电动汽车的驱动系统控制

1、电动汽车的驱动系统控制电动汽车的驱动系统控制扬州大学机械学院扬州大学机械学院制作人：蒋铮制作人：蒋铮校对人：郝飞校对人：郝飞演讲人：耿龙伟演讲人：耿龙伟导师：秦永法副教授导师：秦永法副教授Page 2内容摘要内容摘要一、电动汽车概述一、电动汽车概述二、电动汽车结构布置及驱动形式二、电动汽车结构布置及驱动形式三、电动汽车驱动系统控制技术三、电动汽车驱动系统控制技术Page 3电动汽车概述电动汽车概述 一、电动汽车概述一、电动汽车概述 1 1、燃油汽车面临的问题、燃油汽车面临的问题 2 2、电动汽车国内外发展概况、电动汽车国内外发展概况 Page 4燃油汽车面临的问题燃油汽车面临的问题 城市大气污

2、染日趋严重城市大气污染日趋严重 据估计，美国大气污染物中42来自汽车排放，造成损失每年达2290亿美元。 在中国华东、华北的大城市大气中, 70%的污染物来自汽车排放; CO88%, NOx80%, HC90%来自汽车排放，大气污染造成的损失每年达500亿美元，全球污染最严重的20个城市中，10个在中国。 石油资源面临枯竭威胁石油资源面临枯竭威胁 石油资源有限, 不可再生 , 按目前探明的储量和开采的速度 还能用4050年。Page 5电动汽车国内外发展概况电动汽车国内外发展概况n美、德、日、法这几个全球汽车工业发达的国家，到目前为止都已分别研制出各类的电动汽车，其美、德、日、法这几个全球汽车

3、工业发达的国家，到目前为止都已分别研制出各类的电动汽车，其中包括大客车、轻型客车、轿车和电动摩托车。美国是世界上对污染限制最严格的国家，目前在电中包括大客车、轻型客车、轿车和电动摩托车。美国是世界上对污染限制最严格的国家，目前在电动汽车研制方面，美国处于领先地位。美国采取政府干预，以能源部为中心在动汽车研制方面，美国处于领先地位。美国采取政府干预，以能源部为中心在19891992年投入年投入1亿多美元，对电动汽车进行了大量的研究和开发，亿多美元，对电动汽车进行了大量的研究和开发，1995年有年有1万辆电动汽车投入使用；德国早在万辆电动汽车投入使用；德国早在1972年就以年就以“电动道路交通协会

4、电动道路交通协会”为中心，在联邦政府的支持下开展电动汽车的开发试验工作，为中心，在联邦政府的支持下开展电动汽车的开发试验工作，目前已制造出几百辆电动汽车投入使用；日本于目前已制造出几百辆电动汽车投入使用；日本于1972年成立年成立“日本电动汽车协会日本电动汽车协会”，日本政府制，日本政府制定了鼓励电动汽车开发与应用的政策，定了鼓励电动汽车开发与应用的政策，1978年，为了促进电动汽车的推广应用，日本电动汽车协年，为了促进电动汽车的推广应用，日本电动汽车协会制订了会制订了“电动汽车试用制度电动汽车试用制度“，每年向使用者提供使用费。试用的电动汽车主要用于公司、政府，每年向使用者提供使用费。试用的

5、电动汽车主要用于公司、政府下属机构、公园的事物联络车、服务车等，试用地区遍布日本各地；法国很早就在城市环卫部门试下属机构、公园的事物联络车、服务车等，试用地区遍布日本各地；法国很早就在城市环卫部门试用电动汽车，目前巴黎已有数百辆电动汽车在运行，全法国则有上千辆电动汽车在试运行，法国环用电动汽车，目前巴黎已有数百辆电动汽车在运行，全法国则有上千辆电动汽车在试运行，法国环境能源厅对电池的研究开发及电动汽车的试验给予了资助，地方政府对购买电动汽车的用户提供一境能源厅对电池的研究开发及电动汽车的试验给予了资助，地方政府对购买电动汽车的用户提供一定数量的保证金，以鼓励电动汽车的推广。除汽车工业发达国家外

