第3章-新能源汽車驅動電機及其控制課件

《第3章-新能源汽車驅動電機及其控制課件》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《第3章-新能源汽車驅動電機及其控制課件（106頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,,2020/8/27,,第,?#?,,頁,單擊此處編輯母版標題樣式,,,,規(guī)格嚴格 功夫到家,,,（威海）,HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY,SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING,汽車工程學院,單擊此處編輯母版標題樣式,編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,2020/8/27,,?#?,新能源汽車,驅動電機及其控制,,第,3,章,,3.1,驅動電動機概述,驅動電動機是

2、新能源汽車的核心部件，其主要功能是把電能轉化為機械能來驅動汽車行駛。其性能的好壞直接影響電動汽車整車性能，特別是影響電動汽車的最高車速、加速性能及爬坡性能等。,以上,相同含量的材料組分，以安全性較差的材料組分編寫代碼,。,,3.1.1,新能源汽車對驅動電機的要求,新能源汽車對驅動電動機的要求主要由以下三個方面決定：駕駛性能要求、車輛的性能約束以及車載能源系統(tǒng)的性能。駕駛性能的要求是由包括汽車動力性、制動性能以及續(xù)駛里程等性能在內的駕駛模式決定的；車輛的性能約束主要是指車型、車重、載重及平順舒適性等；能量系統(tǒng)的性能與蓄電池、燃料電池、超級電容、飛輪等能源有關。,,,低速大轉矩特性及較寬范圍內的恒

3、功率特性,2.,在整個運行范圍內的高效率和高功率比,3,．體積小、重量輕,4.,高轉速,5.,過載能力強、瞬時功率大,6.,協(xié)同性能好,7.,能作為發(fā)電機使用,8.,高可靠性,9.,高電壓,,,3.1.2,新能源汽車驅動電機種類,,有刷直流電動機,2.,永磁直流無刷電動機,3.,交流異步電動機,4.,永磁同步電動機,5.,開關磁阻電動機,,開關磁阻電動機,是一種新型電動機，因其結構簡單、堅固、工作可靠、效率高，其調速系統(tǒng)運行性能和經濟指標比普通的交流調速系統(tǒng)好，具有很大的潛力，被公認是一種極有發(fā)展前途的電動汽車驅動電動機。,,,,,3.2,直流電動機,直流電動機大致可分為永磁式電動機,(,沒有

4、勵磁繞組，永磁體的磁場是不可控制的,),和繞組式電動機,(,有勵磁繞組，磁場可由直流電流控制,),。在電動汽車所采用的電動機中，小功率電動機采用的是永磁電動機，而大功率的電動機，大多采用的是像串勵、并勵以及復勵電動機等有勵磁繞組的電動機。,,,3.2.1,直流電動機,分類,繞組勵磁式直流電動機根據(jù)勵磁方式的不同，可分為他勵式、并勵式、串勵式和復勵式,4,種類型。,,1.,他勵式直流電動機,他勵式直流電動機的勵磁繞組與電樞繞組無連接關系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電。因此勵磁電流不受電樞端電壓或電樞電流的影響，永磁直流電動機也可看作他勵直流電動機。,2.,并勵直流電動機,并勵直流電動機的勵磁繞

5、組與電樞繞組相并聯(lián)，共用同一電源，性能與他勵直流電動機基本相同。并勵繞組兩端電壓就是電樞兩端電壓，但是勵磁繞組用細導線繞成，其匝數(shù)很多，因此具有較大的電阻，使得通過它的勵磁電流較小。,,3.,串勵直流電動機,,,串勵直流電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，這種直流電動機的勵磁電流就是電樞電流。這種電動機內磁場隨著電樞電流的改變有顯著的變化，為了使勵磁繞組中不致引起大的損耗和電壓降，勵磁繞組的電阻越小越好，所以串勵直流電動機通常用較粗的導線繞成，它的匝數(shù)較少。,4.,復勵直流電動機,復勵直流電動機有并勵和串勵兩個勵磁繞組，電動機的磁通由兩個繞組內的勵磁電流產生，若串勵繞組產生的磁通

6、量與并勵繞組產生的磁通量方向相同稱為積復勵。若兩個磁通量方向相反，則稱為差復勵。,,3.2.1,直流電動機的基本構造,直流電動機主要由轉子、定子、機座和電刷架等部分組成。,,1,．定子部分,,直流電動,機的定子主要由主磁極、機座、,換,向極和,電,刷裝置等,組,成。,,（,1,）主磁極,其作用是建立主磁場,，由主極,鐵心,和套裝在,鐵心,上的勵磁,繞組,構成。,,,（,2,）機座,用鑄鋼,或厚,鋼,板,焊,制而成，它既是主磁路的一部分，又是,電動,機的,結,構框架。,,（,3,）換,向極,其作用是改善直流,電動,機的,換,向性能，使直流,電動,機運行,時,不,產,生有害的,火花。它由換,向極,

