陆轨两用电动汽车驱动控制系统设计

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摘要

随着我国城市规模和经济建设的快速发展，城市人口急剧增加，城市交通供

需矛盾日趋紧张，所以大力发展轨道交通事业是我国各大城市实现可持续发展的

基本策略。现有轨道检修车无法快速移至抢修点的弊端给线路检修、抢修带来困

难，因此改善现有轨道检修车，设计出一种能在轨道与站台间快速转换的陆轨两

用车已成为一项崭新课题。本文研究的陆轨两用电动汽车驱动控制系统是陆轨两

用车的关键，对于整车的顺利开发和可靠使用具有重要意义。

本文首先介绍了我国以及世界主要城市轨道交通发展现状，本课题的研究背

景及意义，并根据电动汽车驱动电机的特性和要求对几种电机进行比较，最后确

定选用无刷直流电机作为陆轨两用车的主驱动电机。

其次介绍了无刷直流电机的基本结构，阐述了无刷直流电机的工作原理并建

立了其数学模型，确定其调速控制策略，对无刷直流电机的双闭环控制系统采用

模糊自适应 PI 控制，基于 Matlab/Simulink 平台，结合模糊自适应 PI 控制器设计，

组建了基于模糊自适应 PI 控制的无刷直流电机双闭环控制系统仿真模型，将利用

模糊自适应 PI 控制器和常规 PI 控制器的调速系统性能作了分析和比较。

最后从无刷直流电机控制系统的硬件组成出发，对以 DSP 为核心的控制回路

和以 IPM 为核心的主电路设计作了详细介绍，给出了系统硬件结构图和各个部分

的组成原理图，主要包括控制系统 DSP 的外围电路设计、IPM 电路设计、电压和

电流检测电路设计，转子位置检测电路设计以及监控显示电路设计。控制系统软

件设计主要由主程序和中断服务子程序组成，主程序主要完成 DSP 控制系统初始

化，中断服务程序主要设计了电流调节程序和速度模糊自适应 PI 调节程序。另外

还简单介绍了陆轨两用车电池的选择以及其陆轨转换系统，并设计了相应的硬件

电路。

关键词：轨道交通陆轨转换系统无刷直流电机模糊自适应 PI 控制

ABSTRACT

As China's urban scale and the rapid development of economic construction, urban

population increased dramatically, urban traffic supply and demand becoming more

intense, so to develop rail transport services in major cities of China is a basic strategy

for achieving sustainable development. Existing rail maintenance repair car can not be

quickly moved to point of the shortcomings take difficult for the line maintenance and

repair ,therefor improving the existing rail maintenance vehicles, to design a site in the

track and the land can quickly convert between two rail cars has been as a new subject.

In this paper, the drive control system is the key of the land-rail dual intelligent vehicle,

is important for the smooth development and the reliability use of the vehicle.

First this paper describes the development of urban rail transport, the world's major

urban rail transport development status, the subject of the research’s background and

significance, for the drive motor characteristics and requirements of the electric vehicle

and the choice for the electric drive motor vehicles, choose the brushless DC motor as

the main drive motor for the two rail cars.

Second, mian introduces the mathematical model and the basic components of the

brushless DC motor, describes the working principle of the brushless DC motor,confirm

the control strategy and speed control method of the brushless DC motor: the brushless

DC motor using fuzzy adaptive PI control for the dual closed-loop control system. In

the Matlab / Simulink window to establish a brushless DC motor speed control system

simulation model, and combined with design content of the fuzzy adaptive PI controller,

built a brushless DC motor dual closed loop control system based on fuzzy adaptive PI

control, analysis of different response curves of the motor starting, running, under

sudden load changes, in final comparative analysis the performance comparison of the

adaptive PI controller using fuzzy controller and conventional PI speed control system.

Finally, from the hardware components of the brushless DC motor control system,

starting introduces in detailly the core of the control loop on the DSP and the core of the

IPM main circuit design, gives the system of the hardware structure and composition

and the principle map of the various parts, Details of the control system of DSP

peripheral circuit design, IPM circuit design, voltage and current sensing circuit design,

the rotor position circuit design and the detection control circuit design. The Control

system software design mainly composed of main program and interrupt service

routines, the main program mainly to complete DSP control system initialization, the

interrupt service routine the main design of the current reconciliation process and speed

blur adaptive PI controller program. Also briefly introduced the choice of battery of the

two land-rail vehicles and the introduction of the land-rail dual conversion system, and

the design of the corresponding hardware circuit.

