电机驱动系统

1、电动汽车 电机及其控制系统,主要内容 1、概述 2、四种常用电机及控制系统 3、存在的问题与研究方向,一、电机控制系统的构成,功率 变换器,电池,控制电路,电动机,控制器,电动机,控制器,交流电机控制器,控制电路,主电路,控制器中的CPU主控制板,二、电动汽车对电机控制系统的要求 1、优良的转矩控制性能； 2、宽广的调速范围； 3、宽范围的高效率运行区域； 4、高功率密度； 5. 优良的环境适应性和环保性； 6. 高可靠性； 7. 有竞争力的价格,三、电动汽车电机控制系统的主要类型,直流电机控制系统； 无刷直流电机控制系统； 异步电机控制系统； 开关磁阻电机控制系统,表.1 各种电机的特性比较

2、（摘自日本电气学会技术报告,表2 永磁同步电机与异步电机的特性比较,表2 永磁同步电机与异步电机的特性比较(续,四、直流电机及其控制系统,1.直流电机的结构 和原理（并联,特点： 1、励磁电流和电枢 电流可分别控制， 转矩控制性能好。 2、控制简单,2. 直流电机功率控制器斩波器,T2、D1电动运行； T1、D2 制动运行,4. 直流电机及其控制系统的优缺点,优点： 1. 直流电机转矩控制性能优良。 2. 控制简单，回馈控制容易。 3. 功率变换器结构简单，使用功率器件少。 4. 控制器效率高；功率密度高。 5. 控制器体积小，重量轻。 6. 控制器价格便宜,缺点： 1. 由于机械换向器和电刷

3、的存在导致的缺点： 电机转速低、体积大；需要维护；成本高,五、交流电机及其控制系统,1. 交流电机的主要类型,2. 交流电机 的定子结构,三相电枢绕组,3.三相交流电机功率变换器主电路构成,功率变换器主电路,交流电机电枢绕组,六、无刷直流电机控制系统,1. 系统构成,2.无刷直流电机与永磁同步电机差别,3.无刷直流电机工作原理,有6个定子空间磁势。 根据转子位置传感器检 测到的转子位置和要求 转向来决定产生哪一个 磁势。 产生的平均转矩最大,定子磁势拉转子磁势旋转，为了使平均转矩最大。 两者的平均空间电角度为900,4.无刷直流电机控制框图,PS,逻,辑,变,换,A,A,B,B,C,C,PWM

4、,输入,电动 “1,回馈制动 “0,a,a,b,b,c,c,驱动信号 输出,5. 无刷直流电机的电动、 回馈制动控制逻辑控制,转子位置 传感器,6. 无刷直流电机及其控制系统的优缺点,优点： 1. 具有直流电机的控制特性。 2. 控制相对简单。 3. 电机效率高，体积小,缺点： 1. 由于永磁材料贵，电机价格较贵。 2. 过热容易导致永久性失磁。 3. 弱磁运行较困难。 4. 需要转子位置传感器,七、异步电机及其控制系统,1. 异步电机变频调速原理,转子绕组中的电压、电流靠感应产生。 正常运行时，电机转速接近旋转磁场转速,2. 变频调速的主要控制方法,基于稳态的控制 变压变频控制（Variab

5、le Voltage Variable Frequency) 简称VVVF控制； 脉宽调节控制（Pulse Width Modulation) 简称PWM控制。 1. SPWM; 2. 电压空间矢量PWM； 3. 优化PWM; 4. 随机PWM; 5.,基于动态的控制：高性能的控制方法,转子磁场定向矢量控制（等效直流电机控制） （20世纪70年代，由德国西门子公司的F.Blaschke提出。） 1. 直接矢量控制； 2. 间接矢量控制,直接转矩控制 直接对转矩和磁链闭环控制。 （1985年德国学者 M.Depenbrock 首次提出。,3. 异步电机滑差频率控制框图,4. 异步电机矢量控制,等

6、效直流机模型的方程,转矩,控制如何实现,和,和,和,其中,矢量控制思路,最终控制定子磁场的幅值与空间位置来实现,5. 异步电机直接转矩控制,控制原理： 通过检测电机定子电压、电流，借助瞬时空间 矢量理论来计算电机的磁链和转矩。 给定的磁链和转矩分别与计算值比较，对差值 进行滞环调节（也称砰砰控制）。 再根据定子磁链的空间位置、磁链与转矩的调 节结果，来确定逆变器的开关信号,直接转矩控制框图,直接转矩控制的优缺点,优点： 电机模型在定子坐标系下，只需3/2变换。 观测的是定子磁链，受电机参数影响小。 强调对转矩的直接控制，所以转矩响应迅速,缺点： 低速时的转矩脉动。 由于没有电流闭环，容易产生过

7、流,八、开关磁阻电机控制系统,6/4极的开关磁阻电动机,1. 开关磁阻电机结构,定、转子为结构双凸结构。 定、转子齿满足错位原理， 即错开1/m转子齿距。 通电一周，转过一个转子齿。 需要转子位置传感器,开关磁阻电机的 转矩瞬时值正比于 电流的平方， 也正比于电感对转 子位置角的变化率,2. 开关磁阻电动机工作原理,靠磁通收缩产生转矩,3. 开关磁阻电机功率变换器主电路,A相,4. 开关磁阻电机及其控制系统的优缺点,主要优点： 1. 电机结构简单，制造容易。 2. 控制相对简单。 3. 控制器主电路不会出现直通现象,缺点： 1. 起动时的噪声脉动转矩较大。 2. 需要转子位置传感器,九、电机及

8、其控制系统的主要研究方向,电机与控制器一体化的优化设计研究 电机设计要考虑逆变器供电的特点：du/dt, 谐波。 逆变器设计要考虑电动汽车电机的特点：大过载。 安装空间有限，运行环境恶劣。 新的控制策略研究 更理想的转矩控制性能；更低的输出谐波含量， 更低的电机谐波损耗,高频软开关应用技术研究 用高频减小低速下的转矩脉动电磁噪声； 用软开关解决功率开关器件的开关损耗， 减小电磁干扰。 电机的新材料、新结构、新工艺 例如：永磁材料、非晶铁心、多极高频电机。 数字化控制技术和网络化通讯技术研究 系统的电磁兼容技术研究,十、一点国外的研究动态,尽管交流电机驱动是主流，每一种电机驱动 系统都有其生存的空间，并都在研究与发展,2、软换向技术 换向能量回收； 不要换向极； 无换向火花