7、鐵心,和套裝在,鐵心,上的,換,向極,繞組,構成。,,（,4,）電,刷裝置,由,電,刷、刷握、刷桿、,匯,流排等,組,成，用于,電,樞,電,路的引入或引出。,,2,．轉,子部分,轉,子部分包括,電,樞,鐵心,、,電,樞,繞組,、,換,向器等。,（,1,）電,樞,鐵心,,它既是主磁路的,組,成部分，又是,電,樞,繞組,的支撐部分。,電,樞,繞組,嵌放在,電,樞,鐵心,的槽內。,電,樞,鐵心,一般用,0.50mm,的硅鋼,片疊,壓,而成。,（,2,）電,樞,繞組,由,銅線,按要求,繞,制而成，它是直流,電動,機的,電,路部分，,也是產,生,電動勢和電,磁,轉,矩,進,行機,電,能量,轉換,的部分。

8、,（,3,）換,向極,由冷拉梯形,銅,排和,絕緣,材料等,組,成，用于,電,樞,電,流的,換,向。,,3,．端蓋,,周定在基座兩端，裝有軸,承以支,攆電動,機,轉,子旋,轉,。,4.,電刷架,,裝在端蓋上，電刷架與換向器相連。,,,3.2.3,直流電動機工作原理及其性能,直流電動機工作原理,直流電動機的工作原理簡單明了。當一載流導線放置在磁場中時，則將產生作用于導線上的磁場力。該力垂直于導線和磁場，如圖所示。此磁場力與導線長度、電流大小以及磁感應強度成正比，即：,F=BIL,當導線形成一個線圈，則作用于線圈兩邊的磁場力即產生一轉矩，該轉矩可表示為：,T=BILDcosa

9、 (3-2),,,,,,2.,直流電動機,性能,實際上，直流電動機性能可通過電樞電壓、反電動勢和磁通予以描述。直流電動,機,電,樞的,穩(wěn)態(tài),等,值電,路如,圖所示。,,,對,于他勵和并勵直流,電動,機，,,等于,電,樞,繞組,的,電,阻；,對,于串勵和復勵直流電動,機，,,為電,樞,繞組,與串勵,繞組電,阻的,總,和,。直流電動,機的基本方程,組為：,,,（,3-3,）,,,,（,3-4,）,,,（,3-5,）,,,（,3-6,）,,就串勵直流電動,機,而,言，磁通隨,電,樞,電,流而,變,化。在磁化特性的非飽和區(qū)，可假定,,與,I,成正比，,因此有,,,(3-7),可得

10、串勵直流電動機轉速為,,,,（,3-8,）,,3.2.5,直流電動機控制,1.,直流電動機的驅動特性,,,2.,電樞,電壓調節(jié)法,電樞電壓調節(jié)法是指通過改變電樞電壓來控制電機的轉速，適用于電機基速（額定轉速）以下的調速調節(jié)。,,斬波器,( PWM),脈寬調制屬于一種電樞電壓調節(jié)法，直流電機通常采用,PWM,實現(xiàn)調速控制。其調速控制主電路如圖所示。其中,VT,1,、,VT,2,為兩只絕緣柵雙極型晶體管,(IGBT),。當電機處于運行狀態(tài)時，控制器控制,VT,1,關斷，當,VT,2,處于低電位時，,VT,2,導通，電機電樞繞組通電，電樞兩端加上電源電壓,U,b,。當,VT,2,處于高電位時，,VT

11、,2,截止，電機電樞繞組斷電。在一個固定周期內，增加,VT,2,處于低電位的時間，則可增加電樞繞組的平均電壓,。,,,,,3.,磁場調節(jié),法,磁場調節(jié),法是通,過調節(jié),磁,極繞組勵磁電,流，改,變,磁極磁通量多來,調節(jié)電,機的,轉,速。,這,種方法適用于,電,機,基速以上的轉,速控制。,以升速為,例，,調,速,過,程是：減小,磁通量，在機械慣,性力的作用下，,電樞轉,速,還,沒有來得及下降，而反,電動勢,隨著磁通量的減小而下降，,電,樞,電流隨之增大，由于電,樞,電,流增加的影,響大于磁通量減小的影響，因而電,機,的電,樞,電,磁,轉,矩,T,增大。如果這時電機的阻力矩,T,L,未變,，,則電

