电动汽车驱动控制策略研究综述

伍岳，仇磊

（重庆交通大学，重庆 400074）

行业研究

电动汽车驱动控制策略研究综述

伍岳，仇磊

（重庆交通大学，重庆 400074）

驱动系统是电动汽车研制的关键技术之一，它直接决定电动汽车的性能。矢量控制通过坐标变换将定子电流矢量分解为转子磁场定向的两个直流分量并分别加以控制，从而实现异步电动机磁通和转矩的解耦控制，达到直流电动机的控制效果。直接转矩控制，并不需要观测转子磁链，它基于定子磁场控制磁场定向以转距作为被控量，思路清晰，手段直接。本文根据电动机矢量控制及直接转矩控制理论，结合电动汽车的实际要求，对其的现状及优缺点进行了分析及说明，介绍了改进的控制措施及发展趋势。

电动汽车；矢量控制（DSC)；直接转矩控制(DTC)；PWM；模糊控制；零电压矢量控制

CLC NO.:U469.72Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)03-01-07

1、引言

随着环境问题，能源问题的凸显，以传统能源为燃料的汽车，无论在能源的消耗上，还是排放的指标上已经收到挑战。我国所面临的环境问题、能

源问题同样相当的严重。随着汽车保有量的提高，对石油的需求也逐步增加，导致我国的石油供应已供不应求。另一方面，汽车持有量的增长对环境造成了一定的破坏，汽车排放的尾气中含有大量氮氧化物，硫化物，二氧化碳，会导致酸雨，臭氧层破坏，并加重温室效应。与此同时，电动汽车及混合动力汽车的发展得到了强烈的关注，而电动汽车及混合动力汽车的组成包括：电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。这其中，驱动电机的控制算法研究又是驱动电机研究的重中之重。以此为背景，本文尝试对该领域内主要的观点及方法进行归纳，并梳理其理论逻辑。

2、研究进展

2.1 总体研究状况

电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。

早期的电动汽车上，直流电动机的调速采用串接电阻或改变电动机磁场线圈的匝数来实现。因其调速是有级的，且会产生附加的能量消耗或使用电动机的结构复杂，现在已很少采用。目前电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地改变电动机的端电压，控制电动机的电流，来实现电动机的无级调速。在电子电力技术的不断发展中，它也逐渐被其他电力晶体管（GTO、MOSFET、BTR及IGBT等）斩波调速装置所取代。从技术的发展来看，伴随着新型驱动电机的应用，电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用，将成为必然的趋势。

在驱动电动机的旋向变换控制中，当采用交流异步电动机驱动时，电动机转向的改变只需变换磁场三相电流的相序即可，可使控制电路简化。此外，采用交流电动机及其变频调速控制技术，使电动汽车的制动能量回收控制更加方便，控制电路更加简单。

电驱动子系统的软件设计主要是对交流异步电机的调速算法的实现。一个性能优良的驱动系统，必然要满足以下几个指标:首先就是快速性，即电机驱动算法要具有快速反映特性，使电机对任何一个参数的改变做出迅速的反映，这对行车安全是非常重要的；其次是平稳性，即电机驱动算法的转距脉动要比较小，尤其是在启动、制动或参数变化时。

矢量控制算法是模仿直流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现了对交流电动机的转速和磁链控制的完全解祸。这种算法的优点是，利用矢量变换，实现仿直流电动机的控制，从理论上使交流调速系统在静、动态性能上与直接传动相媲美。但是这种算法也存在着不可忽视的缺点，即矢量变换在运算上十分复杂，不易于实现；系统参数受电机参数影响较大。

直接转距控制算法，与矢量控制算法不同，它并不需要观测转子磁链，它基于定子磁场控制磁场定向，这样就大大减小了电机参数的影响；另外，直接转距算法直接以转距作为被控量，思路清晰，手段直接。

