电动汽车电机驱动系统

第3章电动汽车电机驱动系统3.1概述3.2直流电动机3.3无刷直流电动机3.4异步电动机3.5永磁同步电动机3.6开关磁阻电动机3.7轮毂电机3.1概述3.1.1电动汽车电机驱动系统的组成与类型3.1.2电动机的额定指标3.1.3电动汽车对电动机的要求3.1.4电动汽车电机驱动系统的发展趋势

3.1.1电动汽车电机驱动系统的组成与类型1．电动汽车电机驱动系统的组成电机驱动系统是电动汽车的心脏，它由电机、功率转化器、控制器、各种检测传感器和电源（蓄电池）组成，其任务是在驾驶员的控制下，高效率地将蓄电池的电量转化为车轮的动能，或者将车轮的动能反馈到蓄电池中。

3.1.1电动汽车电机驱动系统的组成与类型2．电动汽车电机驱动系统的类型电动汽车电机驱动系统按所选电动机的类型可分为:(1)直流电动机;(2)无刷直流电动机;(3)异步电动机;(4)永磁同步电动机;(5)开关磁阻电动机等。3.1.2电动机的额定指标(1)额定功率。额定功率是指额定运行情况下轴端输出的机械功率(W或kW)。(2)额定电压。额定电压是指外加于线端的电源线电压(V)。(3)额定电流。额定电流是指电动机额定运行(额定电压、额定输出功率)情况下电枢绕组(或定子绕组)的线电流(A)。(4)额定频率。额定频率是指电动机额定运行情况下电枢(或定子侧)的频率(Hz)。(5)额定转速。额定转速是指电动机额定运行(额定电压、额定频率、额定输出功率)的情况下，电动机转子的转速(r/min)。3.1.3电动汽车对电动机的要求电动汽车在行驶过程中，经常频繁地启动/停车、加速/减速等，这就要求电动汽车中的电动机比一般工业应用的电动机性能更高，基本要求如下：

(1)电动机的运行特性要满足电动汽车的要求，在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足电动汽车起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足电动汽车在平坦的路面能够高速行驶的要求；(2)电动机应具有瞬时功率大、带负载启动性能好、过载能力强，加速性能好，使用寿命长的特点；(3)电动机应在整个运行范围内，具有很高的效率，以提高一次充电的续驶里程；3.1.3电动汽车对电动机的要求(4)电动机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈给蓄电池，使得电动汽车具有最佳能量的利用率；(5)电动机应可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作；(6)电动机应体积小，重量轻，一般为工业用电动机的1/2~1/3；(7)电动机的结构要简单坚固，适合批量生产，便于使用和维护；(8)价格便宜，从而能够减少整体电动汽车的价格，提高性价比；(9)运行时噪声低，减少污染。

3.1.4电动汽车电机驱动系统的发展趋势（1）电机的功率密度不断提高，永磁电机应用范围不断扩大。（2）电机的工作转速不断提高，回馈制动的高效区不断拓宽。（3）电驱动系统的集成化和一体化趋势更加明显。（4）电驱动系统的混合度与电功率比不断增加。（5）车用电驱动控制系统的集成化和数字化程度不断加大。

3.2直流电动机3.2.1直流电动机的分类3.2.2直流电动机的结构与特点3.2.3直流电动机的工作原理3.2.4直流电动机的控制

