第8章___交流伺服运动控制系统的典型案例分析3-4.doc

8.3 印刷线路板制作系统本节介绍线路板制作机的使用，该机器能根据PROTEL等的PCB文件快速、自动、精确地制作印刷电路板。用户只需在计算机上完成PCB文件的设计传送给机器，机器就能完成雕刻、钻孔、铣边的功能，加工出一块符合要求的印刷电路板。 在电子线路的设计中，印刷电路板的制作是最繁琐的。线路板制作机可以在几分钟内自动完成一张线路板的制作。这大大减轻了电子线路设计的工作量。 8.3.1 线路板制作系统 目前印刷电路板制作主要有两种工艺：化学腐蚀工艺和物理雕刻工艺。化学腐蚀工艺首先用难以腐蚀的物体覆盖在所需要的线路表面，然后整张线路板浸在腐蚀性液中，经过一段时间，把不必要的铜蚀去，经清洗、钻孔、烘干后便可制作成印刷电路板。保护层工艺大致分三种：油性丝网印刷、感光印刷和手工描板（或贴保护纸）。其中第一种工艺为批量生产工艺且精度低，不适合实验室用。第二种工艺目前市场上已有空白感光板出售，实用起来有点困难：一是曝光条件（需要黑暗操作），二是曝光及显影时间难控制，三是废水不好处理(重金属盐具有毒性)，四是制板后要清洗烘干，五是手工钻孔难以定位，甚至一不小心会使线路板报废，造成不必要的损失。图8-25印刷线路板制作系统线路板制作机事实上是一种数控钻铣床，另外也有人把它叫做三维雕刻机，如图8-25所示。在计算机的软件控制下，三个动作单元（分别为X、Y、Z轴的驱动电机）做相应的动作，驱动高速旋转的主轴电机按程序指令做相应的运动。主轴电机带动刀具切削工件，把工件加工成用户要求的形状。线路板制作机应用的技术就是物理上的雕刻工艺。在数控钻铣床的主轴上装一把尖刀，程序控制刀尖的运动把不必要的铜泊铣去，留下的部分就是所需要的线路板。然后，程序根据PROTEL PCB文件的KEEPOUT LAYER线条把线路板的外边框切割出来。当换上相应的钻头后，按“钻孔”键机器就自动把板上所标的孔钻出来，数控的精度，误差不大于1mil(0.0254mm)。由于采用物理工艺，做出来的板不经过由湿到干，由冷到热的过程，敷铜附着力较强。机械动作严格按指令执行，不用放大镜肉眼就可以判断线路板有无粘连，有无暗断。 软件操作比较简单，只需装好空白敷铜板，打开相应的PCB文件，按“雕刻”、“割边”、“钻孔”即执行相应操作。“放大”等按钮可预览当前使用的刀具是否能做出PBC文件一样的线路板，有时使用刀具刀尖太大可能引起有些线粘连，太小的刀具可能影响工作效率。刀具选择以略小于PROTEL所设置的安全距离为佳，操作前请检查主轴上所装的刀具是否程序所设定的刀具。原厂配有0.12mm，0.24mm，0.36mm，0.49mm，0.75mm，1.00mm刀具各几把，分别对应于安全距离为5mil，10mil，15mil，20mil，30mil，40mil的线路板，特殊刀具可要求原厂定制。8.3.2 德国LPKF快速PCB制作系统的工作原理下面简单介绍一种德国LPKF快速PCB制作系统的工作原理。LPKF快速PCB制作系统，用机械加工替代化学腐蚀，适合样品电路板快速制作和小批量、多品种PCB生产。 LPKF电路板刻制机采用CAD/EDA数据驱动，小巧紧凑，可以摆在电子设计师的工作台上，如图8-26所示，是制作电路板的CAM系统，配上LPKF孔金属化和层压设备后，可以在电子实验室内快速制作包括高精密度8层电路板在内的多种电路板，真正实现了以设计为核心，按需制作电路板。即：什么时候需要，就什么时候制作；怎么设计，就怎么制作。图8-26 德国LPKF快速PCB制作系统LPKF快速电路板制作系统工作原理是按下述程序进行。首先是数据处理，用Circuit CAM软件处理CAD/EDA数据，生成驱动电路板刻制机的加工数据。