6、，其他国家也非常重视电动汽车定数量的保证金，以鼓励电动汽车的推广。除汽车工业发达国家外，其他国家也非常重视电动汽车的开发，并取得了相应成效，加拿大、奥地利、瑞典、韩国等国都投入巨资研制新一代电动汽车，的开发，并取得了相应成效，加拿大、奥地利、瑞典、韩国等国都投入巨资研制新一代电动汽车，以期解决能源和城市环境状况。以期解决能源和城市环境状况。n上世纪上世纪80年代初，我国就开展了电动汽车研究，曾被列入国家八五规划。目前，我国政府也极为年代初，我国就开展了电动汽车研究，曾被列入国家八五规划。目前，我国政府也极为关注开发电动汽车的各项关键技术，并以产业化为最终目标，先后将电动汽车列入关注开发电动汽车

7、的各项关键技术，并以产业化为最终目标，先后将电动汽车列入“九五九五”攻关重攻关重大项目以及大项目以及“863”重大专项。值得指出的是，我国的电动汽车技术与其他国家相比较，差距不甚重大专项。值得指出的是，我国的电动汽车技术与其他国家相比较，差距不甚明显，有些技术还有优势，如在应用于电动汽车的多种类型的驱动电机及其控制技术方面即有某些明显，有些技术还有优势，如在应用于电动汽车的多种类型的驱动电机及其控制技术方面即有某些特定优势。特定优势。Page 6电动汽车结构布置及驱动形式电动汽车结构布置及驱动形式二、电动汽车结构布置及驱动形式二、电动汽车结构布置及驱动形式1 1、电动汽车基本结构、电动汽车基本

8、结构2 2、电驱动的结构形式、电驱动的结构形式3 3、单电动机和多电动机驱动形式、单电动机和多电动机驱动形式4 4、轮毂电动机驱动形式、轮毂电动机驱动形式 Page 7电动汽车基本结构电动汽车基本结构n 1.电动汽车基本结构电动汽车基本结构 电动汽车系统三大子系统：电力驱动子系统、主能源子系统和辅电动汽车系统三大子系统：电力驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统助控制子系统典型电动车的基本结构典型电动车的基本结构双线表示机械连接，粗实线表示电气双线表示机械连接，粗实线表示电气连接，细实线表示控制信号连接，箭连接，细实线表示控制信号连接，箭头表示电功率和控制信号流动的方向头表示电功率和控制信号

9、流动的方向Page 8电动汽车基本结构电动汽车基本结构n 电力驱动子系统：由电控单元、功率转换器、电动机、机械传动装置电力驱动子系统：由电控单元、功率转换器、电动机、机械传动装置和驱动车轮组成和驱动车轮组成n 主能源子系统：由主电源、能量管理系统和充电系统构成主能源子系统：由主电源、能量管理系统和充电系统构成n 辅助控制子系统：具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能辅助控制子系统：具有动力转向、温度控制和辅助动力供给等功能 根据从制动踏板和加速踏板输入的信号，电子控制器发出相应的根据从制动踏板和加速踏板输入的信号，电子控制器发出相应的控制指令来控制功率转换器的功率装置的通断，功率转换器的功

10、能是控制指令来控制功率转换器的功率装置的通断，功率转换器的功能是调节电动机和电源之间的功率流。当电动汽车制动时，再生制动的动调节电动机和电源之间的功率流。当电动汽车制动时，再生制动的动能被电源吸收能被电源吸收i，此时功率流的方向要反向。能量管理系统和电控系，此时功率流的方向要反向。能量管理系统和电控系统一起控制再生制动及其能量的回收，能量管理系统和充电器一同控统一起控制再生制动及其能量的回收，能量管理系统和充电器一同控制充电并监测电源的使用情况。辅助动力供给系统供给电动汽车辅助制充电并监测电源的使用情况。辅助动力供给系统供给电动汽车辅助系统不同等级电压并提供必要的动力，它主要给动力转向、空调、

11、制系统不同等级电压并提供必要的动力，它主要给动力转向、空调、制动及其它辅助装置提供动力。除了从制动踏板和加速踏板给电动汽车动及其它辅助装置提供动力。除了从制动踏板和加速踏板给电动汽车输入信号外，转向盘输入也是一个很重要的输入信号，动力转向系统输入信号外，转向盘输入也是一个很重要的输入信号，动力转向系统根据转向盘的角位置来决定汽车灵活地转向。根据转向盘的角位置来决定汽车灵活地转向。Page 9电驱动的结构形式电驱动的结构形式n 2.电驱动的结构形式电驱动的结构形式 采用不同的电力驱动系统可构成不同结构形式的电动汽车。根据电力采用不同的电力驱动系统可构成不同结构形式的电动汽车。根据电力驱动系统的不