2.2 驱动控制算法的研究

2.2.1 矢量变换控制

交流感应电动机的矢量变换控制(通常简称矢量控制)是德国学者Blaschke等人于1971年首先提出的。矢量控制成功地解决了交流电动机电磁转矩的有效控制，得以像直流调速系统一样，实现了交流电动机的磁通和转矩的分别度量控制，从而使交流电动机变频调速系统具有直流调速系统的全部优点。

交流感应电动机的矢量变换控制是以产生同样的旋转磁场为准则，建立三相交流绕组电流、两相交流绕组电流和在旋转坐标上的正交绕组直流电流之间的等效关系，从而可以按直流电动机的控制规律来控制交流电动机。也就是说，矢量变换控制的基本想法是要把交流电动机模拟成直流电动机，能够像直流电动机一样来进行控制。

图2-1是应用矢量控制算法的电驱动系统的总体结构框图。该算法的基本思想是检测定子电压us和电流is，通过电机模型和矢量变换计算(定子两相坐标系和转子两相坐标系间的电角度)，励磁电流分量im，和转矩电流分量it，然后将后两者分别与励磁电流给定值img和转矩电流给定值itg进行比较。再将比较后的结果通过PI调节器转变成两相定子电压设定值umg和utg。将这两个值通过矢量变换变成定子电压值，再选择合适的电压开关状态，发出对应的PWM(Pulse Width Modulation脉宽调制，简称PWM)驱动信号，送往IGBT模块，驱动交流电机工作。

在分析交流异步电动机的数学模型时，往往引入三个异步电动机坐标系：定子坐标系(三相A-B-C和两相α-β坐标系)，转子坐标系(三相a-b-c和d-q两相坐标系)和同步旋转坐标系(M-T坐标系)。

在M-T坐标系中，M轴与转子磁链φr重合，M-T坐标轴系以同步角速度ωs旋转，θ为φr与静止α轴之间的角度，其表达式为：2/3变换得到三相电流控制量iA,iB,iC,记为,,用其来控制三相异步电动机的运行。这个

过程是开环控制，如果采用闭环控制，则测量三相交流电流iA,iB,iC，用作反馈控制量，和三相电流控制量，，构成闭环，控制电机运行。

三相定子电流iA，iB，iC经过两次坐标变换(第一次变换得到α-β坐标系下的iα和iβ)得到M-T坐标系下的isM和isT：

矢量控制的基本思想如图2-2所示。在异步电动机的外部，把励磁电流分量isM和转矩电流分量isT作为控制量，记为和，然后通过矢量变换得到两相交流控制量iα和iβ，记为和，再通过

矢量控制算法是模仿直流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现了对交流电动机的转速和磁链控制的完全解祸。这种算法的优点是，利用矢量变换，实现仿直流电动机的控制，从理论上使交流调速系统在静、动态性能上与直接传动相媲美。但是这种算法也存在着不可忽视的缺点，即矢量变换在运算上十分复杂，不易于实现；系统参数受电机参数影响较大。

2.2.2 直接转矩控制

直接转矩控制技术是继矢量控制之后又一高性能的交流变频调速技术，由德国Depenbrook教授和日本学者Takhaashi分别提出的关于这一控制技术的开创性方案，虽然在理论推导和实现方法上有所不同，但是基本思想是一致的，即放弃了矢量控制中电流解祸的控制思想，去掉了PWM脉宽调制器和电流反馈环节，通过检测母线电压和定于电流，直接计算出电机的磁链和转矩，并利用两个滞环比较器，直接实现对定于磁链和转矩的解耦控制。

根据研究直接转矩控制具有以下特点：

1.直接转矩控制是对转矩和磁链的闭环控制，不需要电流闭环；

2.直接转矩控制需要估算转矩和定子磁链，因此对电机转子参数不敏感；

3.本质上，直接转矩控制是一种无速度传感器的控制方法；

4.直接转矩控制结构简单，鲁棒性好，其控制

性能依靠对定子磁链和转矩的准确估算。

在大功率、低速的驱动系统中，直接转矩控制有其独特的优势，并且，在逆变器输出方波电压的弱磁区域中，直接转矩控制可以快速、有效地控制转矩，因而直接转矩控制适合控制车辆。