Key Word:Rail transport,Land track conversion system,Brushless DC

motor,Fuzzy adaptive PI control

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................................................................................1

§1.1 城市轨道交通概述 ...........................................................................................1

§1.1.1 我国城市轨道交通发展现状 .................................................................1

§1.1.2 目前世界主要城市轨道交通发展概况 .................................................2

§1.2 本课题研究的背景及意义 ...............................................................................2

§1.3 陆轨两用电动汽车驱动电机的特性和要求 ...................................................3

§1.3.1 电机特性 .................................................................................................3

§1.3.2 电机要求 .................................................................................................3

§1.4 陆轨两用电动汽车驱动电机的选择 ...............................................................4

§1.5 论文内容安排 ...................................................................................................5

第二章无刷直流电机数学模型及控制系统分析 .........................................................7

§2.1 无刷直流电机的数学模型 ...............................................................................7

§2.1.1 无刷直流电机的微分方程模型 .............................................................7

§2.1.2 无刷直流电机的传递函数模型 .............................................................9

§2.2 无刷直流电机基本原理 .................................................................................11

§2.2.1 无刷直流电机的基本结构 ...................................................................11

§2.2.2 无刷直流电机的工作原理 ...................................................................12

§2.3 无刷直流电机控制策略 .................................................................................13

§2.4 本章小结 .........................................................................................................14

第三章自适应模糊 PI 控制器设计 ............................................................................. 15

§3.1 无刷直流电机调速系统控制器设计 .............................................................15

§3.2 模糊控制基本原理 .........................................................................................15

§3.2.1 模糊控制器的组成 ...............................................................................15

§3.2.2 模糊控制器的设计步骤 .......................................................................15

§3.2.3 模糊自适应整定 PI 控制器原理 ......................................................... 17

§3.3 模糊 PI 控制器设计 ....................................................................................... 18

§3.3.1 变量的模糊化及隶属函数确定 ...........................................................18

§3.3.2 模糊控制规则表 ...................................................................................18

§3.3.3 模糊推理及模糊判决 ...........................................................................21

§3.4 本章小结 .........................................................................................................21

第四章无刷直流电机调速系统仿真 ...........................................................................22

§4.1 模糊自适应 PI 控制器的无刷直流电机调速系统仿真 ............................... 22

§4.1.1 无刷直流电机本体模块 .......................................................................22

§4.1.2 转子位置传感器模块 ...........................................................................26

§4.1.3 三相电压逆变器模块 ...........................................................................26

§4.1.4 电流控制器模块 ...................................................................................28

§4.1.5 速度控制器模块 ...................................................................................31

§4.1.6 检测模块 ...............................................................................................31

§4.1.7 系统仿真结果分析 ...............................................................................32

§4.2 本章小结 .........................................................................................................35

第五章无刷直流电机的调速系统软硬件设计 ...........................................................36

§5.1 调速系统的总体设计 .....................................................................................36

§5.2 调速系统的硬件电路设计 .............................................................................36

§5.2.1 TMS320F2812 控制器的介绍 .............................................................. 36

§5.2.2 PWM 信号的产生 ................................................................................. 37

§5.2.3 F2812 外围电路设计 ............................................................................ 39

§5.2.4 功率变换电路设计 ...............................................................................40

§5.2.5 电流、电压检测电路设计 ...................................................................42

§5.2.6 转子位置检测电路设计 .......................................................................44

§5.2.7 监控电路设计 .......................................................................................45

§5.3 调速系统软件设计 .........................................................................................46

§5.3.1 调速系统软件总体控制结构 ...............................................................46

§5.3.2 位置信号检测 .......................................................................................47

§5.3.3 速度计算与调节 ...................................................................................48

§5.3.4 电流调节 ...............................................................................................51

§5.4 本章小结 .........................................................................................................53

第六章陆轨两用车电池选择和陆轨转换系统介绍 ...................................................55

§6.1 陆轨两用电动汽车车用电池的选择 .............................................................55

§6.1.1 锂电池的工作原理与特点 ...................................................................55

§6.1.2 陆轨两用电动汽车的电池充电介绍 ...................................................56

§6.2 陆轨两用电动汽车陆轨转换系统 .................................................................57

§6.2.1 陆轨两用电动汽车路轨转换系统介绍 ...............................................57

§6.2.2 陆轨两用电动汽车路轨转换系统的液压系统 ...................................59

§6.3 本章小结 .........................................................................................................61

第七章总结与展望 .......................................................................................................62

§7.1 总结 .................................................................................................................62

§7.2 展望 .................................................................................................................62

参考文献 .........................................................................................................................64

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................67

致谢 ...............................................................................................................................68