12、同，电动汽车分为以下六种情况驱动系统的不同，电动汽车分为以下六种情况C-离合器；离合器；D-差速器；差速器；FC-固定器；固定器；CB-变速器；变速器；M-电动机电动机电驱动的结构形式电驱动的结构形式Page 10电驱动的结构形式电驱动的结构形式（a)由发动机前置前轮驱动的燃油车发展而来，他由电动机、离合器、齿轮箱和差由发动机前置前轮驱动的燃油车发展而来，他由电动机、离合器、齿轮箱和差速器组成，离合器用来切断或接通电动机到车轮之间传递动力的机械装置，变速器速器组成，离合器用来切断或接通电动机到车轮之间传递动力的机械装置，变速器是一套具有不同速比的齿轮机构，驾驶员可选择不同的变速比，把力矩传给车

13、轮。是一套具有不同速比的齿轮机构，驾驶员可选择不同的变速比，把力矩传给车轮。在低速挡时，车轮获得大力矩低转速；在高速挡时，车轮获得小力矩高转速。汽车在低速挡时，车轮获得大力矩低转速；在高速挡时，车轮获得小力矩高转速。汽车在转弯时，内侧车轮的转弯半径小，外侧车轮的转弯半径大，差速器使内外车轮以在转弯时，内侧车轮的转弯半径小，外侧车轮的转弯半径大，差速器使内外车轮以不同转速行驶。不同转速行驶。Page 11电驱动的结构形式电驱动的结构形式n （b)由电动机、固定速比的减速器和差速器组成电力驱动系统。这种结构的由电动机、固定速比的减速器和差速器组成电力驱动系统。这种结构的电动汽车由于没有离合器和可选

14、的变速挡位，不能提供理想的转矩电动汽车由于没有离合器和可选的变速挡位，不能提供理想的转矩/转速特性，转速特性，因而不合适于使用发动机的燃油汽车。因而不合适于使用发动机的燃油汽车。Page 12电驱动的结构形式电驱动的结构形式n (c)这种结构与发动机横向前置、前轮驱动的燃油汽车的布置方式类似，它把这种结构与发动机横向前置、前轮驱动的燃油汽车的布置方式类似，它把电动机、固定速比减速器和差速器集成为一个集体，两根半轴连接驱动车轮，电动机、固定速比减速器和差速器集成为一个集体，两根半轴连接驱动车轮，这种结构在小型电动汽车上应用最普遍。这种结构在小型电动汽车上应用最普遍。Page 13电驱动的结构形式

15、电驱动的结构形式n （d）图示的电动机结构就是采用两个电动机通过固定速比的减速器分别驱动）图示的电动机结构就是采用两个电动机通过固定速比的减速器分别驱动两个车轮，每个电动机的转速可以独立地调节控制，便于实现电子差速，因此，两个车轮，每个电动机的转速可以独立地调节控制，便于实现电子差速，因此，电动汽车不必选用机械差速器。电动汽车不必选用机械差速器。Page 14电驱动的结构形式电驱动的结构形式n （e）电动机也可以装在车轮里面，称为轮毂电动机，可进一步缩短从电动机）电动机也可以装在车轮里面，称为轮毂电动机，可进一步缩短从电动机到驱动轮的传递路径，为了将电动机转速降低到理想的车轮转速，可采用固定到

16、驱动轮的传递路径，为了将电动机转速降低到理想的车轮转速，可采用固定减速比的行星齿轮变速器，它能提供大的减速比，而且输入和输出轴可布置在减速比的行星齿轮变速器，它能提供大的减速比，而且输入和输出轴可布置在同一条轴线上。同一条轴线上。Page 15电驱动的结构形式电驱动的结构形式n （f）与超大容量电容器类似，飞轮是另外一种新兴的具有高比功率和高效制）与超大容量电容器类似，飞轮是另外一种新兴的具有高比功率和高效制动能量回收能力的储能器。用于电动汽车的飞轮与传统低速笨重的飞轮是不同动能量回收能力的储能器。用于电动汽车的飞轮与传统低速笨重的飞轮是不同的，这种飞轮质量轻，且在真空下高速动转，超高速飞轮与

