一种提高电动车启动性能的驱动电机及其综合控制方法

1.本发明涉及电动汽车领域，具体涉及一种提高电动车启动性能的驱动电机及其综合控制方法。


背景技术：

2.随着新能源的推广应用，国内乃至全球的电动汽车销售量都在大幅增长。
3.然而，虽然当前的电动汽车整车技术水平显著提高，但仍有一些细节技术难题需要进一步改善和优化。譬如，与燃油汽车相比，当前的电动汽车面临着启动转矩较小、启动速度较低、启动过程持续时间较长等问题。这些电动车启动过程的诸多弱点，将会给电动车司乘人员带来负面的驾乘体验，也将减弱电动车与燃油车之间的竞争力，并阻碍电动车在车辆销售和使用市场的可持续发展。
4.针对适用于电动车的驱动电机，中国专利申请cn201911119823.5公开了一种定子安装于转子内侧的轮毂式电机，并充分考虑到了电机在电动车运行过程中的减震保障措施；该结构形式的驱动电机，较为适合安装到电动车的轮毂之中；但是，为了提高驱动电机的运行性能(包括启动、调速和制动环节等)，还需要针对具体的驱动电机结构，提出最优的控制方法，从而实现驱动电机硬件设备和软件系统的相互融合，进而提高电动车的运行性能。
5.针对电动车驱动电机的控制方法，中国专利申请cn202011325186.x公开了一种电动车启动控制方法。该方法主要基于电源模块、无刷直流电机、控制模块和转把等硬件，并通过获取转把信号、电机类型判断、霍尔初始偏差角度补偿、运行模式判断、电机控制等步骤，实现电动车驱动电机的平滑启动。该方法主要是针对非机动车(小型电动车)实施的一种电动车启动控制技术，且控制的驱动电机类型是无刷直流电机；由于当前新能源电动车(机动车)的驱动电机均是交流电机，因此该方法无法在新能源电动车(机动车)中进行推广和应用。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种提高电动车启动性能的驱动电机及基于该驱动电机的综合控制方法，能够提高电动车在启动过程中的快速性和平滑性，从而增强驾驶人员对于电动车的操作性能，也提高了电动车司乘人员的舒适性。
7.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
8.一种提高电动车启动性能的驱动电机，包括前端盖，转轴，转子铁芯，轴承，定子部分，机壳和后端盖，其中，转轴和转子铁芯组成驱动电机的转子部分；定子部分由电枢绕组、调磁绕组、励磁永磁体、调磁永磁体、u形定子内铁芯和环形定子内铁芯组成；所述励磁永磁体嵌在电枢绕组之中，并有u形定子内铁芯和环形定子内铁芯作为励磁永磁体的磁通路径；励磁永磁体的励磁方向与电枢绕组通入电流后产生的磁场方向互相垂直；所述驱动电机具备双调磁功能，该双调磁功能由调磁绕组和调磁永磁体单独完成或共同完成；所述调磁绕
组在通入适当幅值的脉冲电流情况下，能够实现对调磁永磁体的增磁或去磁控制。
9.优选地，所述转轴上设有燕尾形键槽，所述转轴通过燕尾形键槽和楔键与转子铁芯装配成一体。
10.进一步地，u形定子内铁芯、环形定子内铁芯，以及转子铁芯由硅钢片叠加而成，硅钢片之间有绝缘橡胶作电磁隔离的功能；所述硅钢片厚度小于0.5mm。
11.进一步地，所述u形定子铁芯的齿槽数量与转子铁芯的齿槽数量相互匹配，且转子铁芯的齿槽呈现最优的斜槽角度。