12、,樞的,轉,速,n,便會上升。隨著電,機,轉,速的上升，,電樞的反電動勢,增大，,電,樞,電,流隨之減小，直到,電,磁,轉,矩與阻力矩平衡，,電,機就在,比減小磁通量前高的轉,速下,穩(wěn),定運,轉,。,,,,4.,電樞回路電阻調節(jié),電樞回路電阻調節(jié)法是在磁極繞組勵磁電流不變的情況下，改變電樞回路的電阻，使電樞電流變化來實現(xiàn)電機轉速的調節(jié)。電樞回路電阻調節(jié)法的機械特性差，而且會使電機運行不穩(wěn)定，加之電樞回路串人電阻消耗了電能，一般很少在電動汽車上采用。,,3.2.6,直流電機在電動汽車上的應用,直流電機體積和質量大，存在換向火花、電刷磨損以及電機本身結構復雜等問題，隨著交流變頻調速技術的發(fā)展，交流

13、調速電機在電動汽車上的應用發(fā)展迅速。如城市中的無軌電車和電動叉車較多地采用直流驅動系統(tǒng)，很多電動觀光車和電動巡邏車上也使用直流電機。,,3.3,交流,異步電動機,交流異步電動機又稱感應電動機，是由氣隙旋轉磁場與轉子繞組感應電流相互作用產生電磁轉矩，從而實現(xiàn)電能量轉換為機械能量的一種交流電動機。按照轉子結構來分，有,鼠,籠型異步電動機和繞線型異步電動機；按照定子繞組相數(shù)來分，有單相異步電動機、兩相異步電動機和三相異步電動機。,,3.3.1,交流異步電動機結構,異步電動機主要由靜止的定子和旋轉的轉子兩大部分組成，定子和轉子之間存在氣隙。此外，還有端蓋、軸承、機座和風扇等部件。,,1.,定子,異步電

14、動機的定子由定子鐵心、定子繞組和機座構成。,（,1,） 定子鐵心,定子鐵心是電動機磁路的一部分，并在其上放置定子繞組。,,（,2,）定子繞組,定子繞組是電動機的電路部分，通入三相交流電，產生旋轉磁場。,,（,3,）機座,機座主要用于固定定子鐵心與前后端蓋，以支撐轉子，并起防護、散熱等作用。,,2.,轉子,異步電動機的轉子由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸組成。,（,1,）轉子鐵心,轉子鐵心也是電動機磁路的一部分，并在鐵心槽內放置轉子繞組，轉子鐵心所用材料與定子一樣，由,0.5mm,厚的硅鋼片沖制、疊壓面成，硅鋼片外圓沖有均勻分布的孔，用來安置轉子繞組。,,（,2,）轉子繞組,轉子繞組是轉子的電路部分，

15、它的作用是切割定子旋轉磁場產生感應電動勢及電流，并形成電磁轉矩而使電動機旋轉，轉子繞組分為鼠籠式轉子和繞線式轉子。,,（,3,）轉軸,轉軸用于固定和支撐轉子鐵心，并輸出機械功率。轉軸一般使用中碳鋼制成。,,,3.,氣隙,異步電動機定子與轉子之間有一小的間隙，稱為電動機氣隙。,3.3.2,異步交流電動機性能特點及應用,1.,優(yōu)點,1,）結構簡單，制造、使用、維護方便，運行可靠性高，質量輕，成本低。,2,）高速低轉矩時運轉效率高；,3,）低速時有高轉矩，并有寬泛的速度范圍；,4,）易實現(xiàn)轉速超過,10000min,的高速旋轉。,5,）控制裝置的簡單化。,,,2.,缺點,異步電動機的局限性是，它的轉

16、速與其旋轉磁場的同步轉速有固定的轉差率，因而調速性能較差，在要求有較寬廣的平滑調速范圍的使用場合，不如直流電動機經濟、方便。,3.,異步交流電動機在新能源汽車上的應用,一般情況下，作為電動汽車專用的電動機，由于安裝條件受限，而且要求小型輕量化，因而電動機在,1000min,以上的高速運轉時，大多采用一級齒輪減速器實現(xiàn)減速。此外，由于震動等惡劣環(huán)境，低速狀態(tài)下需要高轉矩，并且要在較寬的速度范圍內具有恒輸出功率特性，所以，電動汽車用異步電動機與一般工業(yè)用的電動機不同，因此在設計上必須采用各種新方法，以達到電動汽車的需求。,,3.3.3,異步電動機的工作原理與運行性能,1.,異步電動機基本工作原理,

17、,將旋轉磁場轉速,n,1,稱為同步轉速，Δ,n=n,1,-n,稱為轉差，并將,s=,Δ,n/n,1,=(n,1,-n)/n,1,稱為轉差率。一般異步電動機運行時轉差率,s,在,3%,～,5%,之間，并與負載有關，當負載加大時轉差率也增加。,圖中三相繞組各自只畫了一個線圈，接通三相交沆電時將合成一對磁極。實際上定子三相繞組都不止一個線圈，而且根據(jù)線圈布置情況，實際可以形成多對磁極。磁極數(shù)越多，電機轉諫就慢。若設磁極對數(shù)為,p,，交流電頻率為,f1,，則它們與同步轉速,nl,的關系為,,,（,3-9,）,,,,,2,．異步電動,機的運行性能,（,1,）三相異步電機的基本分析,1,）電動機輸入與輸出

