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纯电动汽车电机控制系统建模与性能分析
靠性高。但是无位置传感器控制的无刷直流电机的主要弱点是启动转矩比较低，一般只适于在空载或轻载条件下启动。而对于电动汽车来说，起动性能是电动汽车的一个性能指标之一，因而在现阶段电动汽车用永磁无刷直流电机还不能采用无位置传感器技术。
霍尔元件位置传感器结构简单、体积小、价格低、可靠，但是对工作温度有一定要求。电动汽车要求工作时间长，且工作负载相对较大，电机内部温度高，因而在长时间工作条件下，霍尔元件有可能损坏。另一方面，霍尔元件应靠近传感器的永磁体，否则输出信号的电平太低，不能正常工作。实践表明，工作温度和安装要求的限制，使得霍尔元件式位置传感器也不合适在电动汽车上使用。
电磁式位置传感器由于过于笨重复杂，也不是优先考虑的方案。
光电式位置传感器由固定在定子端部的光电耦合开关盒固定在转子上的遮光板组成。这种传感器轻便可靠，安装精度高，抗干扰能力强，调整方便等优点，适合于电动汽车上使用。
5永磁无刷电机的控制系统建模与分析
5.1 无刷直流电机控制系统建模
如图3.1无刷直流电动机控制系统若只通过PWM(或SPWM)改变驱动电路的控制电压来达到调节电动机转速的目的，则称该系统为开环调速系统，即控制是单方向进行的，输出转速并不影响控制电压，控制电压直接由给定电压产生。在实际中许多需要无级调速的生产机械常常对电动机转速的稳定提出较严格的要求。当电动机的调速性能要求较高时，必须采用闭调速系统。
虽然单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数之间相互影响，难以进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。在采用电流截止负反馈和转速负反馈的单闭环调速系统中，一个调节器需完成两种调节任务：正常负载时实现速度调节，过载时进行电流调节。一般而言，在这种情况下，调节器的动态参数无法保证两种调节过程同时具有良好的动态品质。但由于条件有限，故本系统采用单闭环—速度环控制。
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结合以上两个公式可见，反电势与电机的转速成正比。显然，转矩的大小Te 与 电机中的相电流I成正比，改变相电流I ，相应的也就改变了转矩Te 的大小，也就改变转子的转速，达到调速的目的。因此，如何改变无刷直流电动机相电流了成了调速的关键一环。具体实现是通过调节电动机的电流占空比(PWM)的方法来达到改变相电流I 的目的，相应地改变了转矩的大小。由以上分析，可以确定控制方案。
在转速单闭环调速系统中，既要控制转速，实现转速无静差调节，使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳的过渡过程，其关键是处理好转速控制与电流控制之间的关系，即以转速调节器 ASR 的输出电压作为逆变电路的换相控制电压。
由图5.1可知，外环即速度控制环，将给定的速度信号与经过转子位置检测器后计算的速度信号之差作为速度环的输入，其作用是增加系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动，并具有良好的动、静态特性。另外，系统还有一个环路就是位置检测环，获得转子的位置信号，确保电机能正确进行换相。当定子绕组的某一相导通的时候，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用产生转矩，驱动转子旋转，再由位置检测器将转子位置转换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的
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图 5.1无刷直流电动机控制系统框图
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次序换相。由于电子开关线路的导通次序 是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的作用。
5.2 数字PID控制器算法及控制原理
PID（比例-积分-微分）控制器：作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。
PID 控制器最先出现在模拟控制系统中，传统的模拟 PID 控制器是通过硬件（电子元件、气动和液压元件）来实现它的功能。随着计算机的出现，把它移植到微机控制系统中来，将原来的硬件实现的功能用软件来代替，因此称作数字 PID 控制器，所形成的一整套算法则称为数字 PID 控制算法。数字 PID 控制器与模拟 PID 控制器相比，具有非常强的灵活性，可以根据试验和经验在线调整参数，因此可以得到更好的控制性能。因此，数字 PID控制算法是电机微机控制中常用的一种基本控制算法。
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t）与输出u (t）的关系为
u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt]
式中积分的上下限分别是0和t
因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI*s)+TD*s] 其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数。 模拟PID控制原理图5.2所示
图5.2 模拟PID控制原理图
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PID 控制器最先出现在模拟控制系统中，传统的模拟 PID 控制器是通过硬件（电子元件、气动和液压元件）来实现它的功能。随着计算机的出现，把它移植到微机控制系统中来，将原来的硬件实现的功能用软件来代替，因此称作数字 PID 控制器，所形成的一整套算法则称为数字 PID 控制算法。数字 PID 控制器与模拟 PID 控制器相比，具有非常强的灵活性，可以根据试验和经验在线调整参数，因此可以得到更好的控制性能。因此，数字 PID控制算法是电机微机控制中常用的一种基本控制算法。
在模拟PID控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间做出快速反应。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数Kp ，Kp越大，控制越强；但过大的Kp会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。积分环节的作用是把偏差的积累作为输出。在控制过程中，只要有偏差存在，积分环节的输出就会不断扩大，直到偏差 e（t）=0，输出的 u(t) 才可能维持在某一个常量，使系统在给定值 r（t）不变的条件下趋于稳态。积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的相应速度，增加系统的超调量。增大积分参数IT会减慢静态误差的消除过程，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。所以，必须根据实际控制的具体要求来确定IT。微分环节的作用是阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势进行控制，偏差变化越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对高阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。 计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，而不能像模拟控制那样连续输出控制量，进行连续控制。因此式(3.17)中的积分项和微分项在微机中不能准确的计算，只能用数值计算的方法逼近。如果T 为采样周期， 则离散采样时间Tk对应着连续时间t ，用求和的形式代替积分，以增量的形式代替微分，可作如下近似变换：
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