工作流程见图8-27所示：图8-27数据处理过程(数据导入、编辑及运算、数据输出)1. 数据导人将CAD/EDA系统生成的Gerber或DXF、HP-GL等格式的数据导入Circuit CAM中，显示在屏幕上。2. 编辑及运算 在Circuit CAM中，可根据需要对数据进行编辑和修改。因为数据中导线、焊盘所对应着的铜箔，需要留在电路板上，而其余部位的铜箔则需要被剥掉或通过铣制出的绝缘沟道与导线、焊盘隔离。Circuit CAM软件将根据选用的铣刀的粗细计算出导线、焊盘的包络线，作为电路板刻制机铣制绝缘沟道的路径。Circuit CAM还根据铣刀的直径计算出大面积剥除铜箔时刀具的运动轨迹。3. 数据输出加工数据生成后，Circuit CAM把它输出到机器驱动软件Board Master中。Board Master将控制刻制机对覆铜箔进行加工。其次是用电路板刻制机钻孔，见图8-28。取比所设计的电路板尺寸略大的覆铜箔板做为原料，先在覆铜箔板上钻两个定位孔，这两个定位孔是将来一系列加工的定位标准。刻制机上有可延X轴移动的定位销钉，调整定位销，使其插入定位孔中并将覆铜板固定在刻制工作台面上。图8-28 用电路板刻制机钻孔 用Board Mater给出钻孔命令，刻制机X、Y系统带动钻/铣头运动，到达指定位置后，装卡有钻头的高速马达向下运动，钻出孔。第三，孔金属化(用可靠、环保，简单的手段替代电路板工业复杂的金属化工艺)，见图8-29。将钻完孔的覆铜板从刻制机上取下，在孔金属化设备中通过物理和电化学手段在孔壁上沉积上金属铜，使覆铜板两面通过孔壁实现电气连接。孔金属化步骤：(1) 孔壁活化，在孔壁上物理沉积一层导电性物质，(2)电镀铜加厚，使孔壁铜层厚至能满足一定机械和电气指标。图8-29 孔金属化第四，焊接面电路图形雕刻(替代化学腐蚀)，见图8-30。用定位孔和定位销钉将完成孔金属化的板重新固定在机器的工作台，Board Master给出雕刻指令。线路铣刀随主轴马达高速旋转的同时，被X、Y系统带动沿导线、焊盘外轮廓运动。旋转的铣刀穿透铜箔，触及绝缘介质，在X、Y平面上运动的同时，切削掉遇到的铜箔，形成绝缘沟道。如果需要剥掉大面积的铜箔，则选用大直径铣刀。 8-30 焊接面电路图形雕刻第五，元件面电路图形雕刻(替代化学腐蚀将电路板翻面，见图8-31。用同样位置的定位销钉和定位孔将电路板固定在刻制机工作台上。电路板翻面后，Board Master软件会自动调整计算机内的图形，使其位置与覆铜箔板上已有的孔和图形相对应。通过Board Master给出加工指示，铣制出焊接面的绝缘沟道，剥掉不需要的铜箔。 8-31元件面电路图形雕刻最后透铣取下电路板，见图8-32。在Board Master中给出透铣外型指令，根据软件提示，在主轴电机卡头上换下侧面有刃的透铣铣刀，高速旋转的铣刀先向下运动，穿透电路板，然后被X、Y运动系统带动，沿电路板外轮廓线运动，把电路板与覆铜板其它部分分离。取下电路板，直接使用或贴阻焊膜、在焊盘上涂覆助焊材料后使用。 8-32 透铣取下电路板8.4 交流伺服运动控制系统在汽车传动与操纵中的应用8.4.1 电动汽车简介汽车（含各种以汽车为基础的作业车辆）作为一种交通工具，已经在交通运输、军事、工农业生产中发挥了越来越重要的作用。随着电力电子与电力传动技术的发展，能源结构问题和燃油汽车空气污染问题方面矛盾的日益突出，以及人们对汽车操纵舒适性要求的日益提高，通过电动方式实现汽车中的传动、调节和操纵已成为汽车的一个重要发展方向。汽车一般由底盘、司机室、作业装置（如车箱、车舱等）等三大部分组成，而底盘又由行走传动系、制动系、转向系、悬挂与减振装置等组成。