电动汽车电机驱动系统及其控制技术的研究

精品文档 1欢迎下载 电动汽车电机驱动系统及其控制技术的研究电动汽车电机驱动系统及其控制技术的研究 2 2 电动汽车电机驱动系统分类与选择电动汽车电机驱动系统分类与选择 电动汽车驱动系统可以按照驱动电机的种类进行划分 可分为直流电机驱动电动汽车驱动系统可以按照驱动电机的种类进行划分 可分为直流电机驱动 系统 交流感应电机驱动系统 永磁同步电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系系统 交流感应电机驱动系统 永磁同步电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系 统等统等 2 12 1 直流电机驱动系统直流电机驱动系统 直流电动驱动系统是以直流电动机为驱动电机的电动汽车驱动系统 与直流直流电动驱动系统是以直流电动机为驱动电机的电动汽车驱动系统 与直流 驱动电机相匹配的变流器是斩波器 它将固定的直流电压变成可调的直流电压 驱动电机相匹配的变流器是斩波器 它将固定的直流电压变成可调的直流电压 调速方法主要是调压调速和调磁调速 调速方法主要是调压调速和调磁调速 直流电动机是最早应用于电动汽车驱动直流电动机是最早应用于电动汽车驱动 系统上的电动机 它结构简单 具有优良的电磁转矩控制特性 目前 直流电系统上的电动机 它结构简单 具有优良的电磁转矩控制特性 目前 直流电 机驱动系统仍然在城市无轨电车上广泛应用 由于直流电动机使用电刷结构 机驱动系统仍然在城市无轨电车上广泛应用 由于直流电动机使用电刷结构 使得它的转速 功率密度 使用寿命都受到了限制 同时它的重量和体积也较使得它的转速 功率密度 使用寿命都受到了限制 同时它的重量和体积也较 大 随着现代交流电动机调速方法的改进 交流电动机的调速性能已经赶上了大 随着现代交流电动机调速方法的改进 交流电动机的调速性能已经赶上了 直流电动机 作为驱动电机 直流电动机最终将被交流电动机所取代直流电动机 作为驱动电机 直流电动机最终将被交流电动机所取代 2 22 2 交流感应电机驱动系统交流感应电机驱动系统 交流感应电机又称异步电动机 最初由于电力电子技术以及调速方法的限制 交流感应电机又称异步电动机 最初由于电力电子技术以及调速方法的限制 它在电动汽车驱动系统中的应用并不被看好 随着现代电力电子技术的发展 它在电动汽车驱动系统中的应用并不被看好 随着现代电力电子技术的发展 大功率电力电子器件的出现 以及调速方法的改进 使得交流感应电机的调速大功率电力电子器件的出现 以及调速方法的改进 使得交流感应电机的调速 性能逐渐赶上并超过了直流电动机 目前交流感应电动机已经成为在工业应用性能逐渐赶上并超过了直流电动机 目前交流感应电动机已经成为在工业应用 中使用最为广泛的拖动电机 现在 虽然交流感应电机调速系统比较复杂 成中使用最为广泛的拖动电机 现在 虽然交流感应电机调速系统比较复杂 成 本较高 但是由于电机本身具有体积小 成本低 调速范围宽 响应快等优点 本较高 但是由于电机本身具有体积小 成本低 调速范围宽 响应快等优点 目前国内大部分电动汽车还是采用了交流感应电机驱动系统目前国内大部分电动汽车还是采用了交流感应电机驱动系统 相对于直流电动机而言 交流感应电动机的调速系统比较复杂 它的变流器相对于直流电动机而言 交流感应电动机的调速系统比较复杂 它的变流器 又称逆变器 由于蓄电池以直流的形式输出能量 所以要用蓄电池输出的能量又称逆变器 由于蓄电池以直流的形式输出能量 所以要用蓄电池输出的能量 来驱动交流感应电机 就必须将蓄电池输出的直流电进行变流处理 将其逆变来驱动交流感应电机 就必须将蓄电池输出的直流电进行变流处理 将其逆变 为交流电 逆变器的工作原理是通过电力电子器件的开关及合理的交流电路来为交流电 