3.2.1直流电动机的分类直流电动机分为绕组励磁式直流电动机和永磁式直流电动机。在电动汽车所采用的直流电动机中，小功率电动机采用的是永磁式直流电动机，大功率电动机采用的是绕组励磁式直流电动机。绕组励磁式直流电动机根据励磁方式的不同，可分为他励式、并励式、串励式和复励式四种类型。直流电电动机机的分分类1．他励励式直直流电电动机机他励式式直流流电动动机的的励磁磁绕组组与电电枢绕绕组无无连接接关系系，而而由其其它直直流电电源对对励磁磁绕组组供电电。因因此励励磁电电流不不受电电枢端端电压压或电电枢电电流的的影响响。永永磁直直流电电动机机也可可看作作他励励直流流电动动机。。他励直直流电电动机机在运运行过过程中中励磁磁磁场场稳定定而且且容易易控制制，容容易实实现电电动汽汽车的的再生生制动动要求求。但但当采采用永永磁激激励时时，虽虽然电电动机机效率率高，，重量量和体体积较较小，，但由由于励励磁磁磁场固固定，，电动动机的的机械械特性性不理理想，，驱动动电动动机产产生不不了足足够大大的输输出转转矩来来满足足电动动汽车车起动动和加加速时时的大大转矩矩要求求。直流电电动机机的分分类2．并励励直流流电动动机并励直直流电电动机机的励励磁绕绕组与与电枢枢绕组组相并并联，，共用用同一一电源源，性性能与与他励励直流流电动动机基基本相相同。。并励励绕组组两端端电压压就是是电枢枢两端端电压压，但但是励励磁绕绕组用用细导导线绕绕成，，其匝匝数很很多，，因此此具有有较大大的电电阻，，使得得通过过它的的励磁磁电流流较小小。3．串励励直流流电动动机串励直直流电电动机机的励励磁绕绕组与与电枢枢绕组组串联联后，，再接接于直直流电电源，，这种种直流流电动动机的的励磁磁电流流就是是电枢枢电流流。这这种电电动机机内磁磁场随随着电电枢电电流的的改变变有显显著的的变化化。为为了使使励磁磁绕组组中不不致引引起大大的损损耗和和电压压降，，励磁磁绕组组的电电阻越越小越越好，，所以以串励励直流流电动动机通通常用用较粗粗的导导线绕绕成，，它的的匝数数较少少。直流电电动机机的分分类4．复励励直流流电动动机复励直直流电电动机机有并并励和和串励励两个个励磁磁绕组组，电电动机机的磁磁通由由两个个绕组组内的的励磁磁电流流产生生。若若串励励绕组组产生生的磁磁通势势与并并励绕绕组产产生的的磁通通势方方向相相同称称为积积复励励。若若两个个磁通通势方方向相相反，，则称称为差差复励励。复励直直流电电动机机的永永磁励励磁部部分采采用高高磁性性材料料钕铁铁硼，，运行行效率率高。。由于于电动动机永永磁励励磁部部分有有稳定定的磁磁场，，因此此用该该类电电动机机构成成驱动动系统统时易易实现现再生生制动动功能能。同同时由由于电电动机机增加加了增增磁绕绕组，，通过过控制制励磁磁绕组组的励励磁电电流或或励磁磁磁场场的大大小，，能克克服纯纯永磁磁他励励直流流电动动机不不能产产生足足够的的输出出转矩矩来满满足电电动汽汽车低低速或或爬坡坡时的的大转转矩要要求，，而电电动机机的重重量或或体积积比串串励电电动机机的小小。直流电电动机机的分分类各种励励磁方方式直直流电电动机机的电电路如如图所所示。。直流电电动机机的结结构与与特点点1．直流流电动动机的的结构构直流电电动机机由定定子与与转子子两大大部分分构成成，定定子和和转子子之间间的间间隙称称为气气隙。。直流电电动机机的结结构与与特点点2．直流流电动动机的的特点点(1)调速性性能好好。直直流电电动机机可以以在重重负载载条件件下，，实现现均匀匀、平平滑的的无级级调速速，而而且调调速范范围较较宽。。(2)起动力力矩大大。可可以均均匀而而经济济地实实现转转速调调节，，因此此，凡凡是在在重负负载下下起动动或要要求均均匀调调节转转速的的机械械，例例如大大型可可逆轧轧钢机机、卷卷扬机机、电电力机机车、、电车车等，，都可可用直直流电电动机机拖动动。(3)控制制比比较较简简单单。。一一般般用用斩斩波波器器控控制制，，它它具具有有高高效效率率、、控控制制灵灵活活、、重重量量轻轻、、体体积积小小、、响响应应快快等等优优点点。。(4)有易易损损件件。。由由于于存存在在电电刷刷、、换换向向器器等等易易磨磨损损器器件件，，所所以以必必须须进进行行定定期期维维护护或或更更换换。。直流流电电动动机机的的工工作作原原理理直流流电电动动机机的的工工作作原原理理图图所所示示。。图图中中，，定定子子有有一一对对N、S极，，电电枢枢绕绕组组的的末末端端分分别别接接到到两两个个换换向向片片上上，，正正、、负负电电刷刷A和B分别别与与两两个个换换向向片片接接触触。。