图2-3是应用直接转矩控制方法的电驱动系统的总体结构框图，如图所示，该方法需要检测定子电压us和电流is，然后计算出定子磁链Ψs和电磁转矩Te，通过与给定的定子磁链Ψsg和给定的转矩Teg进行比较，获得转矩和磁链的控制信号，再根据该信号查找对应的电压开关表，发出对应的PWM驱动信号，送往IGBT模块，驱动交流电机工作。

在静止的两相坐标系下(其直轴a轴在定子A相轴线上)异步电机定子磁链和电磁转矩的计算式为：

σ——漏感系数

ωr——电机转速

Ts——电机转子时间常数

usis—— 定子电压、定子电流

RsRr——定子、转子电阻

ΨsΨr——定子磁链和转子磁链

Ls，Lr，Lm——定子、转子自感和互感

由式(2-12)可见，定子磁链和转子磁链之间有一个惯性环节，这就使得定子磁链发生变化时转子磁链矢量基本上保持不变。因此，只要改变定子磁链矢量的空间位置就可以很容易地改变定、转于磁链之间的夹角。同样，根据式(2-14)可以看出，电机的电磁转矩也很容易被改变。由式(2-11)可以看出，若忽略定子电阻的压降则定子磁链是随着电压矢量的方向运动。

对比于矢量控制技术其特点及优势在于，通过合理地控制定子电压矢量不仅可以控制定子磁链幅值的大小，而且可以控制定子、转子磁链的夹角，进而直接对转矩进行控制而不需要像在矢量控制中那样通过控制定子电流来对转矩进行间接控制。

2.2.3 存在的问题

综合两类算法的实现来看，两种驱动系统都需要供电电路(即主电路)、算法计算部分、PWM发生器和电机运行状态信号量采集模块(采集定子电压和电流)。 如今的主流控制策略为：在以上分析控制器性能指标及其功能要求的基础上，以设计矢量控制算法和直接转矩算法的控制器为目标，并在控制参数的处理上采用传统PID控制策略，如上所述，组成矢量控制PID算法或直接转矩法。

但车辆在行驶的过程中，环境阻力的变化具有不可预知性和巨大的非线性变化等特点，且传统控制策略，在复杂条件下的控制中具有一定的滞后性，对驱动系统的相应速度产生影响，如直接转矩算法中更是具有大惯性环节，虽有较好的鲁棒性，但在复杂的变化输入中，调节起来非常不灵活。而且，在实际的过程中，根据不同的路况，车辆要频繁的改变速度，对调速的精确性及快速性提出了更高的要求。再有，基于传统的PID控制的矢量或直接转矩控制，在控制信号的输出上不具有连续性及预测性，会对汽车行驶中的舒适性带来影响。同时，直接PID控制还对电机在运行过程中的节能不利。

由此可见，常规的直接基于PID的矢量控制或直接转矩控制的驱动控制策略，在实际中难以得到

满意的控制效果。因此，针对这种情况，出现了将其他方法引入到电机驱动控制之中，并与之结合成新的控制策略，完善电机驱动控制算法。

2.2.4 解决方案

2.2.4.1 基于DSC的模糊化矢量控制

冉振亚[21]，提出了基于直接速度控制(DSC),采用矢量控制技术结合模糊PID控制策略对交流感应电机驱动系统进行控制。希望能够调整电机磁通来保证电机完成特定的运行, 又要注意电机的工作效率，获得快速动态响应和精确的控制。