第一章绪论

§1.1 城市轨道交通概述

§1.1.1 我国城市轨道交通发展现状

随着人口和车辆流量激增，城市交通量的增长，城市道路和汽车生产的相对

有限性，由此产生了一个相对无穷大的尖锐矛盾：汽车可以用流水线生产，道路

却不能；汽车可以从国外进口，道路却不能。总之，汽车带来了交通阻塞、事故

频繁、能源过度消耗、尾气与噪声污染等一系列社会问题，这些问题制约着城市

经济的发展，也影响着市民生活质量的提高，所以必须尽快发展以轨道交通为骨

干的城市客运公共交通[1～4]，城市轨道交通具有如下几点优越的社会功能：

1)拉动装备制造业的发展。

2)改善城市空间布局，解决大城市的空间交通拥堵。

3)带动房地产升温。

4)促进商贸业繁荣。

目前在我国，为解决城市交通存在的问题，全国已有许多城市已经建立或正

在建立城市轨道交通系统。把上海作为例子来说明，在其目前拥有的轨道交通运

营里程 139 公里的情况下，成为第一次超越香港和北京的城市，依据下一轮的城

市规划，上海会继续建设更多城市轨道交通工具（包括地铁和轻轨），共需投资 100

亿元，然而总体规划完成需投资 3000 多亿元人民币。

通过 40 年来中国轨道交通发展，可以将其过程分为以下几个阶段：

(1) 起步阶段

从上世纪 50 年代开始，中国开始了地铁建设的各项准备工作,北京地铁网络是

第一个计划，1965 至1976 年北京地铁的第一阶段开始建造(共54 公里)，指导地铁

建设时更加重视防空能力，接下来是天津地铁（目前已经被重新建设）和哈尔滨

的人防隧道等工程的建设完成。

(2) 开始建设阶段

到了上世纪 80 年代末至 90 年代初，由于城市规模不能无限制的扩大与城市

中还不够完善的道路设施，中国一些大城市的交通问题就面临着很严峻的考验，

已经不能满足城市中快速增长人口的需要。为了解决这个问题，上海地铁的 1号

线、北京地铁的复八线和广州地铁的 1号线和其他的建设项目同时开工建设。

(3) 建设高潮的开始阶段

自上世纪 90 年代起，伴随着广州和上海地铁的项目建设，我国的一些城市包

括沈阳、天津、南京等就开始有计划的建设轨道交通项目，大量前期工作已经做

陆轨两用电动汽车驱动控制系统设计

的相对比较完善。

(4) 调整阶段

鉴于各大城市的地铁项目要求建设的比较多，并且地铁项目工程的造价比较

高，国务院在 1995 年12 月份发布公文，不再批准建设地铁项目，并提出了良好

的定位和发展规划的要求，于此同时，我国城市轨道交通设备的国产化政策由国

家计委开始研究制定。

§1.1.2 目前世界主要城市轨道交通发展概况

自从 1863 年1月10 日在伦敦开通了世界上第一条 6公里长的地铁线路以来[5]，

世界各地城市的轨道交通经过一百多年的发展，目前已经发展的相当成熟。

东京目前拥有铁路线的总长度在世界大城市中排名是第一的，载客量也相当

大，每年运载量平均超过 100 亿人次。市郊的铁路列车的间隔为 2分钟（最小运

行时），最大的编组为 15 节，运输能力最大达 10 万人（以每小时每方向为标准）。

伦敦在很早的时候就已经实现了客运把轨道交通作为主目标，其地铁有 9条线路，

总长度为 409 公里，其中在地上 241 公里，在市区每隔 2到2.5 分钟就会运行一次，

在远离市区的地方是每隔 10 分钟运行一次，列车最长是 8节。市郊的铁路有 651

公里，15 个列车终点站设在市中心，并把线路布置成放射状，有些线路可以直通

到离市中心超过 40 公里的新城。在巴黎，公共交通的约 70%运量由轨道交通来承

担，市内和市郊的汽车则承担约 30%。地铁共有 15 条线路（长约 200 公里），是

城内交通主干，乘客步行大约 5分钟就能到地铁站，列车运行间隔为 95 秒（最小）。

莫斯科城内地铁网是跨及全市并立体交叉的，总长度为 243 公里，拥有 140 多个

车站，每天运营时间为 20 个小时，高峰时刻列车间隔达到 75 秒，41 公里的速度，

每一天载客量超过 800 万人，在世界上排名第一，每小时客流量超过 1400 万，超

过伦敦和纽约。

§1.2 本课题研究的背景及意义

虽然公铁两用车在我国铁路上有着广泛的应用，但由于我国城市的轨道交通

主要是在近些年才迅速的发展，因此公铁两用车在我国城市的轨道交通中还很少

使用，特别是能够在轨道与站台间快速转换的公铁两用车至今在国内还没有单位

研制。随着建设城市轨道交通的城市的不断增加，城市轨道交通的线路在迅猛增

长，在供电线路检修和抢修中面对的问题不断增多，现有的轨道接触网检修车已

远远不能满足城市轨道交通发展的需要。而目前国内还没有用于城市轨道供电线

路检修和抢修的在轨道与站台间快速转换的陆轨两用车，因此研制陆轨两用电动

汽车已成为一项崭新的课题。如前说述，我国已经有许多城市已经建成或者正在

建设城市的轨道交通系统，对供电线路的检修和抢修对城市的轨道交通公司来说

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摘要随着我国城市规模和经济建设的快速发展，城市人口急剧增加，城市交通供需矛盾日趋紧张，所以大力发展轨道交通事业是我国各大城市实现可持续发展的基本策略。现有轨道检修车无法快速移至抢修点的弊端给线路检修、抢修带来困难，因此改善现有轨道检修车，设计出一种能在轨道与站台间快速转换的陆轨两用车已成为一项崭新课题。本文研究的陆轨两用电动汽车驱动控制系统是陆轨两用车的关键，对于整车的顺利开发和可靠使用具有重要意义。本文首先介绍了我国以及世界主要城市轨道交通发展现状，本课题的研究背景及意义，并根据电动汽车驱动电机的特性和要求对几种电机进行比较，最后确定选用无刷直流电机作为陆轨两用车的主驱动电机。其次介绍了无刷...

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