直流流电电动动机机的的控控制制直流流电电动动机机转转速速控控制制方方法法主主要要有有电电枢枢调调压压控控制制、、磁磁场场控控制制和和电电枢枢回回路路电电阻阻控控制制。。电枢枢调调压压控控制制是是指指通通过过改改变变电电枢枢的的端端电电压压来来控控制制电电动动机机的的转转速速。。这这种种控控制制只只适适合合电电动动机机基基速速以以下下的的转转速速控控制制，，它它可可保保持持电电动动机机的的负负载载转转矩矩不不变变，，电电动动机机转转速速近近似似与与电电枢枢端端电电压压成成比比例例变变化化，，所所以以称称为为恒恒转转矩矩调调速速。。直直流流电电动动机机采采用用电电枢枢调调压压控控制制可可实实现现在在宽宽广广范范围围内内的的连连续续平平滑滑的的速速度度控控制制，，调调速速比比一一般般可可达达1:10，如如果果与与磁磁场场控控制制配配合合使使用用，，调调速速比比可可达达1:30。电电枢枢调调压压控控制制的的调调速速过过程程：：当当磁磁通通保保持持不不变变时时，，减减小小电电压压，，由由于于转转速速不不立立即即发发生生变变化化，，反反电电动动势势也也暂暂时时不不变变化化，，由由于于电电枢枢电电流流减减小小了了，，转转矩矩也也减减小小了了。。如如果果阻阻转转矩矩未未变变，，则则转转速速下下降降。。随随着着转转速速的的降降低低，，反反电电动动势势减减小小，，电电枢枢电电流流和和转转矩矩就就随随着着增增大大，，直直到到转转矩矩与与阻阻转转矩矩再再次次平平衡衡为为止止，，但但这这时时转转速速已已经经较较原原来来降降低低了了。。直流流电电动动机机的的控控制制磁场场控控制制是是指指通通过过调调节节直直流流电电动动机机的的励励磁磁电电流流改改变变每每极极磁磁通通量量，，从从而而调调节节电电动动机机的的转转速速，，这这种种控控制制只只适适合合电电动动机机基基数数以以上上的的控控制制。。当当电电枢枢电电流流不不变变时时，，具具有有恒恒功功率率调调速速特特性性。。磁磁场场控控制制效效率率高高，，但但调调速速范范围围小小，，一一般般不不超超过过1:3，而而且且响响应应速速度度较较慢慢。。磁磁场场控控制制可可采采用用可可变变电电阻阻器器，，也也可可采采用用可可控控整整流流电电源源作作为为励励磁磁电电源源。。磁场场控控制制的的调调速速过过程程：：当当电电压压保保持持恒恒定定时时，，减减小小磁磁通通，，由由于于机机械械惯惯性性，，转转速速不不立立即即发发生生变变化化，，于于是是反反电电动动势势减减小小，，电电枢枢电电流流随随之之增增加加。。由由于于电电枢枢电电流流增增加加的的影影响响超超过过磁磁通通减减小小的的影影响响，，所所以以转转矩矩也也就就增增加加。。如如果果阻阻转转矩矩未未变变，，则则转转速速上上升升。。随随着着转转速速的的升升高高，，反反电电动动势势增增大大，，电电枢枢电电流流和和转转矩矩也也随随着着减减小小，，直直到到转转矩矩和和阻阻转转矩矩再再次次平平衡衡为为止止，，但但这这时时转转速速已已经经较较原原来来升升高高了了。。直流流电电动动机机的的控控制制电枢枢回回路路串串电电阻阻控控制制是是指指当当电电动动机机的的励励磁磁电电流流不不变变时时，，通通过过改改变变电电枢枢回回路路电电阻阻来来调调节节电电动动机机的的转转速速。。这这种种控控制制方方法法的的机机械械特特性性较较软软，，而而且且电电动动机机运运行行不不稳稳定定，，一一般般很很少少应应用用。。对对于于小小型型串串励励电电动动机机，，常常采采用用电电枢枢回回路路串串电电阻阻控控制制方方式式。。3.3无刷刷直直流流电电动动机机无刷刷直直流流电电动动机机的的分分类类无刷刷直直流流电电动动机机的的结结构构与与特特点点无刷直直流电电动机机的工工作原原理无刷直直流电电动机机的控控制无刷直直流电电动机机的分分类无刷直直流电电动机机按照照工作作特性性，可可以分分为具具有直直流电电动机机特性性的无无刷直直流电电动机机和具具有交交流电电动机机特性性的无无刷直直流电电动机机。