12.本发明还提供一种基于上述驱动电机的综合控制方法，包括驱动电机电流闭环的控制参数调节、驱动电机转速闭环的控制参数调节、逆变器的开关频率调节和励磁磁通调节，由控制器实时接收驾驶人员向电动车施加的快速平滑启动模拟量信号，以及接收驱动电机运行状态的电流信号和转速信号，并经控制器的软件程序分析和判断后，向逆变器发送控制信号，进而实现对驱动电机的平滑启动运行；控制器输出的信号主要是完成逆变器的开关频率调节，以及完成增磁或去磁的调节。
13.进一步地，在驱动电机电流闭环控制过程中，采用最大转矩/电流控制方法，并结合逆变器的开关频率调节，以保障驱动电机输出较大的电磁转矩。
14.具体地，在最大转矩/电流控制方法的基础上，综合逆变器开关频率分段调节，实时计算驱动电机的d轴电流id和q轴电流iq，然后完成驱动电机电流闭环的控制参数调节，具体过程是：分段一：在0时刻至p1点时刻，采用最大转矩/电流控制参数一和逆变器调节频率t
pwm
＝0.01s，使驱动电机在较短时间内输出幅值较大的q轴电流iq；在获得实时q轴电流iq的情况下，其实时d轴电流id可以通过计算得到，计算公式是式中，i是通过电流测量模块获得的电枢绕组的实时电流值；分段二：在p1时刻至p2点时刻，采用最大转矩/电流控制参数二和逆变器调节频率t
pwm
＝0.01s，使驱动电机输出的q轴电流iq初步趋于稳定值，并通过计算获得与q轴电流iq相对应的实时d轴电流id；分段三：在p2点时刻至p3点时刻，调节最大转矩/电流控制参数三和逆变器调节频率t
pwm
＝0.001s，使驱动电机输出的q轴电流iq加快趋于稳定值，并通过计算获得与q轴电流iq相对应的实时d轴电流id。
15.如权利要求7所述的综合控制方法，其特征在于，驱动电机转速闭环的控制参数调节采用基于饱和函数sat(s)的滑模控制方法。
16.进一步地，调磁永磁体单独作用下，能够完成驱动电机的初级阶段调磁，适用于电动车下坡路况下的启动过程；调磁绕组和调磁永磁体共同作用下，能够完成驱动电机的中高级阶段调磁，适用于电动车在水平路面和爬坡路况下的启动过程。
17.进一步地，调磁绕组的调磁过程是持续性的，或间歇性的；调磁永磁体的调磁过程是持续性的。
18.本发明提供的驱动电机及基于该驱动电机的电动车快速平滑启动综合控制方法，相对于现有技术，具有如下优点：
19.首先，本发明提供的驱动电机具有双调磁功能、防止励磁永磁体被磁化的功能、励
磁永磁体的矫顽力远大于调磁永磁体的矫顽力的特点、转子结构适于高速大转矩运行状态，以及感应电动势正弦率高、齿槽力波动幅值低、磁滞损耗和涡流损耗低的优点。
20.其次，本发明提出的驱动电机综合控制方法，包括驱动电机电流闭环的控制参数调节、驱动电机转速闭环的控制参数调节、逆变器的开关频率调节，以及励磁磁通调节，这些控制过程共同完成了驱动电机的快速平滑启动，进而完成了电动车在启动过从的快速性和平滑性，并使电动车的启动过程适合下坡路面、水平路面和爬坡路面等多种路况。
21.本发明采用的驱动电机结构设计方案和综合控制技术方案，一方面提高了电动车启动过程的性能，另外一方面增加了电动车司乘人员的舒适性和满意度，从而增加了电动车在机动车市场的核心竞争力。
附图说明
23.图1是用于电动车的驱动电机的三维结构；
24.图2是驱动电机的转子部分组成和结构；
25.图3是驱动电机的定子部分组成和结构；
26.图4是驱动电机的综合控制框图；
27.图5是综合最大转矩/电流法和变频器开关频率法的驱动电机电流闭环分段式控制效果图；
28.图6是驱动电机转速闭环控制的两种趋近律函数的差异对比；
29.图7是驱动电机转速闭环控制的理论仿真分析结果；