18、功率。電動機運轉時輸入的電功率為,（,3-10,）,,,,（,3-11,）,,,2,）定、轉子電路的電動勢與電流。,設定子每相繞組電動勢有效值為,E,，它與電源的電壓、頻率、每極磁通量等有如下關系：,,3,）轉,子的,轉,速、,轉,差,頻,率以及,電,磁,轉,矩。,將,轉,子,電,流,頻,率,f,2,稱為轉,差,頻,率，它等于,f,1,與轉,差率,s,的乘積,，即,,,,正是轉,子,電,流在磁,場,中受到力的作用，形成,電,磁,轉,矩，才能,帶動轉,子按照與旋,轉,磁,場,相,同的方向轉動,起來。,電,磁,轉,矩旋,轉,磁,場,的磁通Φ和,轉,子,電,流,I,2,的一般關,系,為,,（,3-1

19、4,）,4,）電動,機的幾,種,基本運行狀,態(tài)。電動,機空,載時,，,轉,子,轉,速相,對較,高，,轉,差率很低，可能小于,l%,。,,（,2,）三相異步電動,機的機械特性,,異步電動,機運,轉時轉,子,電,流在磁,場,中受力而,產,生的,轉,矩，稱,為電,磁,轉,矩,T,。,,,（,3,）異步電動,機的起,動,和制,動,1,）異步電動,機的起,動。,2,）異步電動,機的制,動。,,3.3.4,異步電動機的驅動控制系統(tǒng),1.,步電動,機的基本,調,速方法,為,了保持,電動,機良好的運行性能，在,調,速,過,程中，常將,調壓,和,調頻,兩,種,方法同,時進,行，,這種調,速方法稱,為變壓變頻,(

20、variable voltage and variable frequency),調,速，,簡,稱,VVVF,。,一般以額,定狀,態(tài),（,額,定,電壓,、,額,定,頻,率、,額,定,轉,速）,為,基準，將,調,速范,圍,大體分,為,兩個,階,段，如,圖所示。,,,,,1,）需要調,低,轉,速,時,，可以降低定子供,電頻率,f,1,，但若電,機端,電壓,U,1,不變,，,僅,降低,頻,率,f,時,，,為,了,維,持,電壓,與,電動勢,的平衡，,磁通成反比地增大，這,將,導,致磁,場過,度,飽,和，引起,電動,機功率因數(shù)下降和,發(fā)熱,，所以,還,要同,時,降低,電壓,，也就是使,U,l,／,f,1

21、,≈常數(shù)，以保持磁通Φ基本恒定。,,2,）當需要調,高,轉,速,時,，可以提高供,電頻,率,f,1,，但保持定子,電壓,U,1,，基本不變,，此,時,磁通,Φ將減小，電,磁,轉,矩丁也相,應,減小，而定、,轉,子,電,流基本不,變,。,,2.,常用的幾種電,源,變換電,路,通常用于異步電動,機,驅動,的,轉換電,路有三,種基本形式。,,3.,逆變,器的控制技,術簡,介,異步電動,機的,調,速控制，就是通,過對電動,機,電壓,、,電,流、,轉,速、,轉,矩等參數(shù)的,調節(jié),控制，,實現(xiàn)電動,機的平,穩(wěn),起,動,、大范,圍調,速以及回,饋,制,動,等運行性能要求。,,,,,（,1,）主電,路,包括整

22、流器和逆,變,器。,圖,中采用交一直一交,變頻,，功率,開關,管用的是,絕緣柵雙極型晶體管,(IGBT),。,（,2,）控制電,路,控制器采用數(shù)字信號,處,理器（,DSP,，有專,用的,處,理器,電,路模,塊,）,。,（,3,）傳,感器部分,包括,電,流,傳,感器（或稱,電,流,檢測,器）和,編碼,器等。,（,4,）交流異步電動,機,多采用鼠,籠,式異,步電動,機。,,,,,3.4,永磁,直流無刷電動機,3.4.1,永磁電動機分類,1.,永磁直流無刷電動機,具有直流電動機特性的無刷直流電動機，反電動勢波形和供電電流波形都是矩形波，所以又稱為矩形波同步電動機。,2.,永磁同步電動機,具有交流電動