具有直直流电电动机机特性性的无无刷直直流电电动机机，反反电动动势波波形和和供电电电流流波形形都是是矩形形波，，所以以又称称为矩矩形波波同步步电动动机。。这类类电动动机由由直流流电源源供电电，借借助位位置传传感器器来检检测主主转子子的位位置，，由所所检测测出的的信号号去触触发相相应的的电子子换相相线路路以实实现无无接触触式换换相。。显然然，这这种无无刷直直流电电动机机具有有有刷刷直流流电动动机的的各种种运行行特性性。具有交交流电电动机机特性性的无无刷直直流电电动机机，反反电动动势波波形和和供电电电流流波形形都是是正弦弦波，，所以以又称称为正正弦波波同步步电动动机。。这类类电动动机也也由直直流电电源供供电，，但通通过逆逆变器器将直直流电电变换换成交交流电电，然然后去去驱动动一般般的同同步电电动机机。因因此，，它们们具有有同步步电动动机的的各种种运行行特性性。无刷直直流电电动机机结构构与特特点1．无刷刷直流流电动动机的的结构构无刷直直流电电动机机主要要由电电动机机本体体、电电子换换相器器和转转子位位置传传感器器三部部分组组成。。(1)电动机机本体体。无无刷直直流电电动机机的电电动机机本体体由定定子和和转子子两部部分组组成。。(2)电子换换相器器。电电子换换相器器是由由功率率开关关和位位置信信号处处理电电路构构成，，主要要用来来控制制定子子各绕绕组通通电的的顺序序和时时间。。(3)位置传传感器器。位位置传传感器器在无无刷直直流电电动机机中起起着检检测转转子磁磁极位位置的的作用用，为为功率率开关关电路路提供供正确确的换换相信信息，，即将将转子子磁极极的位位置信信号转转换成成电信信号，，经位位置信信号处处理电电路处处理后后控制制定子子绕组组换相相。无刷直直流电电动机机结构构与特特点无刷直直流电电动机机实物物图。。无刷直直流电电动机机结构构与特特点无刷直直流电电动机机作为为电动动汽车车用电电动机机，具具有以以下优优点：：(1)外特性性好，，非常常符合合电动动汽车车的负负载特特性，，尤其其是具具有低低速大大转矩矩特性性，能能够提提供大大的起起动转转矩，，满足足电动动汽车车的加加速要要求；；(2)可以在在低、、中、、高宽宽速度度范围围内运运行，，而有有刷电电动机机由于于受机机械换换向的的影响响，只只能在在中低低速下下运行行；(3)效率高高，尤尤其是是在轻轻载车车况下下，仍仍能保保持较较高的的效率率，这这对珍珍贵的的电池池能量量是很很重要要的；；(4)过载能能力强强，比比Y系列电电动机机可提提高过过载能能力2倍以上上，满满足电电动汽汽车的的突起起堵转转需要要；无刷直直流电电动机机结构构与特特点(5)再生制制动效效果好好，因因无刷刷直流流电动动机转转子具具有很很高的的永久久磁场场，在在汽车车下坡坡或制制动时时电动动机可可完全全进入入发电电机状状态，，给电电池充充电，，同时时起到到电制制动作作用，，减轻轻机械械刹车车负担担；(6)体积小小、重重量轻轻、比比功率率大，，可有有效地地减轻轻重量量、节节省空空间；；(7)无机械械换向向器，，采用用全封封闭式式结构构，防防止尘尘土进进入电电动机机内部部，可可靠性性高；；(8)控制系系统比比异步步电动动机简简单。。缺点是是电动动机本本身比比交流流电动动机复复杂，，控制制器比比有刷刷直流流电动动机复复杂。。无刷直直流电电动机机的工工作原原理无刷直直流电电动机机的工工作原原理与与有刷刷直流流电动动机的的工作作原理理基本本相同同。它它是利利用电电动机机转子子位置置传感感器输输出信信号控控制电电子换换向线线路去去驱动动逆变变器的的功率率开关关器件件，使使电枢枢绕组组依次次馈电电，从从而在在定子子上产产生跳跳跃式式的旋旋转磁磁场，，拖动动电动动机转转子旋旋转。。同时时，随随着电电动机机转子子的转转动，，转子子位置置传感感器又又不断断送出出位置置信号号，以以不断断的改改变电电枢绕绕组的的通电电状态态，使使得在在某一一磁极极下导导体中中的电电流方方向保保持不不变，，这样样电动动机就就旋转转起来来了。。