱动电机

无刷永磁驱动电机又被分为永磁同步驱动电机和无刷直流永磁驱动电机，其中永磁同步驱动电机已在应用于国内外多种新能源汽车。

无刷直流永磁驱动电机拥有交、直流电机两种电机的优点，它与交流电机一样简化了结构还保证运行可靠程度，与此同时它还具有直流电机高效、优良调速性能和无励磁损耗等优势。

③、开关磁阻驱动电机

电机结构紧凑牢固是开关磁阻驱动电机的主要特点，适合运行在高速，其驱动电路简单、成本低但性能可靠，即使在较广的调速范围内都能达到比较高的效率，能够很容易地实现四象限控制。但由于开关磁阻电机的转子组转矩是恒定的，很容易出现谐波分量，这就会导致转矩脉动与噪声大，相对于永磁同步驱动电机而言，其功率密度和效率偏低。

1.3.2 国内外车用电机及其控制系统的发展现状及趋势

由于电动汽车市场的限制以及电动汽车用电驱动系统的成熟度不够，国际市场上专门的电动汽车电驱动系统供应商屈指可数，基本上由传统电机企业、汽车电子企业或电池企业扩展的供应商提供。目前国外开发电动汽车驱动系统的主要企业有美国Enova公司、加拿大Ballard公司、日本东京电机公司属下的日本富士电子研究所、德国磁电公司等^[1]。总体而言欧美各国开发的电动客车多采用交流异步电机，其恒功率范围较宽，最高转速可达基速的2-2.5倍，为了降低车重，电机壳体大多采用铸铝材料^[1]。日本近年来问世的电动汽车大多采用永磁同步电机，产品功率等级覆盖3-123kw，电机恒功率范围很宽，最高转速可达基速的3倍，在功率密度、产品集成度方面具有较大的优势^[1]。

而我国在经过近十几年国家对电动汽车用电机系统的集中研发和应用，已自主开发了满足各类电动汽车需求的驱动电机系统产品，获得了一大批电机系统的相关知识产权，形成了具有核心竞争能力的车用驱动电机系统批量生产能力[1]。我国以高密度永磁电机为代表的各类车用电机取得了明显的进步，无刷直流电机驱动系统通过国内企业合理设计及改进控制技术，有效提高了无刷直流电机产品性能；永磁同步电机驱动系统已形成了一定的研发和生产能力，产品部分技术指标接近国际先进水平，但总体水平与国外仍有一定差距；多数公司仍处于小规模试制生产，少数公司已投资建立车用驱动电机系统专用生产线^[1]。

大致概括当前我国电动汽车驱动电机及其控制技术发展的现状：已基本掌握了车用电机及其控制系统的核心技术，但仍处于中小批量生产阶段^[1]。全世界真正做到大批量生产的只有丰田、福特等少数几家大型汽车企业及其供应商。

比较国内外发展现状，目前车用电驱系统的发展趋势主要有永磁化、数字化和集成化，其具体的发展趋势主要表现在：电机功率密度不断提高，工作转速不断提高，回馈制动的高效区不断拓宽；电驱动系统的集成化和一体化趋势更加明显，因而永磁电机应用范围不断扩大；同时车用电驱动控制系统的集成化和数字化程度不断加大，其产业集群发展趋势不断显现^[1]。

1.4 本文研究内容和结构安排

本文主要研究的对象是车用无刷永磁无刷直流电动机本体及其驱动控制系统，在分析无刷直流电动机工作原理的基础上，分别讨论直接转矩控制技术以及无位置传感器控制技术对无刷直流电机控制的应用，提出了各种方法检测中可能会出现的问题并进行了分析，然后利用MATLAB仿真工具对所研究的问题进行仿真和分析，通过所得结果表明论证了所研究技术的可行性。具体内容如下：

①、简单介绍新能源汽车与无刷直流电动机发展历史，对车用电机控制系统研究及发展现状进行调研，详细介绍无刷直流电动机控制技术的发展。

②、介绍无刷直流电动机的基本结构、其工作原理及数学模型，分析常用的无刷直流电动机控制系统，并设计出相应的实现电路，同时对有可能出现的检测方法的误差进行分析。

③、基于前文分析利用MATLAB/Simulink软件对电动机本体及控制系统建立整体仿真模型，对直接转矩控制法和反电动势过零检测法进行仿真研究，得到仿真结果，验证两种方法的有效性。

第2章 无刷直流电机的工作原理及数学模型

2.1 无刷直流电机基本组成

永磁无刷直流电机是一种自控变频的永磁同步电动机，主要由永磁电机本体、转子位置检测器和功率电子开关（逆变器）三部分组成^[2]。其结构框图如图2.1所示。

图 2.1 无刷直流电机的组成

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