23、機特性的無刷直流電動機，反電動勢波形和供電電流波形都是正弦波，所以又稱為正弦波同步電動機。,,3.4.2,永磁直流無刷電動機特點及應用,1.,永磁無刷直流電動機的主要優(yōu)點包,括：,（,1,）高效率,,（,2,）體積小,,（,3,）易控制,,（,4,）易冷卻,,（,5,）低廉的維護、顯著的長壽命和可靠性,,（,6,）低噪聲,,,2.,永磁無刷直流電動機主要缺點,（,1,）成本,,（,2,）有限的恒功率范圍,,（,3,）安全性,,,,（,4,）磁體退磁,,（,5,）高速性能,,（,6,）永磁無刷直流電動機驅動中的逆變器故障,,,3.,永磁無刷直流電動機在新能源汽車上應用,通過采用高能量的永磁體為勵

24、磁機構，永磁電動機驅動具有設計成高功率密度、高轉速和高效率電動機的潛力。這些顯著優(yōu)勢使其在電動汽車,( EV),和混合動力電動汽車,( HEV),中的應用令人矚目。在永磁電動機系列中，無刷直流,(BLDC),電動機驅動是應用于,EV,和,HEV,的最有希望的選擇對象。,,3.4.3,永磁直流無刷電動機結構,1,．永磁直流無刷電動機的轉子,永磁直流無刷電動機的轉子的永磁體多使用釹鐵硼等稀土永磁材料，結構上采用表面貼裝或嵌入式，在電動機中用永久磁鐵作磁極，可以省去勵磁繞組，使電機結構得以簡化。,,,,2,．無刷電機的定子,永磁無刷電動機的定子繞組與交流同步或異步電動機類似，也是多相繞組，但不一定是

25、三相，也可以采用兩相或四相等形式，其中以三相或四相繞組應用較多。,3,．電子換向電路,為了給定子繞組換向，需要接入電子換向電路。電子換向電路相當于前述功率變換電路或主電路，由若干大功率開關元件組成，開關元件的工作受轉子位置傳感器的控制。,電子換向電路由功率變換主電路和控制電路兩大部分組成，與前述逆變器電路類似。與逆變器不同的是，電子換向電路輸出的頻率不是獨立可以調節(jié)的，而是受控于轉子位置信號，所以電子換向電不具有變頻功能,。,,,,4,．轉子位置傳感器,轉子位置傳感器也叫轉子位置檢測器，與我們熟知的發(fā)動機曲軸位置傳感器類似，根據(jù)工作原理的不同可以有光電式、磁感應式以及霍爾式等。,,3.4.4,

26、永磁無刷電動機的基本控制原理,三相半控電路,三相半控橋控制的永磁無刷電動機工作原理如圖所示。,,,,,,,,2.,三相,全控電路,采用三相全控電路的無刷電動機定子也是三相繞組，繞組連接方式可以是,丫,形或△形。以下我們,丫,形接法為例介紹三相全控電路的工作原理，電路連接如圖所示。,,,,,,,3.5,永磁同步電動機,3.5.1,永磁,電動,機的,結,構,永磁同步電機的基本結構與交流異步電動機類似，都包括定子部分和轉子部分，如圖所示。,,1.,內置式永磁同步電動,機,內置式永磁同步電動,機按永磁體磁化方向可分,為,徑向式、切向式和混合式，在有阻尼,繞組,情況下如,圖所示。內置式永磁同步電動,機,

27、轉,子由于內部嵌入永磁體，容易,導,致,轉,子機械,結,構上的凸極特性。,,2.,外置式永磁同步電動,機,。,外置式永磁同步電動,機根據(jù)永磁體是否嵌入,轉,子,鐵心,中，可以分,為,面,貼,式和插入式,兩種電動,機，如,圖所示。,,面貼式永磁同步電動機的轉子永磁體一般為瓦片形，通過合成粘膠粘于轉子鐵心表面。,插入式永磁同步電動機的永磁體嵌入到轉子鐵心中，兩個永磁體之間的鐵心成為鐵磁介質突出的部分。,外置式永磁同步電動機的結構比內置式電動機簡單，并且制造容易，因而工業(yè)上應用較多。,,3.5.2,永磁同步電機的基本原理,,永磁同步電機的工作原理與永磁直流無刷電機一樣，當定子繞組輸入三相正弦交流電時

28、，會產生一個旋轉磁場。該旋轉磁場與轉子的永磁體磁場相互作用，使轉子產生電磁轉矩，并隨著定子的旋轉磁場轉動，由于轉子的轉動與旋轉磁場同步，故稱之為永磁同步電機。,,,,3.5.3,永磁同步電動機的特點,1.,永磁同步電動機與其他電動機相比，具有以下優(yōu)點,：,1,）以電子換向實現(xiàn)無刷運行，結構簡單，運行可靠。,2,）控制電源頻率就能控制電動機的轉速。,3,）低速動力性比較好；同時電動機最高轉速較高，能達到,10000r/min,。,4,）具有較硬的機械特性,5,）電動機可以在很低的轉速下保持同步運行，調速范圍寬。,6,）功率因數(shù)高，定子電流和定子銅耗小，效率高。,7,）體積小、質量輕。,,2.,永