汽车的动力可以考虑采用内燃机、车载电源（电池）、专用输电线路提供，目前大多数为第一种型式，第三种型式在城市交通的无轨电车和轨道交通中有比较普遍的应用。第二种型式就是电动汽车。电动汽车是指以车载电源作为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通和安全法规的车辆。电动汽车一定会代替燃油车作为车辆的主流。有两个理由：一是能源问题，二是污染问题。最多再过60年，我们现在所用的石油资源将枯竭，到那时候汽油车怎么办？据调查，2000年中国进口石油7000万吨，2005年后将超过1亿吨，相当于科威特一年的总产量，这说明中国现在对石油的依赖越来越大。还有就是众所周知的传统汽油车对大气造成的污染相当严重，尾气排放造成的空气污染目前已经占到整个污染源的一半以上。目前世界上空气污染最严重的10个城市中有7个在中国。电动汽车可以解决上述问题，因为电动汽车基本上不以汽油为直接燃料，能源利用率高，环境污染低，特别是立足于氢能基础上的燃料电池汽车，以氢为燃料，通过化学反应产生电流并排出水，能实现可循环利用和零排放。 现在，电动汽车已经被国家列入863计划。在电动车领域，国外政府和大企业已经起跑。近10年来，美国、欧洲、日本等国的政府和跨国公司已投入超过100亿美元开发研究包括燃料电池车在内的电动车。在电动汽车这一新的领域，中国与国外实际上已经处于相近的起跑线，技术水平与产业化的差距比较小。据专业人士预测，未来数十年，电池电动车、混合电动车和燃料电池电动车市场份额将以稳定的速度增长，而燃油汽车的市场份额将会逐渐减少，未来的汽车时代将是属于电动汽车的时代。现代电动汽车一般可分为三类： 纯电动汽车、混合动力汽车以及燃料电池汽车。从目前的研究情况看, 混合动力汽车在近期内最易商业化, 但无疑, 燃料电池汽车最具发展前景。纯电动汽车采用蓄电池作为车载电源驱动电机。混合动力汽车采用燃油发动机驱动的车载发电机与电池复合驱动电机，它可以采用能源管理机构进行管理，在城市及环保敏感地区，由电池组通过逆变器向电池供电；在公路上运距离行驶时由内燃发电机组通过变流器取代电池向逆变器-电机供电，同时给电池组进行补充充电；重负荷时，电池组与内燃发电机组同时供电。燃料电池汽车以燃料电池作为动力，相比蓄电池燃料电池储能密度高，一次充电续池距离长。目前，燃料电池的功率密度已超过1.1kW/L，对于一般城市公共汽车，采用碳吸附系统储备气态H2即可连续运行480km。大幅度降低燃料电池的生产成本和解决氢的制取、储存及携带问题是燃料电池车广泛使用的关键。 电动汽车对电气传动系统的要求是：（1）基速以下大转矩以适应快速起动、爬坡、加速、频繁启停等要求，基速以上小转矩、恒功率、宽范围以适应高车速公路行驶和超车等要求。（2）整个转矩/转速运行范围内的效率最优化，以谋求电池一次充电后的续驶距离尽可能长。一辆燃油汽车带50kg的汽油约可行驶700km，如改装为带400kg铅酸电池的电动汽车，则只能行驶100km。即使采用燃料电池目前也最多达到450km。虽然开发比能量更高的新型电池是最根本的解决办法，但降低电气传动系统的消耗也是非常重要的一环。（3）电机及电机控制装置结构坚固、体积小、重量轻、免维修火烧维修、抗颠簸振动。（4）操纵性能符合司机驾驶习惯，运行平稳、乘坐舒适，电气系统失效保障措施完善。比如，当电压命令信号线、电流反馈线或位置检测线断线或短路时，可能引起振幅达正负最大输出转矩的振荡，必须具备能及时发现此类事故的措施，并在一旦发现事故时，立刻切断电机的电源。（5）单位功率的系统设备价格尽可能低。目前电动汽车价格要高出燃油汽车一倍左右，每千瓦电气传动设备的价格约为10美元，应争取降到4美元。