无刷直直流电电动机机的控控制按照获获取转转子位位置信信息的的方法法划分分，无无刷直直流电电动机机的控控制方方法可可以分分为有有位置置传感感器控控制和和无位位置传传感器器控制制两种种。有位置置传感感器控控制方方法是是指在在无刷刷直流流电动动机定定子上上安装装位置置传感感器来来检测测转子子旋转转过程程中的的位置置，将将转子子磁极极的位位置信信号转转换成成电信信号，，为电电子换换相电电路提提供正正确的的换相相信息息，以以此控控制电电子换换相电电路中中的功功率开开关管管的开开关状状态，，保证证电动动机各各相按按顺序序导通通，在在空间间形成成跳跃跃式的的旋转转磁场场，驱驱动永永磁转转子连连续不不断地地旋转转。无无刷直直流电电动机机中常常用的的位置置传感感器有有霍尔尔元件件位置置传感感器、、磁敏敏晶体体管位位置传传感器器、光光电式式位置置传感感器等等。无刷直直流电电动机机的控控制无刷直直流电电动机机的无无位置置传感感器控控制，，无需需安装装传感感器，，使用用场合合广，，相对对于有有位置置传感感器方方法有有较大大的优优势，，因此此，无无刷直直流电电动机机的无无位置置传感感器控控制近近年来来己成成为研研究的的热点点。无无刷直直流电电动机机的无无位置置传感感器控控制中中，不不直接接使用用转子子位置置传感感器，，但在在电动动机运运转过过程中中，仍仍然需需要转转子位位置信信号，，以控控制电电动机机换相相。因因此，，如何何通过过软硬硬件间间接获获得可可靠的的转子子位置置信号号，成成为无无刷直直流电电动机机无位位置传传感器器控制制的关关键。。为此此，国国内外外的研研究人人员在在这方方面作作了大大量的的研究究工作作，提提出了了多种种转子子位置置信号号检测测方法法，大大多是是利用用检测测定子子电压压、电电流等等容易易获取取的物物理量量实现现转子子位置置的估估算。。归纳纳起来来，可可以分分为反反电动动势法法、电电感法法、状状态观观测器器法、、电动动机方方程计计算法法、人人工神神经网网络法法等。。、磁磁敏晶晶体管管位置置传感感器、、光电电式位位置传传感器器等。。3.4异步电动动机异步电动动机的结结构与特特点异步电动动机的工工作原理理与运行行特性异步电动动机的控控制异步电动动机的结结构与特特点1．异步电电动机的的结构异步电动动机主要要由静止止的定子子和旋转转的转子子两大部部分组成成，定子子和转子子之间存存在气隙隙，此外外，还有有端盖、、轴承、、机座和和风扇等等部件。。异步电动动机的结结构与特特点2．异步电电动机的的特点异步电动动机的基基本特点点是，转转子绕组组不需与与其他电电源相连连，其定定子电流流直接取取自交流流电力系系统；与与其它电电动机相相比，异异步电动动机的结结构简单单，制造造、使用用、维护护方便，，运行可可靠性高高，重量量轻，成成本低。。以三相相异步电电动机为为例，与与同功率率、同转转速的直直流电动动机相比比，前者者重量只只及后者者的二分分之一，，成本仅仅为三分分之一。。异步电电动机还还容易按按不同环环境条件件的要求求，派生生出各种种系列产产品。它它还具有有接近恒恒速的负负载特性性，能满满足大多多数工农农业生产产机械拖拖动的要要求。异步电动动机的局局限性是是，它的的转速与与其旋转转磁场的的同步转转速有固固定的转转差率，，因而调调速性能能较差，，在要求求有较宽宽广的平平滑调速速范围的的使用场场合，不不如直流流电动机机经济、、方便。。此外，，异步电电动机运运行时，，从电力力系统吸吸取无功功功率以以励磁，，这会导导致电力力系统的的功率因因数变坏坏。因此此，在大大功率、、低转速速场合不不如用同同步电动动机合理理。异步电动动机的工工作原理理与运行行特性1.异步电动动机的工工作原理理当异步电电动机的的三相定定子绕组组通入三三相交流流电后，，将产生生一个旋旋转磁场场，该旋旋转磁场场切割转转子绕组组，从而而在转子子绕组中中产生感感应电动动势，电电动势的的方向由由右手定定则来确确定。