29、磁同步電動機還存在以下缺點：,1,）增大定子的電流，增加電動機的銅耗。,2,）永磁電動機的磁鋼價格較高。,3,）永磁同步電機低速效率較低。,,3.5.4,永磁同步電機的控制方法,目前，三相同步電機主要有兩種控制方式，一種是他控式,(,又稱為頻率開環(huán)控制,),；另一種是自控式,(,又稱為頻率閉環(huán)控制,),。他控式方式主要是通過獨立控制電源頻率的方式來調節(jié)轉子的轉速，不需要知道轉子的位置信息，經常采用恒壓頻比的開環(huán)控制方案。自控式永磁同步電機也是通過改變外部電源的頻率來調節(jié)轉子的轉速，外部電源頻率的改變是和轉子的位置信息是有關聯(lián)的，轉子的轉速是通過改變定子繞組外加電壓,(,或電流,),頻率的大小來

30、調節(jié)的。,,矢量控制,,（,1,）,i,d,=0,控制,也稱為磁場定向控制。目前，在永磁同步電動機伺服系統(tǒng)中，,i,d,=0,矢量控制是主要的控制方式。通過檢測轉子磁極空間位置,d,軸，控制逆變器功率開關器件導通與關斷，使定子合成電流為位于,q,軸，此時,d,軸定子電流分量為零，永磁同步電動機電,磁,轉,矩正比于,轉,矩,電,流，即正比于定子,電,流幅,值,，只需控制定子,電,流大小就可以很好地,控制永磁同步電動,機的,輸,出,電,磁,轉,矩。,,（,2,）最大轉,矩／,電,流比控制,在,電動,機,輸,出相同,電,磁,轉,矩下使,電動,機定子,電,流最小的,控制策略稱為,最大,轉,矩／,電,流

31、比控制。,,最大轉,矩／,電,流比控制,實質,是求,電,流極,值問題,，可以通,過,建立,輔,助方程，采用牛,頓,迭,代法求解。但是，計算量較,大，在,實際應,用中系,統(tǒng)實時,性無法,滿,足，只有通,過,離,線計,算出,不同電,磁,轉,矩,對應,的交、直,軸電,流，以表的形式存放于,DSP,中，實際,運行,時,根據(jù),負載,情,況查,表求得,對應,的主,i,d,、,i,q,進,行控制。,,（,3,）弱磁控制,永磁同步電動,機弱磁控制思想來自他勵直流,電動,機,調,磁控制。,對,于他,勵直流電動,機，當其,電,樞端,電壓,達到最高,電壓時,，,為,使,電動,機能運行于更高,轉,速，采取降,低電動,

32、機勵磁,電,流的方法，以平衡,電壓,。在永磁同,步電動,機,電壓,達到逆,變,器所能,輸,出的,電壓,極限后，要想,繼續(xù),提高,轉,速，也要采取弱磁增速的,辦,法。,,,,但矢量控制本身也存在一定的缺陷：,1,）轉,子磁,鏈,的準確,觀測,存在一定的,難,度，,轉,子磁,鏈,的,計,算,對電動,機的參數(shù)有,較強戰(zhàn)依賴,性，因此,對,參數(shù),變,化,較為,敏感。,2,）由于需要進,行解耦運算，采用了矢量旋,轉變換,，系,統(tǒng)計,算比,較復雜,。,,,2,．直接轉,矩控制,PMSM,直接轉,矩控制系,統(tǒng),的原理,結,構,圖,，如,圖所示。實際,系,統(tǒng),中，,開關,信號是,由轉,矩和定子磁,鏈,的,給,

33、定,值,與反,饋值,的偏差,經,滯,環(huán),比,較,得到的,。而轉,矩和定子磁,鏈,的,給,定,值,是由,電,磁,轉,矩和定子磁,鏈,估算模型,計,算得到的。,,,,,3,．,智能控制,,采用智能控制方法的永磁同步電動機控制系統(tǒng)，在多環(huán)控制結構中，智能控制器處于最外環(huán)充當速度控制器，而內環(huán)電流控制、轉矩控制仍采用,PI,控制、直接轉矩控制這些方法。這主要是因為外環(huán)是決定系統(tǒng)的根本因素，而內環(huán)主要的作用是改造對象特性以利于外環(huán)的控制。各種擾動給內環(huán)帶來的誤差可以由外環(huán)控制或抑制。,,,3.6,開關磁阻電動機,,新能源汽車用的開關磁阻電動機是高性能一體化系統(tǒng)，主要由開關磁阻電動機、功率轉換器、傳感器和