表8-3给出了一些主要厂家目前所生产的电动汽车的一些主要性能参数。表8-3 目前所生产的电动汽车类型及主要性能参数电动汽车的关键技术主要包括车身设计、驱动系统、能源系统和能量管理系统。要成功开发性能优良且价格能被市场接受的电动汽车, 必须对各子系统进行综合考虑, 系统优化。实践表明，能源系统和驱动系统是电动汽车最为关键的两个因素。8.4.2 电动汽车的驱动系统电动汽车的驱动系统是指通过电机通过传动装置驱动或直接驱动车轮的行驶系统。电动汽车采用电动机驱动,与内燃机汽车相比,具有下列优点:(1)不排放废气,噪声水平低;(2)电动机易于电子控制,几乎可以随意改变稳态特性,可简化甚至省去变速齿轮装置;(3)电动机可方便地实现四象限运行,不需要专门的可逆齿轮装置。由于能产生制动转矩,因而大大减小机械制动磨损;(4)电动机旋转对称,运行平稳,振动极小,且不存在使材料产生疲劳的高温,寿命长,维护工作量小。尽管从目前各大汽车公司推出的成品车来看,仍有采用直流电动机驱动控制的产品，如日本本田公司,采用的直流电动机功率达49 kW ,法国的雷诺公司、标致2雪铁龙公司,采用的直流电动机功率达2022 kW ,等，但现在随着电气传动技术的发展,交流感应电动机、交流永磁同步电动机、开关磁阻电动机的使用已占据主要地位（见表8-3）。交流伺服驱动由于其结构简单，功率质量比大加之矢量控制核变频技术的进步，必将成为电动汽车驱动系统的主流。1. 电动汽车驱动控制的特殊性电动汽车驱动控制系统,除了具有普通电气传动的共性外,还具有如下特殊性:(1)要求驱动电动机的功率质量比大、结构简单、坚固。这方面,交流感应电动机具有无可比拟的优越性;(2）汽车要适应各种路面,而路面状况复杂多变,平路表现为恒转矩负载,路面凹凸不平时则为不规则扰动,上下坡又表现为势能负载。路面有多复杂,负载就有多复杂,因此,要求驱动控制系统的负载适应能力要特别强。(3)要考虑速度响应的快速性与汽车运行安全性、乘坐舒适性以及能耗之间的矛盾,提出一种综合性能指标予以有效控制。这方面,日本日立公司开发的模糊自动火车运行系统的有关经验可作为借鉴,该系统在日本仙台城市地铁得到成功应用。(4)汽车控制系统安装在车上,干扰、振动不可避免甚至还可能受到事故性冲撞。因此,硬件设计上要采取屏蔽和隔离等措施,软件上要采用数字滤波和容错技术,以最大限度地减小复杂多变的电磁干扰影响;控制系统整体和其中各部件的安装,都要加固和进行防振投计,使系统在常规振动下能正常工作,发生事故性冲撞时,损坏最小。(5)驱动系统的机械特性为基速以下大转矩以适应快速起动、爬坡、加速、频繁启停等要求，基速以上小转矩、恒功率、宽范围以适应高车速公路行驶和超车等要求，即低速段恒转矩和中高速段恒功率特性，特性应能根据不同负荷率进行有级调节。2. 驱动系统的分类电动汽车的驱动系统由电气系统、变速装置和车轮组成, 其中变速装置根据需要选用。驱动系统的核心是电机系统, 由电机、转换器及控制器三部分组成。历史上, 由于从控制的方便的角度考虑, 用于电动汽车的主要是传统的直流电机系统。然而直流电机有机械换向装置, 必须经常维护。随着电力电子技术的发展, 交流调速逐渐取代直流调速。现代电动汽车常用的驱动系统有三种: 异步电机系统、永磁无刷电机系统和开关磁阻电机系统。(1)异步电机驱动系统异步电机已有100 多年的历史, 是应用面最广、生产量最大的电机。在市场上所有的中小型电机中约占75%。这种电机结构简单, 制造容易, 效率比直流电机高, 与永磁无刷电机、开关磁阻电机相比, 成本最为低廉, 但控制较为复杂。由于激磁电流和转矩电流不能象传统的直流电机分别予以控制, 因此在调速精度要求高的场所, 以前一般都使用直流电机。