逆变器的工作原理是通过电力电子器件的开关及合理的交流电路来 将直流电逆变成交流电 现代电力电子技术的发展 为交流感应电机调速性能将直流电逆变成交流电 现代电力电子技术的发展 为交流感应电机调速性能 的改善提供了硬件条件 的改善提供了硬件条件 精品文档 2欢迎下载 2 32 3 永磁同步电机驱动系统永磁同步电机驱动系统 永磁同步电机又分为无刷直流电动机和无刷交流电动机 永磁同步电动机的永磁同步电机又分为无刷直流电动机和无刷交流电动机 永磁同步电动机的 转子磁链是不可控的 可以控制的只有定子绕组的电流 所以永磁同步电动机转子磁链是不可控的 可以控制的只有定子绕组的电流 所以永磁同步电动机 的控制方式一般是电流控制 它包括三部分 电流指令的生成 定子电流检测的控制方式一般是电流控制 它包括三部分 电流指令的生成 定子电流检测 和电流的闭环控制 不同的是无刷直流电动机的定子电流是三相方波电流 无和电流的闭环控制 不同的是无刷直流电动机的定子电流是三相方波电流 无 刷交流电动机的定子电流是三相正弦电流 刷交流电动机的定子电流是三相正弦电流 永磁同步电动机由于转子无导条 永磁同步电动机由于转子无导条 无铜耗 所以转子惯量可以做得很小 与普通直流电机和异步电机相比 它的无铜耗 所以转子惯量可以做得很小 与普通直流电机和异步电机相比 它的 功率密度大 体积小 转矩 惯量比大 传动系统动态响应快 但目前由于永功率密度大 体积小 转矩 惯量比大 传动系统动态响应快 但目前由于永 磁同步电动机价格较贵 调速范围也没有交流感应电机宽 所以应用范围还比磁同步电动机价格较贵 调速范围也没有交流感应电机宽 所以应用范围还比 较有限 国外对这两类电动机在电动汽车上的应用都有研究 而在国内 这类较有限 国外对这两类电动机在电动汽车上的应用都有研究 而在国内 这类 研究则相对较少 研究则相对较少 2 42 4 开关磁阻电动机驱动系统开关磁阻电动机驱动系统 开关磁阻电动机与直流电动机和交流电动机在结构上有很大的不同 它与反开关磁阻电动机与直流电动机和交流电动机在结构上有很大的不同 它与反 应式步进电动机相似 为双凸极可变磁阻电动机 其工作原理是基于电子绕组应式步进电动机相似 为双凸极可变磁阻电动机 其工作原理是基于电子绕组 通电后 其磁路选择最小磁阻路线的趋势而产生转矩的 通电后 其磁路选择最小磁阻路线的趋势而产生转矩的 开关磁阻电动机驱动开关磁阻电动机驱动 系统的核心是开关磁阻电动机 系统的核心是开关磁阻电动机 SRMSRM 随着新技术的不断更新和进步 开关磁 随着新技术的不断更新和进步 开关磁 阻电动机的潜力已经得到了越来越多人的认同 意大利的阻电动机的潜力已经得到了越来越多人的认同 意大利的 FIATFIAT 公司研制开发的公司研制开发的 电动轿车 以及中国第二汽车制造厂研制的电动客车都是采用开关磁阻电动机 电动轿车 以及中国第二汽车制造厂研制的电动客车都是采用开关磁阻电动机 SRMSRM 的显著优点主要有 结构简单 运行速度范围宽 运行十分可靠 在较宽的显著优点主要有 结构简单 运行速度范围宽 运行十分可靠 在较宽 的转速和转矩范围内效率很高 并且速度灵活可控 具有很高的起动转矩和较的转速和转矩范围内效率很高 并且速度灵活可控 具有很高的起动转矩和较 低的起动功率 容易维护 成本低 低的起动功率 容易维护 成本低 但是但是 SRMSRM 的缺点同样明显 开关磁阻电动的缺点同样明显 开关磁阻电动 机的噪声和振动比一般的电动机大 并且它涉及到电动机 电力电子 微机 机的噪声和振动比一般的电动机大 并且它涉及到电动机 电力电子 微机 控制 光电转换 角度测量等等多学科知识 结构比较复杂 控制系统要求也控制 光电转换 角度测量等等多学科知识 结构比较复杂 控制系统要求也 比较独特 感应电动机和永磁同步电动机的控制方法通常难以满足系统的控制比较独特 