矢量控制中，采用DSC 进行处理，它只用到感应电机定子的电阻，从而使得控制器对系统参数变化不十分敏感，保证系统高的鲁棒性。在定子直接自动控制中，最终是以力矩偏差、磁通偏差和磁通角来确定逆变器的开关状态。无论是力矩偏差还是磁通偏差，都用一定范围的值来衡量，并称为/ 太大0、/ 太小0等。/ 太大0、/ 太小0等都是语言变量值。因此，在直接速度控制中，把力矩偏差、磁通偏差和磁通角用模糊量来表示，而采用模糊控制的方法去求取开关状态，这比采用传统的数字PID控制方法更适合于实际情况。

模糊控制的基础是模糊控制规则集，模糊控制规则是实践经验的总结, 它由若干模糊条件语句组成，如P=ZL, 则不论B为何值，都应使偏差迅速降低，故C=ZL( IF B and P, then C) 。分析总结得出的模糊控制集如图2-4所示。

(X 表示不可能出现的情况，P 偏差的模糊量，B 偏差变化率的模糊量及C控制量的模糊量，ZL正大，ZM 正中，ZS 正小，ZO 正零，FL 负大，FM 负中，FS 负小，FO 负零)电动车是多变量输入，且难以用一个准确的数字模型来描述，如脚踏加速板给出的信号与车速的关系, 它不仅与路况有关,还与环境有关, 同时与蓄电池当前储能状况有关,这些难于用数字模型表示的系统, 用模糊逻辑控制很容易解决。采用模糊控制器对感应电机进行矢量控制就形成了交流感应电机模糊矢量控制系统。在对信号进行模糊推理，即在模糊数据库中完成规则推理后，在反模糊化输出矢量控制参数。当具有某一变量及其微分参数时，模糊控制可具有一定的预测控制能力，有效解决了电机调速的连续性问题。且对于其他变量的综合分析及判断，进一步完善调速性能提供了可能。

2.2.4.2 基于DTC的零电压矢量控制

林成武[13]，研究了电动汽车用永磁同步电机(PMSM)直接转矩控制（DTC）系统中电压空间矢量选择原则，提出控制系统中引入零电压矢量的方法。并进行了低速下的实验研究，取得了较好的控制效果。考虑到零电压矢量在一个控制周期内具有使电磁转矩轻微下降的作用，如果几个控制周期内连续应用零电压矢量,则同样会达到同非零电压矢量在一个控制周期内同样效果的电磁转矩降落。基于上述分析，他提出如下适合于电动汽车用PMSM DTC的电压空间矢量选择策略。当PMSM DTC系统处于动态情况时，仅用6个非零电压空间矢量参与调制，而对于稳态下的DTC系统，应用零电压矢量参与调制。这样能够在保证DTC系统良好动态性能的同时，有效降低系统稳态时的损耗。电动汽车驱动系统的一个重要要求就是满足电动汽车频繁启动的特性,而在实际数字控制系统中，磁链会经常处于分区边界处的一个小扇区内，造成电压矢量选择的不确定性，利用零电压矢量控制可一定程度上的减少这种情况。

2.2.4.3 基于DTC的SVPWM控制

冯晓云[31]，分析了传统直接转矩控制系统的模型实现，并认识到系统存在一定的缺憾，即开关频率的不可控性。这样，由于开关频率的不可控造成的开关损耗，产生了不必要的浪费。另外，由于滞环控制的存在，传统开关表的电磁转矩和定子磁链控制，是限定在一定范围内的，即使滞环上下限很小，但仍然存在误差。因此，在传统直接转矩控制的基础上，采用空间矢量脉宽调制 (SVPWM)算法替代了开关表控制，实现了开关频率的可控性。该系统中，定子磁链与转矩的估算方法与传统开关是一样的,将给定转速与反馈转速的差值送入速度PI调节器得到给定转矩，将给定转矩与估算得到的反馈转矩一起送入转矩PI调节器得到预期的定子磁链与反馈定子磁链之间的角度差值。这样，与反馈的定子磁链夹角相加得到预期定子磁链夹角。将定子电压预测模块所需要的各变量送入模块，通过计算得到两相静止坐标系下预期电压矢量的αβ轴各分量和，送入SVPWM控制模块得到一系列的脉冲来控制逆变器开关，进而得到电机所需的电压值，从而控制电机输出转矩与转速。该算法能使电动汽车驱动电动机从恒转矩区平滑过渡到恒功率区运行，充分发挥电动机的弱磁扩速性能，以及具有起动转矩大等优点。同时，可以提高电磁转矩与磁链控制的精确性，提高了控制系统的稳定性和精确性，有效的改善了控制效果。