34、控制器四部分組成，如圖所示。,,3.6.1,開關磁阻電動機結構,開關磁阻電動機的基本組成為轉子、電子和電子開關，如圖所示。,,,1.,轉,子,,開關磁阻電,機的,轉,子由,導,磁性能良好的硅,鋼,片疊,壓,而成，,轉,子的凸極上無,繞組,。開關磁阻,電,機,轉,子的作用是構成定子磁,場,磁通路，并在磁,場,力的作用下,轉動,，,產,生,電,磁,轉,矩。,,2.,定子,開關磁阻電機的定子鐵心也是由硅鋼片疊壓而成的，成對的凸極上繞有兩個串聯(lián)的繞組。定子的作用是定子繞組按順序通電，產生的電磁力牽引轉子轉動。,,,,3.6.2,開關磁阻電機工作原理,開關磁阻電動,機的工作原理示意如,圖所示。,,,開關

35、磁阻電動,機的磁阻隨著,轉,子磁,極與定子磁極的中心線對,準或,錯,開而,變化。因為電,感與磁阻成反比，所以當,轉子磁極在定子磁極中心線,位置,時,，相,繞組電,感最大；當,轉,子磁極中心,線對,準定,子磁極中心線時,，相,繞組電,感最小。,,,,3.6.3,開關磁阻電動機的運行特性,開關磁阻電動機運行特性可分為,3,個區(qū)域：恒轉矩區(qū)、恒功率區(qū)、自然特性區(qū)（串勵特性區(qū)），如圖所示。,,,3.6.4,開關磁阻電動機的特點,1.,開關磁阻電動機優(yōu)點,1,）調速范圍寬、控制靈活，易于實現(xiàn)各種特殊要求的轉矩一速度特性。,2,）制造和維護方便。,3,）運轉效率高,4,）可四象限運行，具有較強的再生制動能

36、力。,5,）結構簡單、成本低制造工藝也相對簡單。,6,）轉矩方向與電流方向無關，從而減少了功率轉換器的開關器件數(shù)，降低了成本。,7,）損耗小，損耗主要產生在定子，電動機易于冷卻。,8,）可靠參數(shù)多、調速性能好。,9,）適于頻繁起動、停止以及正反轉運行。,,2.,開關磁阻電動機缺點,1,）雖然結構簡單，但電動機的數(shù)學模型比較復雜，其準確的數(shù)學模型較難建立；,2,）由于開關磁阻動機磁極端部的嚴重磁飽和以及與溝槽的邊緣效應，使得開關磁阻電動機控制要求常高；,3,）開關磁阻電動機振動和噪聲較大，特別是在負載運行的時候；,4,）轉矩脈動現(xiàn)象較大；,5,）包括轉子位置檢測器的出線端，開關磁阻電動機的出線頭

37、相對較多。,,3.6.5,開關磁阻電動,機的控制,角度位置控制方式（,APC,）,角度位置制是，當加在繞組上的電壓一定的情況下，通過改變繞組上主開關的開通角θ,on,和關斷角θ,0ff,，來改變繞組的通、斷電時刻，調節(jié)相電流的波形，實現(xiàn)轉速閉環(huán)制。,根據(jù)電動勢平衡方程式可知，當電動機轉速較高時，轉電動勢較大，則此時電流上升率下降，各相的主開關器件的導通時較短，電動機組的相電流不易上升，電流相對較小，便于使用角度位置控制方式。,,據(jù)開關磁阻電動機的轉矩特性分析可知，當電流波形主要位于電感的上升區(qū)時，產生的平均電磁轉矩為正，電動機運行在電動狀態(tài)；當電流波形主要位于電感的下降段時，產生的平電轉矩為負

38、，電動機工作在制動狀態(tài)，而通過對開通角、關斷角的控制，可以使電流波形處在繞組電感形的不同位置。因此，可以用控制開通角、關斷角的方式來使電動運行在不同的狀態(tài)。,,2.,電流,斬波控制（,CCC,）,電流斬波控制一般不會對開通、天斷角進行控制，它將直接選擇在每相的特定導通位置對電流進行斬波控制。,日前常用的有兩種方案，一是對電流上、下限進行限制的控制；二是限制電流上限和恒定關斷時間的控制。,方案一中，主開天器件在θ,on,時導通，繞組電流將從零開始上升，當電流增至斬波電流的上限值時，切斷繞組電流，繞組求受反壓，電流迅速下降；當電流降至斬波電流的下限值時，繞組再次導通，重復上述過程，從面形成斬波電流