然而现代电力电子技术的飞速发展和控制方法的不断改进, 对异步电机的控制已经达到可与传统直流电机相媲美的地步了。目前, 比较理想和成熟的异步电机控制方法是矢量控制。异步电机的效率比永磁无刷电机和开关磁阻电机低, 尤其是低速和轻载时较为突出。但可以采用更为先进的控制方式以提高系统的综合效率。该控制技术的核心即汽车在水平路面低速行驶时, 可适当降低励磁以降低电机铁耗,提高效率。在任何负载下, 通过控制, 总令电机的不变损耗与可变损耗相等, 以使电机的效率处于最佳状态。总的说来, 异步电机系统的综合性价比具有一定的优势, 尤其是异步电机的高可靠性、免维护、成本低廉的优点, 使其成为电动汽车驱动系统的首选方案。(2)永磁无刷电机驱动系统永磁无刷电机依馈电是方波还是正弦波, 分为无刷直流电机和永磁同步电机。永磁无刷电机驱动系统相比之下, 效率高, 质量轻, 体积小, 也无需维护。我国是盛产永磁材料的国家, 尤其象钕铁硼等稀土材料资源丰富。因而电动汽车中也有一定的使用。与异步电机相比, 永磁无刷电机成本较高, 可靠性和使用寿命也较差, 同时永磁体还存在失磁的可能。另外, 制造工艺也比异步电机复杂。在控制上, 由于永磁体的存在, 弱磁控制有一定的难度。因此限制了这种电机系统在电动汽车的大量使用。永磁无刷电机最大的特点就是效率高, 这对提高汽车的一次续驶里程意义重大。随着永磁材料性能的不断提高和永磁的产业化, 以及永磁电机宽调速方法的进步, 永磁无刷电机系统的前景看好。(3)开关磁阻电机驱动系统开关磁阻电机是20世纪70 年代开始发展起来的一种新型装置。该电机转子没有绕组, 做成凸极,结构简单, 可靠性高, 快速响应好, 效率与异步电机相当。由于转子无绕组, 该电机系统特别适合频繁的正反转及冲击负载等工况。开关磁阻电机系统驱动电路采用的功率开关元件较少, 电路简单, 能较方便地实现宽调速和制动能量的反馈。因此, 这种系统在电动汽车中亦有一定的应用。其缺点主要在于其结构带来的噪音和振动较大。 通过对几种常用驱动系统的分析比较, 可以看出, 传统的直流电机系统将退出电动汽车领域是必然的。从目前世界各国电动汽车所采用的驱动系统来看, 欧美国家多用异步电机。但永磁无刷电机和开关磁阻电机亦有使用。从目前的情况来说, 异步电机依然是最为适合的。随着电力电子技术的日益成熟和控制方法的不断进步, 异步电机系统结构坚固的优点将特别突出, 而其不足将随控制方法的不断改进得到弥补。长远看, 永磁无刷电机在电动汽车上会有较好的应用。随着稀土永磁材料作为一个行业不断发展壮大, 不论是成本, 还是性能, 永久磁钢都有长足的进步。而多年来对永磁无刷电机的研究, 也使得其制造方法和性能都得到了发展。因此, 可以预言, 永磁无刷电机在电动汽车中的应用前景广阔。值得一提的是, 电动汽车对系统效率的高要求,双三相永磁无刷电机系统更加适合。3. 驱动控制方法驱动控制的中心任务是控制速度。其运动方程是 (8-9)式中, Tem 为电磁转矩; TL 为负载转矩; J 为机组转动惯量; 为电动机角速度; t 为时间。由式(8-9) 可知,要控制速度,关健在于快速、准确地控制电磁转矩Tem 。根据直流电动机的电磁转矩表达式Tem = KIf Ia ，式中, K为常数； If 为电动机励磁电流； Ia 为电动机电枢电流，保持励磁电流If 不变,控制电枢电流Ia 就可控制Tem 。对于交流感应电动机, 结构简单, 坚固耐用,很适合汽车工况,但电磁转矩存在强耦合, 不易控制, 过去一般当作恒速设备使用。现在随着控制理论和新型控制器件的发展,使用交流感应电机基于矢量控制和PWM等组成的高性能调速系统从技术上讲已经成熟。