30.图8是驱动电机增磁和去磁现象的仿真计算结果；
31.图9是驱动电机的双调磁功能在电动车快速平滑启动中的具体应用。
32.附图标记：前端盖1，转轴2，转子铁芯3，轴承4，定子部分5，机壳6，后端盖7，整体外观8，电流闭环的控制参数调节9，驱动电机转速闭环的控制参数调节10、逆变器的开关频率调节11，励磁磁通调节12；燕尾形键槽2/21，楔键2/22，视图面3/31，虚线3/32，电枢绕组5/51，调磁绕组5/52，励磁永磁体5/53，调磁永磁体5/54，u形定子内铁芯5/55，环形定子外铁芯5/56。
具体实施方式
34.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
35.如图1所示，是一种用于电动车的能够提升电动车启动性能的驱动电机的三维结构图，包括前端盖1，转轴2，转子铁芯3，轴承4，定子部分5，机壳6，后端盖7，图中还显示了这些零部件装备成一体之后的驱动电机的整体外观8。
36.如图2所示，是由转轴2和转子铁芯3构成的驱动电机的转子部分的结构；所述转轴2通过燕尾形键槽2/21和楔键2/22与转子铁芯3装配成一体，目的是增加驱动电机转子部分在高速、高转矩运行情况下的结构牢固性；转子铁芯3由硅钢片叠加而成，且转子齿槽呈现最优的斜槽角度，视图面3/31是转子铁芯3的斜槽齿在径向剖视图情况下产生的斜面；虚线3/32是转子铁芯3的斜槽齿在径向剖视图底部产生的轮廓线。
37.如图3所示，是驱动电机的定子部分组成和结构，所述驱动电机的定子部分，包括电枢绕组5/51、调磁绕组5/52、励磁永磁体5/53、调磁永磁体5/54、u形定子内铁芯5/55和环
形定子外铁芯5/56。所述励磁永磁体5/53嵌在电枢绕组5/51之中，励磁永磁体5/53的励磁方向与电枢绕组5/51通入电流后产生的磁场方向互相垂直，从而避免励磁永磁体5/53被磁化(增磁或去磁)的现象发生。所述u形定子内铁芯5/55和环形定子外铁芯5/56共同作为控制励磁永磁体5/53和调磁永磁体5/54的磁通路径，目的是增加磁通的积聚性，以及与转子之间的磁通交互量，最终有利于提高驱动电机的运行效率。
38.所述驱动电机具备双调磁功能，该双调磁功能可以由调磁绕组5/52和调磁永磁体5/54单独完成，也可以由其二者共同完成；所述调磁绕组5/52在通入适当幅值的脉冲电流情况下，可以实现对调磁永磁体5/54的增磁或去磁控制；调磁绕组5/52通入的脉冲电流幅值大小，决定了其对调磁永磁体5/54的增磁或去磁控制的调磁程度。
39.优选地，所述励磁永磁体5/53的矫顽力远大于调磁永磁体5/54的矫顽力，目的是保障励磁永磁体5/53不被电枢绕组5/51的电流或调磁绕组5/52的电流影响(增磁或去磁现象发生)。
40.优选地，所述转子铁芯3、u形定子内铁芯5/55和环形定子外铁芯5/56由硅钢片叠加而成(硅钢片之间有绝缘橡胶，使硅钢片之间达到电磁绝缘的效果)，其形状和尺寸可以最大限度地提高电机磁场的利用率；所述硅钢片的厚度，应当选取小于0.5mm，且其材料应当具备导磁率高、矫顽力低和电阻系数大的特点，目的是降低磁滞损耗和涡流损耗，从而提高驱动电机的工作效率。
41.优选地，所述转子铁芯3的齿槽呈现最优的斜槽角度，目的是提高驱动电机电枢感应电动势的正弦率，这样有利于驱动电机的最优化运行控制，从而增强驱动电机在启动过程中的快速性。相比较于传统的转子铁芯直槽结构，转子铁芯斜槽结构能够提高驱动电机电枢感应电动势正弦率的原理是：