17、具有两种工作模式的，这种飞轮质量轻，且在真空下高速动转，超高速飞轮与具有两种工作模式（电动机和发电机）的电动机转子相结合，能够将电能和机械能进行双向转换。（电动机和发电机）的电动机转子相结合，能够将电能和机械能进行双向转换。下图显示了这种飞轮和蓄电池作混合动力的结构，所选用的蓄电池应能提供高下图显示了这种飞轮和蓄电池作混合动力的结构，所选用的蓄电池应能提供高比能量。飞轮最好与无刷交流电动机结合使用，因为这种电动机的效率比直流比能量。飞轮最好与无刷交流电动机结合使用，因为这种电动机的效率比直流电动机高，因而在蓄电池和飞轮之间加一个电动机高，因而在蓄电池和飞轮之间加一个AC-DC转换器。转换器。P

18、age 16单电动机和多电动机驱动形式单电动机和多电动机驱动形式n 3.3.单电动机和多电动机驱动形式单电动机和多电动机驱动形式 差速器是传统车辆的标准组件，电动汽车也采用这项技术。汽车转弯时，差速器是传统车辆的标准组件，电动汽车也采用这项技术。汽车转弯时，外侧车轮的转弯半径比内侧车轮大，必须利用差速器来调整两侧车轮的转速，外侧车轮的转弯半径比内侧车轮大，必须利用差速器来调整两侧车轮的转速，否则，车轮会产生滑移从而引起轮胎磨损加剧、转向困难、道路附着性能变差否则，车轮会产生滑移从而引起轮胎磨损加剧、转向困难、道路附着性能变差等。对于传统的燃油汽车，无论是前轮驱动还是后轮驱动，机械式差速器都是等

19、。对于传统的燃油汽车，无论是前轮驱动还是后轮驱动，机械式差速器都是必备的。下图所示为典型的机械差速器的结构，差速器的行星齿轮绕各自的轴必备的。下图所示为典型的机械差速器的结构，差速器的行星齿轮绕各自的轴旋转，从而使两个半轴齿轮能以不同的转速旋转。旋转，从而使两个半轴齿轮能以不同的转速旋转。Page 17单电动机和多电动机驱动形式单电动机和多电动机驱动形式 对于电动汽车，如果采用双电动机或者四个电动机驱动，由于每个电动机对于电动汽车，如果采用双电动机或者四个电动机驱动，由于每个电动机的转速可以有效地独立调节控制，实现电子差速，在这种情况下，电动汽车可的转速可以有效地独立调节控制，实现电子差速，在

20、这种情况下，电动汽车可以不用机械差速器。下图所示的是带电子差速器的双电动驱动的结构。电子差以不用机械差速器。下图所示的是带电子差速器的双电动驱动的结构。电子差速器比接卸差速器体积小、质量轻。速器比接卸差速器体积小、质量轻。Page 18单电动机和多电动机驱动形式单电动机和多电动机驱动形式 人们对是否选用机械差速器不像是对是否选择可变速比或固定变速比变速器的意见一致，如果电动汽车采用单电动机驱动就必须装机械差速器，而多电动机系统就采用电子差速。 电子差速器的优点是体积小、质量轻，在汽车转弯时可以实现精确的电子控制，提高电动汽车的性能；其缺点是由于增加了电动机和功率转换器，增加了初始成本，而且在不

21、同条件下对两个电动机进行精确控制的可靠性需要进一步的发展。Page 19轮毂电动机驱动形式轮毂电动机驱动形式n 4.4.轮毂电动机驱动形式轮毂电动机驱动形式 如果将驱动电动机直接安装在车轮上，可以缩短甚至可以去掉电动机与如果将驱动电动机直接安装在车轮上，可以缩短甚至可以去掉电动机与车轮之间的机械传递装置，这取决于是采用高速内转子还是低速外转子电动车轮之间的机械传递装置，这取决于是采用高速内转子还是低速外转子电动机。若采用高速内转子电动机，则必须装固定速比的减速器来降低车速。一机。若采用高速内转子电动机，则必须装固定速比的减速器来降低车速。一般采用高减速比的行星车轮减速装置，安装在电动机输出轴和