由由于转子子绕组是是闭合通通路，转转子中便便有电流流产生，，电流方方向与电电动势方方向相同同，而载载流的转转子导体体在定子子旋转磁磁场作用用下将产产生电磁磁力，电电磁力的的方向可可用左手手定则确确定。由由电磁力力进而产产生电磁磁转矩，，驱动电电动机旋旋转，并并且电动动机旋转转方向与与旋转磁磁场方向向相同。。异步电动动机的工工作原理理与运行行特性2.异步电动动机的运运行特性性异步电动动机的运运行特性性包括工工作特性性和机械械特性。。异步电动动机的工工作特性性是指电电动机在在保持额额度电压压和额定定频率不不变的情情况下，，电动机机的转速速、电磁磁转矩、、定子电电流、效效率和功功率因数数随输出出功率变变化的特特性。一一般通过过负载试试验来测测取。图图是异步步电动机机的工作作特性。。异步电动动机的工工作原理理与运行行特性异步电动动机的机机械特性性分为自自然机械械特性和和人为机机械特性性。在电源电电压和电电源频率率恒定且且定、转转子回路路不接入入任何附附加设备备时的机机械特性性称为自自然机械械特性，，异步电动动机的工工作原理理与运行行特性电源电压压、电源源频率、、电动机机极对数数、定子子或转子子回路接接入其它它附属设设备，其其中任意意一项改改变得到到的机械械特性称称为人为为机械特特性。由于电源源频率不不变，所所以同步步转速点点不变，，电磁转转矩与电电源电压压的平方方成比例例变化，，但各条条曲线的的最大转转矩点对对应的转转差率基基本保持持不变。。异步电动动机的控控制目前对异异步电动动机的调调速控制制主要有有恒压频频比开环环控制、、转差控控制、矢矢量控制制以及直直接转矩矩控制等等。恒压频比比开环控控制实际际上只控控制了电电动机磁磁通而没没有控制制电动机机的转矩矩，采用用这样的的控制系系统对异异步电动动机来讲讲根本谈谈不上控控制性能能，通常常只用于于对调速速性能要要求一般般的通用用变频器器上。转差控制制是根据据异步电电动机电电磁转矩矩和转差差频率的的关系来来直接控控制电动动机的转转矩的，，可以在在一定的的转差频频率范围围内、一一定程度度上通过过调节转转差来控控制电动动机的电电磁转矩矩，从而而改善调调速系统统的控制制性能，，但其控控制理论论是建立立在异步步电动机机的稳态态数学模模型基础础上的，，它适合合于电动动机转速速变化缓缓慢或者者对动态态性能要要求不高高的场合合。异步电动机的的控制1．异步电动机机的矢量控制制矢量控制理论论采用矢量分分析的方法来来分析交流电电动机内部的的电磁过程，，是建立在交交流电动机的的动态数学模模型基础上的的控制方法。。它模仿对直直流电动机的的控制技术，，将交流电动动机的定子电电流解耦成互互相独立的产产生磁链的分分量和产生转转矩的分量。。分别控制这这两个分量就就可以实现对对交流电动机机的磁链控制制和转矩控制制的完全解耦耦，从而达到到理想的动态态性能。(1)异步电动机矢矢量控制方式式的选择。异异步电动机矢矢量控制是基基于磁场定向向的方法，其其调速控制系系统的方式比比较复杂，常常用的控制策策略有以下4种。转子磁场场定向矢量控控制原理；转转差率矢量控控制原理；气气隙磁场定向向矢量控制原原理；定子磁磁场定向矢量量控制原理。。异步电动机的的控制(2)异步电动机矢矢量控制的特特点。矢量控控制变频器可可以分别对异异步电动机的的磁通和转矩矩电流进行检检测和控制，，自动改变电电压和频率，，使指令值和和检测实际值值达到一致，，从而实现了了变频调速，，大大提高了了电动机控制制静态精度和和动态品质。。转速精度约约等于0.5%，转速响应也也较快。采用用矢量变频器器异步电动机机变频调速是是可以达到控控制结构简单单，可靠性高高的效果。其其主要表现在在：可以从零零转速起进行行速度控制，，因此调速范范围很宽广；；可以对转矩矩实行较为精精确控制；系系统的动态响响应速度很快快；电动机的的加速度特性性很好。异步电动机的的控制2.