目前电动汽车驱动系统主要采用VVVF（变压变频控制）、转差频率控制和矢量控制三种变频调速技术。(1)VVVF变频调速VVVF基于交流电机的稳态特性通过调节同步频率（电源频率）来实现调速的。根据交流电机理论，电机的电磁转矩公式为： (8-10)式中，为电机定子边感应电动势，和为折算到定子边转子的等效电阻和等效感抗，为定子供电角频率，为转差率。从式(8-10)可以求得电机堵转转矩和最大转矩分别为 (8-11) (8-12)式（8-12）当时成立。从式(8-10)可知，当转差率较低即时，转矩特性接近线性即电磁转矩与转差率成正比，在近似直线段上有；当转差率接近1时，转矩特性曲线是对称原点的双曲线函数。如果维持=常数，即气隙磁通等于常数，则此时改变电源频率，机械特性为沿转速轴平移的直线，最大电磁转矩不变。实际上，低速时定子感抗的影响不能忽略，必须对定子边电压进行补偿，以确保带载能力不下降。这就是恒压频比变频调速，一般在基速以下使用。对于基速以上，电压调高将受气隙磁通饱和及电机功率的限制，一般保持定子边电压不变进行变频调速，这时近似获得恒功率的特性。电机VVVF调速方块图如图8-33所示。图8-33电机VVVF调速恒压频比调速式一种开环静态调速，不能够对变化的负载转矩进行实时调速。它可以用于启停不频繁和路面负载变化不大的电动汽车驱动系统。(2)转差频率调速当交流感应电机稳定运行时，很小，只有0.020.05，近似同步转速，这时由电磁转矩公式近似可得 (8-13)上式近似成立的条件是 。从(8-13)可以看出，当给定和恒压频比条件满足时，可以近似获得恒转矩特性；当给定和恒压条件满足时，近似获得恒功率特性。如果改变，可以进行负荷调节，这是汽车行驶系所期望的特性，如图8-34所示。横坐标：转速n/ (1000 rmin-1)纵坐标: 输出转矩 T/ (Nm)图中各曲线的标注为n=349, n=91, n=52图8-34 汽车行驶转矩-转速特性在转差频率控制回路中，必须同时控制两个变量：一个是转差频率；另一个是定子电流。此外，还需满足最大转差频率的限制。频率转差控制的框图如图8-35所示。图8-35 频率转差控制方块图与恒压频比驱动系统相比，它加进了利用转差频率的转矩调节，动态特性有所改善，但由于其原理基于转矩稳态特性，仍不能达到直流电机那样的高动态性能。(3)矢量控制调速对于交流感应电动机,经过复杂的坐标变换,可得取MT（转子旋转磁场定向）为d-q 轴的旋转坐标系下的电磁转矩表达式,即 （8-14）式中, 为电磁转矩； 为磁极对数; Lm 为定子和转子间等效互感; 为转子等效电感;为转子磁链幅值；为定子电流交轴分量。这与直流电动机的转矩表达式形式相同,可以像控制直流电动机那样控制交流感应电动机。从式（8-14）可以看出，通过矢量变换可以把交流感应电机转矩控制分解成转子磁链和定子交轴分量的控制。式（8-14）是从固定磁阻电机理论推导得出的，在瞬态情况下也成立，所以矢量控制可以用于对动态特性要求较高的电气伺服控制系统。对于用于以城市交通为目的客车和轿车，启/停频繁，要求加减速迅速，采用矢量控制技术是合适的。 感应电机矢量控制系统的基本理论见本书第4章的相关内容，其中磁链观测、矢量控制器和电流跟踪是技术实现的关键。目前前两部分工作大多基于DSP实现。电动汽车矢量控制驱动系统方块图如图8-36所示。它由交流感应电机，控制系统（含传感器、控制器和变频器等），减速机构等组成。控制系统的功能主要是控制转换为机械能的动态过程。控制系统接受加速踏板、刹车、“P、D、R、N” （停车、前进、倒车、空档）等信号，经过处理，输入到变频器，控制逆变器的功率输出，实现控制电机的转矩和转速，再经过机械传动装置驱动车轮。