22、车轮轮缘之间，般采用高减速比的行星车轮减速装置，安装在电动机输出轴和车轮轮缘之间，这种电动机设计的工作转速约为这种电动机设计的工作转速约为1000r/min,1000r/min,目的是为了获得更高的功率密度。目的是为了获得更高的功率密度。电动机的最高转速主要受线圈损失、摩擦损失以及变速机构的承受能力等因电动机的最高转速主要受线圈损失、摩擦损失以及变速机构的承受能力等因素的限制，所选用的行星齿轮变速机构的速比为素的限制，所选用的行星齿轮变速机构的速比为10:110:1，而车轮的转速范围则，而车轮的转速范围则降为降为01000r/min01000r/min。若采用低速外转子电动机，则可以完全去掉变

23、速装置，。若采用低速外转子电动机，则可以完全去掉变速装置，外转子就安装在车轮轮缘上，而且电动机转速和车轮转速相等，因而就不需外转子就安装在车轮轮缘上，而且电动机转速和车轮转速相等，因而就不需要减速装置。要减速装置。Page 20轮毂电动机驱动形式轮毂电动机驱动形式n 下图所示这两种内置轮式电动机的结构，采用的都是永磁无刷电动机，由于下图所示这两种内置轮式电动机的结构，采用的都是永磁无刷电动机，由于其具有显著的高功率密度的特点，因而比其它电动机性能更高些。其具有显著的高功率密度的特点，因而比其它电动机性能更高些。内转子电动机内转子电动机外转子电动机外转子电动机Page 21n 电动汽车驱动系统的

24、构成电动汽车驱动系统的构成 电动汽车驱动系统包括机械传动系统和电气系统两部分。其中，机械传动电动汽车驱动系统包括机械传动系统和电气系统两部分。其中，机械传动部分因电动汽车驱动系统布置方式不同而不同。各种布置凡是之间最大的区别部分因电动汽车驱动系统布置方式不同而不同。各种布置凡是之间最大的区别就在于对传统的机械传动部件保留的多少。越高级的布置方式，对传统燃油汽就在于对传统的机械传动部件保留的多少。越高级的布置方式，对传统燃油汽车的机械传动部件保留得就越少，而且更能发挥电动汽车的优势。车的机械传动部件保留得就越少，而且更能发挥电动汽车的优势。 不论电动汽车的驱动系统采用哪种布置方式，其电气系统的结

25、构基本上都不论电动汽车的驱动系统采用哪种布置方式，其电气系统的结构基本上都相同，主要由三个部分组成，如下图所示相同，主要由三个部分组成，如下图所示电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术Page 22电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术n 电动器车与其它的电力驱动系统相比较，有其自身的特点。它对驱动电动器车与其它的电力驱动系统相比较，有其自身的特点。它对驱动系统相应有其特殊的要求：系统相应有其特殊的要求：（1 1）能够频繁地起动、停车，加、减速，对转矩控制的动态性能要求）能够频繁地起动、停车，加、减速，对转矩控制的动态性能要求高；高；（2 2）电动汽车驱动的速度、转矩变化范

26、围大，既要工作在恒转矩区，）电动汽车驱动的速度、转矩变化范围大，既要工作在恒转矩区，又要运行在恒功率区，同时还要求保持较高的运行效率又要运行在恒功率区，同时还要求保持较高的运行效率; ;（3 3）能在恶劣工作环境下可靠地工作。正因为电动汽车对其电机驱动）能在恶劣工作环境下可靠地工作。正因为电动汽车对其电机驱动系统有这些特殊要求，所以在电动汽车电机驱动系统设计中，驱动电系统有这些特殊要求，所以在电动汽车电机驱动系统设计中，驱动电机的选择及其变流器、控制器的设计，都必须考虑到这些特殊的要求机的选择及其变流器、控制器的设计，都必须考虑到这些特殊的要求。Page 23电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱

27、动系统控制技术n电动汽车电机驱动系统分类电动汽车电机驱动系统分类 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Page 24n 表1 各种电机的特性比较（摘自日本电气学会技术报告）电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术 电机性能直流电机永磁同步电机异步电机开关磁阻电机最大效率（） 858995979495 90 效率（10负载）8087909279857886最高转速（rpm)4000600040001000090001500015000电机费用/kW($)101015812610控制器成本12.53.54.5坚固性良良优良信赖性普通良优良Pa