加入SVPWM控制的直接转矩控制系统框图如下：

3、结论及展望

电动汽车作为机械、电子、能源、计算机、汽车、信息技术等多种高新技术的集成，是典型的高新技术产品，其最终目标是实现智能化、数字化和轻量化。随着更为先进的控制策略的产生及应用，控制系统趋于智能化和数字化。就电机驱动控制领域而言，控制策略的智能化及复杂化必然会成为未来的发展趋势。本文仅对模糊化PID控制策略,零电压矢量控制策略，SVPWM控制策略在电机驱动领域的创新应用进行了介绍。但这些并不能完全代表在电动车电机驱动领域的所有发展状况。相信在不久的将来，我们可以看到更多更先进的控制理念及方法，如变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家系统、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或结合应用于电动汽车的电机控制系统。它们的应用将使系统结构简单，响应迅速，抗干扰能力强，参数变化具有鲁棒性，可大大提高整个系统的综合性能。

[1] 连馄.刘艳萍，高美卿. 永磁同步电动机矢量控制[J]. 电机与控制应用. 2010.12.

[2] 冉振亚, 周智庆, 李 越, 李 鑫, 陈方辉, 吴福堂. 电动汽车CAN 总线驱动控制系统设计[J].重庆大学学报.2008 .6.

[3] 刘川. 电动汽车四轮独立驱动控制系统的研究[D]. 武汉理工大学. 2009.

[4] 邹积勇. 电动汽车控制策略研究[D]. 天津大学. 2007.

[5] 张钦爽,丁惜瀛,苑克臣. 电动汽车姿态参数的解耦控制[A].第十三届中国科协年会第10分会场-节能减排战略与测控技术发展学术研讨会论文集[C]. 2011.

[6] 松泽成文. 普及电动汽车需解决四项关键课题[N]. 中国电子报. 2009.

[7] 张翔. 电动汽车建模与仿真的研究[D]. 合肥工业大学. 2004.

[8] 李珂. 电动汽车高效快响应电驱动系统控制策略研究[D]. 山东大学. 2007.

[9] 张新磊. 电动汽车总体设计及性能仿真优化[D]. 哈尔滨工业大学. 2010.

[10] 张春燕，马其华，陈安红.电动汽车电机驱动控制系统

设计研究[J].机械设计与制造. 2012.2.

[11] 刘伟，程广伟，邓楚南. 电动汽车驱动电机浅析[J].现代驱动与控制.2006.1.

[12] 车长金，曲永印，刘德君，崔洋，白娟. 基于PMSM-DTC的电动汽车驱动控制[J]. 北华大学学报. 2011.12.

[13] 林成武,姚 鹏,朱建光. 电动汽车驱动控制系统研究[J].沈阳工业大学学报.2010.10.

[14] 林程， 孟祥， 曹万科， 周逢军. 电动汽车双电机独立驱动系统的CAN 控制研究[J]. 电力电子技术.2011.12.

[15] 杜常清. 车用并联混合动力系统瞬态过程控制技术研究[D]. 武汉理工大学. 2009.

[16] 张希明. 纯电动汽车控制系统[D]. 浙江大学. 2008.

[17] 李乐. 四轮独立驱动电动车控制系统的设计[D]. 武汉理工大学. 2010.

[18] 曹秉刚，张传伟，白志峰等. 电动汽车技术进展和发展趋势[J] 西安交通大学学报. 2004.

[19] 任重,王志强. 基于DSP控制的无刷直流电机调速系统的设计[J]. 电力电子. 2008.