39、，直至達θ,0ff,時實現(xiàn)相關斷，如圖。,,,,3.,電壓控制（,VC,）,電壓控制,(VC),方式是保持開通角、關斷角不變的前提下，使功率開關器件工作在脈沖寬度調制,(PWM),方式。,按照續(xù)流方式的不同，該控制方式分為單管斬波和雙管斬波方式。,電壓控制的優(yōu)點在于，它通過調節(jié)繞組電壓的平均值進而調節(jié)電流，因此可用在低速和高速系統(tǒng)，且控制簡單，但它的調速范圍有限。,根據(jù)系統(tǒng)性能要求的不同，控制電路的具體結構形式會有很大差異，但一般均應包以下功能：,,1,）用于接收外部指令信號，如起動、轉速、轉向信號的操作電路；,2,）用于給定量與控制量相比較，并按規(guī)定算法計算出控制參數(shù)的調節(jié)量的調節(jié)器電路；,

40、3,）用于決定控制電路的工作邏輯，如正反轉相序邏輯、高低速控制方式的工作邏輯電路；,4,）用于檢測系統(tǒng)中的有關物理量，如轉速、角位移、電流和電壓的傳感器電路；,5,）用于當系統(tǒng)中某些物理量超過允許值時，采取相應保護措施的保護電路，如過電壓保護和過電流保護；,6,）用于控制各被控量信號的輸出電路，如控制功率開關器件的導通與關斷；,7,）用于指示系統(tǒng)的工作狀況和參數(shù)狀態(tài)顯示電路，如指示電動機轉速、指示故障保護情況的顯示。,,3.7,輪轂,電動機,3.7.1,輪轂電,機的,結,構,,輪轂電,機,驅動,系,統(tǒng),根據(jù),電,機的,轉,子形式主要分成兩種,結,構形式：內,轉,子式和,外轉,子式。內,轉,子式

41、,輪轂電,機采用高速內,轉,子,電,機，配,備,固定,傳動,比的減速器，,電,機的,轉,速通常高達,lOOOOr/min,。外轉,子式,輪轂電,機,則,采用低速外,轉,子,電,機，無,減速裝置，電,機的外,轉,子與,車輪,的,輪輞,固定或者集成在一起，,車輪,的,轉,速與,電,機,相同，電機的最高轉,速,為,1000-1500r/min,，如圖所示。,,,,3.7.2,輪轂電機技術的特點,1.,輪轂電機技術的優(yōu)點,如下：,（,1,）更方便的底盤布置，更靈活的供電系統(tǒng),,（,2,）更好的汽車底盤主動控制性能,,（,3,）更快的控制響應,,,（,4,）最優(yōu)的驅動力分配,,（,5,）更佳的駕駛舒適性

42、,,,2.,輪轂電,機技,術,的不足,如下：,1,）輪轂電,機增大了非簧,載質,量，,這,會,對,整,車,的操控,產,生一定的不利影響；,2,）雖,然,電,子制,動,可以,實現(xiàn),能量回收，但是其制,動,能力有限，所以,仍需要有液壓,制,動,系,統(tǒng),；,3,）對,密封有,較,高要求，同,時,在,設計,上也需要,為輪轂電,機,單,獨考,慮,散,熱,、防,水等問題,；,4,）目前，輪轂電,機關,鍵,核心元器件（如大功率集成模,塊,IGBT,、,IPM,等）以及控制器全部需要從國外進,口，,這對,于我國,電動,汽,車,以后的技,術擴,展和,產業(yè),化推,廣將帶,來一定的制,約,。,,3.7.3,輪轂電機

43、的驅動方式,,輪轂電,機使用,時,可分,為,減速,驅動,和直接,驅動,兩種,驅動,方式,。,,1.,采用減速驅動,方式,電,機一般在高速下運行，,選,用高速內,轉,子式,電,機。,減速機構放置在電,機和,車輪,之,間,，起到減速和增大,轉,矩的作用。,,2.,采用直接驅動方式,多采用外轉子式電機，為了使汽車能順利起步，要求電機在低速時能提供大的轉矩。,,3.7.4,輪轂電機應用的關鍵技術,1.,輪轂電機結構優(yōu)化問題,,由于車輪內部空間有限，驅動電機、制動系統(tǒng)、減速機構、控制系統(tǒng)的合理布置的難度增大。此外，輪轂電機驅動的電動汽車對驅動電機的功率密度性能要求高，同時輪轂電機工作環(huán)境惡劣，如何通過對輪轂電機結構的優(yōu)化和設計來保證輪轂電機安全、高效地運行將會是輪轂電機研究的重要方向。,,2.,輪轂電機電動汽車動力學控制問題,,輪轂電機電動汽車為驅動防滑與制動防抱死控制提供了更迅速、更精確的執(zhí)行器，但其對狀態(tài)估計的精度和控制算法的魯棒性要求也進一步提高。,3.,輪轂電機整車性能匹配問題,由于輪轂電機布置在輪轂內，在不平路面激勵下的輪胎跳動、載荷不均、安裝誤差等都將引起電機氣隙不均勻，輪轂電機引起的振動激勵會進一步惡化，同時會引起定轉子及相鄰部件的振動，這會給車輛的平順性和接地安全性帶來不利的影響。,,