28、ge 25n 表2 永磁同步电机与异步电机的特性比较电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术永磁同步电机 异步电机适性容量数十W数十kW数百W以上尺寸、重量小 中小 结构相当简单 非常简单 环境适应性相当好 非常好 维护有点必要 不要 生产性好 非常好 位置传感器要 不要 速度传感器不要 要 Page 26n 表3 永磁同步电机与异步电机的特性比较电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术 永磁同步电机 异步电机寿命轴寿命轴寿命弱磁高速困难 可能 回馈制动容易 可以 永久失磁有 无 温度特性无 有 控制器控制一台 控制多台 Page 27电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控

29、制技术直流电机及其控制系统直流电机及其控制系统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。IfMnIf0aiaPage 28电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术 直流电机及其控制系统的优缺点直流电机及其控制系统的优缺点 优点：优点： 1. 1. 直流电机转矩控制性能优良。直流电机转矩控制性能优良。 2. 2. 控制简单，回馈控制容易。控制简单，回馈控制容易。 3. 3. 功率变换器结构简单，使用功率器件少。功率变换器结构简单，使用功率器件少。 4. 4. 控制器效率高；功率密度高。控制器效率高；功率密度高。 5. 5. 控

30、制器体积小，重量轻。控制器体积小，重量轻。 6. 6. 控制器价格便宜。控制器价格便宜。 缺点：缺点： 1. 1. 由于机械换向器和电刷的存在导致的缺点：由于机械换向器和电刷的存在导致的缺点： 电机转速低、体积大；需要维护；成本高。电机转速低、体积大；需要维护；成本高。Page 29电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术交流交流电机电机1. 1. 同步电机同步电机2. 异步电机（感应电机异步电机（感应电机）转子永磁转子永磁转子励磁转子励磁永磁同步电机永磁同步电机 ( (自控式）自控式）无刷直流电机无刷直流电机转子绕线式转子绕线式转子笼型转子笼型1. 1. 交流电机的主要类型交流电机的

31、主要类型交流电机及其控制系统交流电机及其控制系统Page 30电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术交流电机控制器控制电路主电路Page 31电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术电动机控制器Page 32电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术控制器中的控制器中的CPUCPU主控制板主控制板Page 33电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术交流电机交流电机的定子结构的定子结构三相电枢绕组三相电枢绕组Page 34电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术无刷直流电机控制系统无刷直流电机控制系统转子位置转子位置 传感器传感器 三相功率三相功率 变换

32、器变换器控制电路控制电路无刷直流电机无刷直流电机控制器控制器1. 1. 系统构成系统构成Page 35电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术2.2.无刷直流电机与永磁同步电机差别无刷直流电机与永磁同步电机差别t20B0(e0)永磁同步电机永磁同步电机无刷直流电机无刷直流电机一对极下不同的气隙磁密分布图一对极下不同的气隙磁密分布图Page 36电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术3.3.无刷直流电机工作原理无刷直流电机工作原理 有有6 6个定子空间磁势。个定子空间磁势。 根据转子位置传感器检根据转子位置传感器检 测到的转子位置和要求测到的转子位置和要求 转向来决定产生哪一个

33、转向来决定产生哪一个 磁势。磁势。 产生的平均转矩最大。产生的平均转矩最大。iAABiBCiCSNFABFACFBCFBAFCAFCBXYZF0Page 37电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术 定子磁势拉转子磁势旋转，为了使平均转矩最大。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两者的平均空间电角度为90900 0。SNF0nFABFAC60o60oPage 38电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术4.4.无刷直流电机控制框图无刷直流电机控制框图-A+2iaibiciaibicIREFPIPWM逻辑变换PS+A+B+C-B-CIFPositi

34、on Sensor三相反馈电流三相反馈电流输出输出6 6路驱动信号路驱动信号Page 39电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术电动状态：电动状态：A A管导通，管导通，B B管管PWMPWM。B B管导通时电流上升，管导通时电流上升，B B管关断时电流下降。管关断时电流下降。Ud+A-AC+B-B+C-C转子位置传感器状态：转子位置传感器状态：+A+A、B B相导通。相导通。回馈状态：回馈状态：转子位置传感器状态：转子位置传感器状态：+A+A、B B相导通。相导通。+A+A管、管、B B管均关断，管均关断，B B管子管子PWMPWM。Ud+A-AC+B-B+C-C电流产生拖动转矩电