感应电动机和永磁同步电动机的控制方法通常难以满足系统的控制 要求 要求 3 3 电机驱动系统的控制策略电机驱动系统的控制策略 3 13 1 直流电机控制策略直流电机控制策略 直流电机驱动系统采用有刷直流电机 电机控制器一般采直流电机驱动系统采用有刷直流电机 电机控制器一般采 用斩波控制器控用斩波控制器控 制 斩波器既可用于控制电机的电枢电压 实现电机恒转矩调速 也可用于控制 斩波器既可用于控制电机的电枢电压 实现电机恒转矩调速 也可用于控 制励磁绕组电压 改变励磁电流 实现恒功率弱磁调速控制 在电机恒转矩特制励磁绕组电压 改变励磁电流 实现恒功率弱磁调速控制 在电机恒转矩特 性区 根据速度关系式 通常保持励磁电流不变 通过控制电枢电压来实现对性区 根据速度关系式 通常保持励磁电流不变 通过控制电枢电压来实现对 电机转速控制 在恒功率区 据转矩表达式 保持电枢电压不变 通过控制励电机转速控制 在恒功率区 据转矩表达式 保持电枢电压不变 通过控制励 磁电流实现对电机转矩和转速控制磁电流实现对电机转矩和转速控制 3 23 2 交流感应电机控制策略交流感应电机控制策略 目前 采用交流感应电机驱动系统的电动汽车主要有 美目前 采用交流感应电机驱动系统的电动汽车主要有 美 国通用公司的国通用公司的 EV 1EV 1 型电动轿车 美国福特公司生产的电动车大都采用交流感应电动机 如福型电动轿车 美国福特公司生产的电动车大都采用交流感应电动机 如福 特特 RANGEREVRANGEREV 福特 福特 HANKCITYHANKCITY 福特 福特 FocusFocus 四门车等等 四门车等等 交流感应电机的调速方法主要包括改变转差率调速 调压调速 变频调速 交流感应电机的调速方法主要包括改变转差率调速 调压调速 变频调速 变极对数调速等 其中以变频调速应用最为广泛 现代研究较多的调速方法有变极对数调速等 其中以变频调速应用最为广泛 现代研究较多的调速方法有 PWMPWM 调速 变频变压控制 调速 变频变压控制 VVVFVVVF 矢量控制 矢量控制 VCVC 和直接转矩控制 和直接转矩控制 DTCDTC 后两项技术自后两项技术自 2020 世纪末问世以来 在短短世纪末问世以来 在短短 2020 年时间里已经得到了很大的发展年时间里已经得到了很大的发展 和改进 文中仅对后两项技术进行介绍 和改进 文中仅对后两项技术进行介绍 矢量控制 矢量控制 VCVC 的基本原理是根据磁场定向原理分别对交流感应电动机的励磁 的基本原理是根据磁场定向原理分别对交流感应电动机的励磁 电流和转矩电流进行控制 从而达到控制电机转矩的目的具体是将电机的定子电流和转矩电流进行控制 从而达到控制电机转矩的目的具体是将电机的定子 精品文档 3欢迎下载 电流矢量分解为产生磁场的电流分量 励磁电流 和产生转矩的电流分量 转电流矢量分解为产生磁场的电流分量 励磁电流 和产生转矩的电流分量 转 矩电流 分别加以控制 并同时控制两分量间的幅值和相位 矢量控制方式又矩电流 分别加以控制 并同时控制两分量间的幅值和相位 矢量控制方式又 有最大效率矢量控制方式和无速度传感器矢量控制方式 对于一般的矢量控制有最大效率矢量控制方式和无速度传感器矢量控制方式 对于一般的矢量控制 系统 不管何种运行条件 其励磁电流都保持常数 结果在轻载时增加了铁耗 系统 不管何种运行条件 其励磁电流都保持常数 结果在轻载时增加了铁耗 率 这在轻载 水平路面的效率尤为重要 率 这在轻载 水平路面的效率尤为重要 直接转矩控制 直接转矩控制 DTCDTC 的蓬勃发展始于 的蓬勃发展始于 8080 年代后期 年代后期 9090 年代初期 一般文年代初期 一般文 献认为它由德国鲁尔大学的献认为它由德国鲁尔大学的 M DepenbrockM Depenbrock 教授和日本的教授和日本的 I TakahashiI