42.首先，假设驱动电机转子结构采用直槽形式，直槽a和直槽b相差α机械角度；
43.其次，在驱动电机转子旋转运行的情况下，电枢绕组中将会分别产生感应电动势ea和eb；
44.再次，取感应电动势ea和eb的平均值则平均值感应电动势es的正弦率将会大于感应电动势ea和eb的正弦率。
45.最后，可以得出结论：相比较直槽结构，斜槽为α机械角度的转子齿槽结构可以提高驱动电机电枢绕组感应电动势的正弦率。
46.一般情况下，斜槽感应电动势与直槽感应电动势之间的数学关系可以表述为式中，e
sk
(θ)是转子斜槽产生的电枢绕组感应电动势，e
st
(θk)是转子直槽产生的感应电动势，θk是第k个转子直槽与第1个转子直槽之间相差的机械角度，n是转子直槽的个数。
47.优选地，在定子部分5的齿槽数量与转子铁芯3的齿槽数量确定的情况下，其最佳转子铁芯3的最佳斜槽角度计算公式为式中，ns是定子部分5的齿槽数量，nr是转子铁芯3的齿槽数量，gcd是最大公约数。
48.进一步地，定子部分5和转子铁芯3的齿槽宽度，可以通过电磁场数值计算软件实
现最优择取，目的是降低驱动电机的齿槽力波动幅值，从而增强驱动电机在启动过程的平滑性。
49.驱动电机的各个零部件装配完成之后，其定子部分5的内径与转子铁芯3的外径之间存在气隙，该气隙宽度应当小于0.5mm，目的是提高定子部分5与转子铁芯3之间的磁场交互率(降低漏磁通)，从而在本体结构上提高驱动电机的性能和效率。
50.本发明在上述驱动电机结构类型的基础上，提出一种电动车快速平滑启动的综合控制方法，如图4所示，是该驱动电机的综合控制方法框图，总的来说，该控制方法包括驱动电机电流闭环的控制参数调节9、驱动电机转速闭环的控制参数调节10、逆变器的开关频率调节11和励磁磁通调节12。
51.一般地，图4所示控制方法的实施过程，由具有软件程序执行功能、高频信号输入和输出功能的控制器，以及驱动电机的电枢电流测量模块和转速测量模块共同完成；图4所示逆变器的作用是在控制器的控制下，实时地把直流电源输出的直流电转换成交流电，并把该交流电输送给驱动电机。
52.所述控制器的作用是实时接收驾驶人员向电动车施加的快速平滑启动模拟量信号幅值，以及实时接收驱动电机运行状态数据信号(电枢电流信号、转速信号)，并利用软件程序进行分析和判断后，驱动逆变器运行，从而实现对驱动电机的电流闭环控制和转速闭环控制，控制器输出的信号主要是完成逆变器的开关频率调节，以及完成驱动电机的增磁或去磁的调节。
53.驾驶人员向电动车施加的快速平滑启动模拟量信号，是电压信号，该电压信号幅值越大，则表示驾驶人员旨在越短时间内完成电动车的启动过程；驱动电机的电枢电流信号，由电流测量模块完成采集，并上传至控制器；驱动电机的转速信号，由速度测量模块(增量式旋转编码器)完成采集，并上传至控制器。
54.电流测量模块对电流信号的采集精度和频率越高，越有利于完成驱动电机电流闭环的精准控制和实时控制；速度测量模块(增量式旋转编码器)的分辨率越高，越有利于完成驱动电机转速闭环的精准控制和实时控制。
55.针对本发明提出的驱动电机，在其电流闭环控制过程中，易采用最大转矩/电流控制方法，目的是初步保障驱动电机输出较大的电磁转矩。该最大转矩/电流控制方法的原理是：
56.首先，采用坐标变换理论和方法，把采集得到的该驱动电机的电枢电流分解为dq坐标系下的d轴电流id和q轴电流iq；