35、流产生拖动转矩电流产生制动转矩电流产生制动转矩Page 40电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术5. 5. 无刷直流电机的电动、回馈制动控制逻辑控制无刷直流电机的电动、回馈制动控制逻辑控制PS逻辑变换PWM 输入输入+a-a+b-b+c-c转子位置转子位置传感器传感器+A-A+B-B+C-C驱动信号驱动信号 输出输出电动电动 “1”回馈制动回馈制动 “0”Page 41电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术6. 6. 无刷直流电机及其控制系统的优缺点无刷直流电机及其控制系统的优缺点 优点：优点： 1. 1. 具有直流电机的控制特性。具有直流电机的控制特性。 2. 2. 控

36、制相对简单。控制相对简单。 3. 3. 电机效率高，体积小。电机效率高，体积小。 缺点：缺点： 1. 1. 由于永磁材料贵，电机价格较贵。由于永磁材料贵，电机价格较贵。 2. 2. 过热容易导致永久性失磁。过热容易导致永久性失磁。 3. 3. 弱磁运行较困难。弱磁运行较困难。 4. 4. 需要转子位置传感器。需要转子位置传感器。Page 42电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术异步电机及其控制系统异步电机及其控制系统1. 1. 异步电机变频调速原理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。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正常运行

37、时，电机转速接近旋转磁场转速。0nT01n02nAB不同频率下的异步电机机械特性pfn600)1(0snnPage 43电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术2. 2. 变频调速的主要控制方法变频调速的主要控制方法 基于稳态的控制基于稳态的控制 变压变频控制（变压变频控制（Variable Voltage Variable Frequency)Variable Voltage Variable Frequency) 简称简称VVVFVVVF控制；控制； 脉宽调节控制（脉宽调节控制（Pulse Width Modulation)Pulse Width Modulation) 简称简称P

38、WMPWM控制。控制。 1. SPWM;1. SPWM; 2. 2. 电压空间矢量电压空间矢量PWMPWM； 3. 3. 优化优化PWM;PWM; 4. 4. 随机随机PWM;PWM;Page 44电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术 基于动态的控制：高性能的控制方法基于动态的控制：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）转子磁场定向矢量控制（等效直流电机控制）（2020世纪世纪7070年代，由德国西门子公司的年代，由德国西门子公司的F.BlaschkeF.Blaschke提出。）提出。） 1. 1. 直接矢量控制；直接矢量控制； 2. 2. 间接矢量控制。间接矢

39、量控制。 直接转矩控制直接转矩控制 直接对转矩和磁链闭环控制。直接对转矩和磁链闭环控制。 （19851985年德国学者年德国学者 M.Depenbrock M.Depenbrock 首次提出。）首次提出。） Page 45电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术3. 3. 异步电机滑差频率控制框图异步电机滑差频率控制框图s*r*P IFG+rs*r+1I1*cos1tcos(1t -120o)cos(1t -240o)乘法器ia*iaib*icic*ib+PIPWMPIPWMPIPWM三角波驱动信号产生a-ab-bc-cI1 =f (s)+ 基本原理：在机械特性的线性段，电磁转矩基本原

40、理：在机械特性的线性段，电磁转矩 正比于滑差频率。正比于滑差频率。函数发生器函数发生器Page 46电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术4. 4. 异步电机矢量控制异步电机矢量控制矢量控制原理矢量控制原理 经经3/23/2变化、旋转变换后，异步电机变成了直流电机模型。变化、旋转变换后，异步电机变成了直流电机模型。 将将M-TM-T坐标的坐标的MM轴定在异步电机转子磁链的方向上，可得轴定在异步电机转子磁链的方向上，可得 到最简单的方程形式。到最简单的方程形式。TM2+ +I1TI1MI2TI2M1(a ) 直流电机直流电机 模型模型2I1MI1TI2TI1F0F2F1(b )(b )

41、电流、磁势向量图电流、磁势向量图Page 47电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术 等效直流机模型的方程等效直流机模型的方程2T21TM0I LI L2M21MM2ILIL转子磁链方程22 M2d/ d0tR I22 TS20R I转子电压方程稳态时稳态时2d/d0t所以所以2M0IM1M2L IPage 48电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术 矢量控制思路矢量控制思路2T2TpI 转矩转矩M2T1T2LIIL M1M2L I控制如何控制如何实现？实现？2211M1TIIISr)d(t和22TI和1MI1TI和21TS21MRILI其中其中 最终控制定子磁场的幅值与空