具体控制过程是：驾驶员操纵信号速度通过和电机驱动车轮转速进行比较，偏差信号通过控制器产生转子磁场定向坐标系下解耦的两相电流指令，然后通过矢量逆变换产生静止两相电流指令，再进行两相/三相变换得到定子三相交流电流指令，变频器按照三相交流电流指令中的幅值和频率两个方面把电池供给的直流电转换为驱动所需的交流电，以驱动电机并最后驱动车轮。磁链观测器的作用为计算出转子磁链的幅值和相位，以作为磁链定向的依据。此外电动汽车通常是工作在低速至高速之间的一个很宽的速度范围，为了避免磁路饱和并提高效率，一般在基频以下进行恒磁控制，在基频以上使磁链和转速成反比变化，以获得恒功率特性。图8-36 矢量控制交流驱动系统按转子磁场定向的矢量控制系统是最适合汽车驱动系统使用的调速系统，其控制器设计方便，调速范围宽。不足之处是电机控制性能受电机参数变化的影响，目前结合现代控制理论，这方面的研究工作很多，但投入实际应用的不多。8.4.3 电动汽车的布置方式从已有的电动汽车类型来看，可分为纯电动汽车和混合动力电动汽车两大类。纯电动汽车的布置方式大体上有：单台电机通过减速器及差速器驱动前（或后）轮轴；两台电机通过减速机及差速器共同驱动前（或后）轮轴；两台电机通过减速机及差速器，一台驱动前轮轴，另一台驱动后轮轴；共同驱动前（或后）轮轴； 单个轮子独用带减速器的电机驱动，汽车可以两轮或四轮驱动；车轮电机直接驱动，电机直接装在车轮轮箍内，电机可以做成外转子式，不带减速器，也可做成带减速器的紧凑型结构。混合动力汽车的布置大体有以下两种。 （1）串联复合方式。电机通过减速器及差速齿轮驱动前（后）轮轴，燃油发动机带交流发电机独立安装（图8-37）。在环保敏感地区，由电池组通过逆变器向电机供电；在公路上高速远距离行驶时，由内燃发电机组通过变流器取代电池组向逆变器-电机供电，同时给电池组进行补充充电；重负荷时，电池与发电机同时供电。 （2）同轴并联复合方式。电机通过减速器及差速齿轮驱动前（后）轮轴，燃油发动机通过自动离合器与电机同轴安装（图8-38）。在车辆启动时或在市区行驶时，只有电池组通过逆变器向电机供电；在公路上行驶时，离合器接通，由内燃机负责驱动轮轴，此时电机作为发电机运行，通过逆变器给电池补充充电；高速重负荷行驶时，电动机与内燃发动机同时驱动轮轴，以提高总驱动功率。有时，在发动机轴上装有一个小的发电机，用于在汽车静止时的电池补充充电。图8-37 串联混合动力电动汽车布置 图8-38 并联混合动力电动汽车8.4.4 基于交流伺服控制的电动助力转向系统电动助力转向（EPAS,Electric Power Assisted Steering）是指依靠电动机来提供助力，助力大小受电子控制单元（ECU）控制，其系统构成如图8-39 所示。与传统液压动力转向相比，EPAS 能节约燃料，提高安全性，且有利于环保，是一项紧扣现代汽车发展主题的新技术，有逐步取代传统液压动力转向的趋势。助力控制是EPAS的基本控制策略，并决定EPAS的助力特性。电动助力转向系统包括信号传感装置(含扭矩传感器和车速传感器) ,转向助力机构(电机、离合器、减速传动机构) 及电子控制装置三部分。图8-39 电动助力转向系统在轿车上的布置电动助力转向系统的工作原理是：电动机仅在需要转向助力时工作。驾驶员在操纵方向盘时,扭矩传感器根据力的大小产生相应的电压信号,车速传感器检测到车速信号,控制单元根据电压和车速的信号,给出指令控制电动机运转,从而产生所需的转向助力，提高操纵的轻便性。电动助力转向系统所用的电动执行元件可以是直流永磁伺服电机，直流无刷伺服电机或交流永磁同步伺服电机。目前大多采用第一种电机，将来将逐步被直流无刷伺服电机或交流永磁同步伺服电机代替。1. 系统结构扭矩传感器：一般采用差动变压器式扭矩