57.其次，把上述获得的d轴电流id和q轴电流iq带入驱动电机的电磁转矩公式t＝p(ψiq+(l
d-lq)idiq)，并经过微分和求导，获得当前能够使驱动电机输出最大转矩的最小d轴电流和q轴电流式中，p是驱动电机的极对数，ψ是驱动电机的励磁磁链，ld和lq分别是驱动电机的d轴电感和q轴电感；
58.最后，把微分和求导得到的最小d轴电流和q轴电流数据传送给空间矢量脉宽调制模块，其作用是对逆变器的运行状态进行实时控制，最终向驱动电机提供正弦率较高的交流电。
59.本发明在上述最大转矩/电流控制方法的基础上，进一步细化逆变器开关频率和
电流闭环参数的调节过程，使其实现分段调节，从而提高驱动电机输出转矩的幅值特性、快速性和稳定特性，如图5所示，是在上述最大转矩/电流控制方法的基础上，并综合逆变器开关频率分段调节的情况下，实时计算驱动电机的d轴电流id和q轴电流iq，然后完成驱动电机电流闭环的控制参数调节，最终使驱动电机输出的电磁转矩具有较合理的幅值特性和稳定时间。具体分段控制过程是：
60.分段一：在图5所示的0时刻至p1点时刻，采用最大转矩/电流控制参数
①
(kdp＝0.5，kqp＝0.6，kdi＝kpi＝14.6，kdp/kdq，kdi/kpi分别为电流闭环控制的d/q轴比例系数和积分系数)和逆变器调节频率t
pwm
＝0.01s，使驱动电机在较短时间内输出幅值较大的q轴电流iq；在获得实时q轴电流iq的情况下，其实时d轴电流id可以通过计算得到，计算公式是式中，i是通过电流测量模块获得的电枢绕组的实时电流值。
61.分段二：在图5所示的p1时刻至p2点时刻，采用最大转矩/电流控制参数
②
(kdp＝0.5，kqp＝0.6，kdi＝kpi＝145.7)和逆变器调节频率t
pwm
＝0.01s，使驱动电机输出的q轴电流iq初步趋于稳定值(图5中所示的q轴稳定值是1.2a)，并通过计算获得与q轴电流iq相对应的实时d轴电流id；
62.分段三：为了加快驱动电机输出电磁转矩趋于稳定值，在p2点时刻至p3点时刻调节最大转矩/电流控制参数
③
(kdp＝4.5，kqp＝6.2，kdi＝kpi＝1457)和逆变器调节频率t
pwm
＝0.001s，使驱动电机输出的q轴电流iq加快趋于稳定值，并通过计算获得与q轴电流iq相对应的实时d轴电流id。
63.上述分段调节最大转矩/电流控制参数和逆变器频率的过程，已经过理论仿真实验验证和物理实验验证，其可以实现驱动电机输出转矩的优点是：具有较大幅值特性，以及较短时间内即可完成电磁转矩的稳定运行。
64.进一步地，驱动电机转速闭环采用基于饱和函数sat(s)的滑模控制方法，目的是在上述电流闭环控制基础上，提高驱动电机增速的平滑性，进而提高电动车启动增速的平滑性。
65.如图6所示，描述了符号函数sgn(s)和饱和函数sat(s)的原理，以及二者之间的差别。通过比较可得：符号函数sgn(s)的输出信号是阶跃性的，也具有突变的特性；饱和函数sat(s)在边界层
△
以内，其输出信号具有平滑特性。因此，相比较基于符号函数sgn(s)的滑模控制方法，基于饱和函数sat(s)的滑模控制方法可以进一步提高驱动电机增速的平滑性，进而提高电动车启动增速的平滑性。
66.图7示出了基于符号函数sgn(s)、饱和函数sat(s)的驱动电机转速滑模控制的效果。通过对比可得：基于饱和函数sat(s)的滑模控制方法，可以提高驱动电机输出转速的平滑性；特别地，在进一步修正饱和函数sat(s)的边界层参数