42、间位置来实现。最终控制定子磁场的幅值与空间位置来实现。Page 49电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术磁链观测算法转速检测驱动电路三相逆变器IM蓄电池PG电容3/2变换转矩计算Isr控制算法(PI,空间电压矢量计算等)转矩和磁链设定算法*1ti*rr1ti1mi1mi1tiTrIs*Va*Vr给定异步电机直接矢量控制框图异步电机直接矢量控制框图Page 50电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术转子磁链准确定向方法控制框图控制框图uua,b,cia,b,cn转子磁链观测R坐标变换iq*iq+-PIUq*id*id+-PIUd*坐标变换ua,b,cu*+PI-+- - P

43、age 51电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术转子磁链准确定向方法观测磁链观测磁链领先实际领先实际磁链时磁链时dqi1R0idid实际励磁分量实际励磁分量i id d 要比观测值要比观测值i id d小。小。实际电压小于观实际电压小于观测电压。测电压。观测磁链观测磁链落后实际落后实际磁链时磁链时dqi1R0ididi id d 大于大于i id d实际实际电压大于观电压大于观测电压。测电压。Page 52电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术5. 5. 异步电机直接转矩控制异步电机直接转矩控制 控制原理：控制原理： 通过检测电机定子电压、电流，借助瞬时空间通过检测电机定

44、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。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）。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。节结果，来确定逆变器的开关信号。Page 53电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术 直接转矩控制框图直接转矩控制框图Page 54电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术由上图可知，直接转矩控制系统的基本组成主要有以下几个部分由

45、上图可知，直接转矩控制系统的基本组成主要有以下几个部分:(l)磁链自控制磁链自控制:它的任务是选择正确的区段，以形成六边形磁链。它的任务是选择正确的区段，以形成六边形磁链。(2)转矩调节转矩调节:转矩调节环节实现转矩直接自控制。转矩调节环节实现转矩直接自控制。(3)磁链调节磁链调节:磁链调节环节实现对磁链幅值的直接自控制。由于定子电阻磁链调节环节实现对磁链幅值的直接自控制。由于定子电阻压降增大时会引起磁幅值减少。引入该环节，是为了实现对磁链幅值的闭环控制，压降增大时会引起磁幅值减少。引入该环节，是为了实现对磁链幅值的闭环控制，维持外在允许的范围内波动。维持外在允许的范围内波动。(4)开关信号选

46、择开关信号选择:开关信号选择单元综合来自磁链自控制环节、转矩调节开关信号选择单元综合来自磁链自控制环节、转矩调节环节和磁链调节环节的三个开关控制信号，形成正确的电压开关信号，以实现对环节和磁链调节环节的三个开关控制信号，形成正确的电压开关信号，以实现对电压空间矢量的正确选择。电压空间矢量的正确选择。(5)开关频率调节开关频率调节:该环节控制逆变器的开关频率及转矩容差的大小。该环节控制逆变器的开关频率及转矩容差的大小。(6)异步电动机数学模型异步电动机数学模型:异步电动机的数学模型包括磁链模型和转矩模型。异步电动机的数学模型包括磁链模型和转矩模型。其中磁链模型可以选用低速时其中磁链模型可以选用低

47、速时i一一n模型和高速时模型和高速时u一一i模型相结合的方案，也可以模型相结合的方案，也可以选用在全速度范围内采用选用在全速度范围内采用u一一n模型的方案。模型的方案。直接转矩控制通过转矩两点式调节器直接调节转矩。转矩两点式调节器将转直接转矩控制通过转矩两点式调节器直接调节转矩。转矩两点式调节器将转矩检测值和转矩设定值进行比较，将转矩波动控制在一定容差范围内，即在直接矩检测值和转矩设定值进行比较，将转矩波动控制在一定容差范围内，即在直接转矩控制下，电动机的输出转矩总是围绕转矩设定值在一定容差范围内波动。转矩控制下，电动机的输出转矩总是围绕转矩设定值在一定容差范围内波动。Page 55电动汽车驱动系统控制技术电动汽车驱动系统控制技术 直接转矩控制的优缺点直接转矩控制的优缺点 优点：优点：1.1. 电机模型在定子坐标系下，只需电机模型在定子坐标系下，只需3/23/2变换。变换。2.2. 观测的是定子