[20] 于澄. 电动汽车电机控制器研究[D]. 吉林大学. 2011.

[21] 冉振亚, 韩兆运. 基于CAN 总线的电动车控制系统设计[J].汽车工程. 2006. 28.

[22] 秦岭. 基于无刷直流电机的电动汽车驱动控制器的研制[D]. 合肥工业大学. 2007.

[23] 姚震. 基于DSP的电动汽车电机控制器的应用研究[D].广东工业大学. 2007.

[24] 张沛. 基于SVPWM的功率系统控制方式的研究[D].华中科技大学. 2007.

[25] 张少华. 永磁同步电机矢量控制策略研究与控制器实现[D]. 中南大学. 2008.

[26] 李学君. 基于FPGA的四驱电动车电机驱动控制系统设计[D]. 武汉理工大学. 2010.

[27] 王书贤. 电动汽车的现状及发展趋势[J]. 中国汽车制造. 2006.

[28] 辛克伟，周宗祥，卢国良. 国内外电动汽车发展及前景预测[J]. 电力需求侧管. 2008.

[29] 张荣贵. 我国电动汽车发展前景[J]. 机电技术. 2008.

[30] 王康. 电动汽车电动轮驱动系统控制技术的研究[D].武汉理工大学. 2007.

[31] 王春柳,冯晓云. 电动汽车永磁同步电机直接转矩控制算法研究与实现[D]. 西南交通大学. 2011.

[32] 石勇，徐华中. 电动汽车用永磁同步电机直接转矩控制系统设计[J]. 自动化技术与应用. 2007.

[33] 高艳平. 基于电压空间矢量脉宽调制永磁同步电机直接转矩控制[D]. 沈阳工业大学.2007.

[34] 周扬忠，胡育文. 交流电动机直接转矩控制[M]. 机械工业出版社.2010.

[35] 李潇. 永磁同步电机直接转矩控制的理论研究[D].贵州大学. 2007

[36] 许峻峰，张朝阳. 电动公交车用永磁同步电机实验研究[J]. 大功率变流技术. 2008.

[37] 杨光，张家栋. 电动汽车电机控制器控制系统一体化设计[J]. 变流技术与电力牵引.2007.

[38] 高艳平. 基于电压空间矢量脉宽调制永磁同步电机直接转矩控制[D]. 沈阳工业大学.2007.

[39] 赵小皓. 直接驱动永磁同步电机控制策略仿真研究与实现[D]. 西南交通大学. 2009.

[40] 马欣. 永磁同步电动机直接转矩控制技术研究[D]. 西北工业大学. 2008.

[41] 王春柳，冯晓云，龙胜，李云峰. 电梯用永磁同步电机直接转矩控制的仿真实现[A].第三届中国高校电力电子与电力传动学术年会，2009.

[42] 胡海林. 纯电动汽车用交流异步电动机控制器的研究[D]. 南昌大学. 2009.

[43] 张一兵，任宝华． 异步电动机矢量控制系统中转子磁链位子的计算[J]. 机电产品开发与创新. 2007.

Summary of electric vehicle drive control strategy

Wu Yue, Qiu Lei
(Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074)

Drive system is one of the key technologies for electric vehicles developed, which directly determines the performance of electric vehicles. Vector control through the stator current vector into the rotor field oriented coordinate transformation both DC and controlled separately, in order to achieve decoupling control asynchronous motor flux and torque, to control the effect of DC motor. Direct Torque Control, does not require the rotor flux observation, which is based on the stator magnetic field oriented control to turn away as the amount charged, clear thinking, means straightforward. According to motor vector control and direct torque control theory, combined with the actual requirements of electric vehicles, their current situation and explain the advantages and disadvantages are analyzed and introduced improved control measures and trends.

Electric cars；Vector Control (DSC)；Direct Torque Control (DTC); PWM；Fuzzy Control；Zero voltage vector control

U469.72

A

1671-7988(2014)03-01-07

伍岳，就读于重庆交通大学。