△
的情况下，譬如降低边界层
△
的值(由0.02降低至0.005)，则可以进一步提高驱动电机输出转速的平滑性。
67.进一步地，本发明的励磁磁通调节过程由驱动电机的调磁绕组5/52和调磁永磁体5/54完成，调磁绕组5/52的调磁过程可以是持续性的，也可以是间歇性的；调磁永磁体5/54的调磁过程是持续性的。
68.一般地，调磁永磁体5/54单独作用下(去磁状态)，可以完成驱动电机的初级阶段调磁，适用于电动车在下坡路况下启动运行；调磁绕组5/52和调磁永磁体5/54共同作用下，
可以完成驱动电机的中高级阶段调磁，适用于电动车在水平或爬坡路况下启动运行。
69.特别地，根据电机的工作原理和特性，在调磁绕组5/52和调磁永磁体5/54完成双调磁功能的情况下，上述综合控制方法可以进一步提高驱动电机快速平滑启动的效果，进而也提高了电动车的启动性能(快速性、平滑性)。
70.如图8(1)和8(2)所示，分别是驱动电机在去磁和增磁情况下的磁场分布仿真计算结果。通过对比图8(1)和8(2)可得：在去磁和增磁情况下，励磁永磁体5/53的励磁方向12/1和12/2不变，调磁永磁体5/54的励磁方向发生变化(13/1和13/2所示)；在去磁情况下，驱动电机的磁通主要经过u形定子内铁芯5/55和圆环形定子内铁芯5/56形成磁回路，其与转子铁芯3之间的交互磁通较少；在增磁情况下，圆环形定子内铁芯5/56中磁通量较少，大部分的磁通经过u形定子内铁芯5/55与转子铁芯3之间产生交互。
71.根据上述驱动电机的电磁转矩公式t＝p(ψiq+(l
d-lq)idiq)可得，在驱动电机去磁情况下，该转矩公式中的磁通量ψ减少，进而使电磁转矩幅值减少；在驱动电机增磁情况下，该转矩公式中的磁通量ψ增加，进而使电磁转矩幅值增加。
72.如图9所示，是不同路况下，并根据上述驱动电机的电磁转矩公式t＝p(ψiq+(l
d-lq)idiq)，驱动电机在电动车快速平滑启动中的作用。一般地，调磁永磁体5/54单独作用下(去磁状态)，可以完成驱动电机的初级阶段调磁，适用于电动车下坡路况下的启动过程；调磁绕组5/52和调磁永磁体5/54共同作用下，可以完成驱动电机的中高级阶段调磁，适用于电动车在水平路面和爬坡路况下的启动过程。
73.优选地，调磁绕组5/52的调磁过程可以是持续性的，也可以是间歇性的，这由电动车快速平滑启动的需求决定；调磁永磁体5/54的调磁过程是持续性的。
74.总的来说，本发明的驱动电机及基于该驱动电机的综合控制方法，首先，提出把双调磁驱动电机应用到电动车的驱动系统之中；其次，采用调节逆变器开关频率、驱动电机电流闭环参数和转速闭环参数的综合控制方法，实现驱动电机的快速启动和平滑增速运行；再次，细化变频器开关频率和电流闭环参数的调节过程，使其实现分段调节，从而提高驱动电机输出转矩的幅值特性、快速性和稳定特性；最后，采用基于饱和函数sat(s)的滑模控制方法，提高驱动电机在启动过程中输出转速的平滑性。此外，驱动电机的去磁和增磁功能，有利于进一步提高电动车在爬坡、下坡等特殊路况下的启动性能。本发明公开的双调磁驱动电机及其综合控制方法，旨在通过硬件结构和优化控制技术，提高电动车的启动性能，进而增加电动车在车辆生产和销售市场的竞争力，最终促进绿色出行、绿色交通的目的。
75.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。