Takahashi 于于 19851985 年首先分别提出的 它直接抓住电机输出特性 直接控制输出转矩 在控制思年首先分别提出的 它直接抓住电机输出特性 直接控制输出转矩 在控制思 想上与矢量控制不同的是直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间接控制电想上与矢量控制不同的是直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间接控制电 流 不需要复杂的坐标变换 因此克服了矢量变换控制的复杂运算缺点 具有流 不需要复杂的坐标变换 因此克服了矢量变换控制的复杂运算缺点 具有 结构简单 转矩响应快 计算简单以及对参数鲁棒性好等优点 但是它却是建结构简单 转矩响应快 计算简单以及对参数鲁棒性好等优点 但是它却是建 立在单一矢量 转矩和磁链的立在单一矢量 转矩和磁链的 Bang BangBang Bang 控制基础之上的控制方法 并且由于控制基础之上的控制方法 并且由于 电流的畸变不可消除 含有电流的畸变不可消除 含有 6 6 倍谐波成分 不可避免地造成了低速特性差 开倍谐波成分 不可避免地造成了低速特性差 开 关频率不固定以及转矩脉动大 限制了直接转矩控制在关频率不固定以及转矩脉动大 限制了直接转矩控制在 低速区的应用 尽管如低速区的应用 尽管如 此 直接转矩控制技术依然是目前为止最有发展潜力的交流感应电动机控制技此 直接转矩控制技术依然是目前为止最有发展潜力的交流感应电动机控制技 术 术 3 33 3 开关磁阻电动机控制策略开关磁阻电动机控制策略 开关磁阻电动机转矩 转速特性曲线如图开关磁阻电动机转矩 转速特性曲线如图 2 2 所示 由曲线可以看出当电机转所示 由曲线可以看出当电机转 速低于基速速低于基速 wbwb 时 电感时 电感 L L 很小 此时保持开通角很小 此时保持开通角 on on 和关断角和关断角 off off 不变 不变 电机工作在恒转矩区 这时采用电流斩波控制 如图电机工作在恒转矩区 这时采用电流斩波控制 如图 1 1 中第中第 1 1 段曲线 所谓电段曲线 所谓电 流斩波控制是指 在流斩波控制是指 在 on on 时 功率电路开关元件接通 称相导通 绕组电时 功率电路开关元件接通 称相导通 绕组电 流流 I I 从零开始上升 当电流达到峰值 斩波电流上限值 从零开始上升 当电流达到峰值 斩波电流上限值 itit 时 切断绕组电流时 切断绕组电流 称斩波关断 绕组承受反压 电流快速下降 经时间 称斩波关断 绕组承受反压 电流快速下降 经时间 t1t1 或电流降至规定值 或电流降至规定值 斩波电流下限值 时 重新导通 称斩波导通 重复上述过程 则形成斩 斩波电流下限值 时 重新导通 称斩波导通 重复上述过程 则形成斩 波电流波形 直至波电流波形 直至 off off 时实行相关断 电流斩波控制的实质就是控制绕组时实行相关断 电流斩波控制的实质就是控制绕组 电流的上下极限值 电流的上下极限值 从而实现对电机转矩和转速的控制 其主要特点是 比较适用于低速和制动运从而实现对电机转矩和转速的控制 其主要特点是 比较适用于低速和制动运 行 转矩相对平稳 但是系统在负载扰动下的动态响应十分缓慢行 转矩相对平稳 但是系统在负载扰动下的动态响应十分缓慢 4 4 结论结论 通过对电动汽车的各种驱动系统的分析比较 可以看出交流感应电动机由于通过对电动汽车的各种驱动系统的分析比较 可以看出交流感应电动机由于 结构坚固 体积小 质量轻 效率较高等优点已经得到了广泛的应用 而随着结构坚固 体积小 质量轻 效率较高等优点已经得到了广泛的应用 而随着 电子 通信技术的不断进步 永磁无刷直流电动机以其多方面的优点 必将获电子 通信技术的不断进步 永磁无刷直流电动机以其多方面的优点 必将获 得越来越多的使用空间