异步电动机直直接转矩控制制直接转矩控制制是将电动机机输出转矩作作为直接控制制对象，通过过控制定子磁磁场向量控制制电动机转速速。它不需要要复杂的坐标标变换，也不不需要依赖转转子数学模型型，只是通过过控制PWM型逆变器的导导通和切换方方式，控制电电动机的瞬时时输入电压，，改变磁链的的旋转速度来来控制瞬时转转矩，使系统统性能对转子子参数呈现鲁鲁棒性。并且且这种方法被被推广到弱磁磁调速范围。。逆变器的PWM采用电压空间间向量控制方方式，性能优优越。但同时时不可避免地地产生转矩脉脉动，调速性性能降低的问问题。该方法法对逆变器开开关频率提高高的限制较大大，定子电阻阻对电动机低低速性能也有有较大影响，，如在低速区区，定子电阻阻变化引起的的定子电流和和磁链的畸变变，以及转矩矩脉动、死区区效应和开关关频率等问题题。异步电动机的的控制(1)异步电动机直直接转矩控制制系统的结构构与原理。它它主要包括磁磁链调节器、、转矩调节器器、磁链和转转矩观测器、、转速调节器器等。其中磁磁链观测器对对磁链的观测测是否准确对对整个控制系系统的稳定性性有着举足轻轻重的作用，，而开关策略略和磁链、转转矩调节是先先进控制算法法的核心部分分。异步电动机的的控制(2)直接转矩控制制的特点①直接转矩矩控制所需要要的信号处理理工作特别简简单，所用的的控制信号使使观察者对于于交流电动机机的物理过程程能够做出直直接和明确的的判断。②直接转矩控控制大大减少少了矢量控制制技术中控制制性能易受参参数变化影响响的问题。③直接转矩控控制并非极力力获得理想的的正弦波波形形，也不专门门强调磁链完完全理想圆形形轨迹。相反反，从控制转转矩的角度出出发，它强调调的是转矩的的直接控制效效果，因而它它采用离散的的电压状态和和六边形磁链链轨迹或近似似圆形磁链轨轨迹的概念。。④直接转矩控控制技术对转转矩实行直接接控制。它的的控制效果不不取决于电动动机的数学模模型是否能够够简化，而是是取决于转矩矩的实际状况况，它的控制制既直接又简简化。3.5永磁同步电动动机永磁同步电动动机的结构与与特点永磁同步电动动机的工作原原理与运行特特性永磁同步电动动机的控制永磁同步电动动机的结构与与特点永磁同步电动动机分为正弦弦波驱动电流流的永磁同步步电动机和方方波驱动电流流的永磁同步步电动机。这这里介绍的主主要是三相正正弦波驱动的的永磁同步电电动机。永磁同步电动动机的结构示示意图如图所所示，和传统统电动机一样样，主要由定定子和转子两两大部分构成成。永磁同步电动动机的结构与与特点按照永磁体在在转子上位置置的不同，永永磁同步电动动机的磁极结结构可分为表表面式和内置置式二种。(1)表面式转子磁磁路结构。表表面式转子磁磁路结构中，，永磁体通常常呈瓦片形，，并位于转子子铁心的外表表面上，永磁磁体提供磁通通的方向为径径向。表面式式结构又分为为凸出式和嵌嵌入式两种，，如图所示。。永磁同步电动动机的结构与与特点(2)内置式转子磁磁路结构。按按永磁体磁化化方向与转子子旋转方向的的相互关系，，内置式转子子结构又可分分为径向式、、切向式和混混合式三种。。永磁同步电动动机的结构与与特点永磁同步电动动机与其它电电动机相比，，具有以下优优点：(1)用永磁体取代代绕线式同步步电动机转子子中的励磁绕绕组，从而省省去了励磁线线圈、滑环和和电刷，以电电子换向实现现无刷运行，，结构简单，，运行可靠；；(2)永磁同步电动动机的转速与与电源频率间间始终保持准准确的同步关关系，控制电电源频率就能能控制电动机机的转速；(3)永磁同步电动动机具有较硬硬的机械特性性，对于因负负载的变化而而引起的电动动机转矩的扰扰动具有较强强的承受能力力，瞬间最大大转矩可以达达到额定转矩矩的三倍以上上，适合在负负载转矩变化化较大的工况况下运行；永磁同步电动动机的结构与与特点(4)永磁电动机转转子为永久磁磁铁无需励磁磁，因此电动动机可以在很很低的转速下下保持同步运运行，调速范范围宽；(5)永磁同步电动动机与异步电电动机相比，，不需要无功功励磁电流，，因而功率因因数高，定子子电流和定子子铜耗小，效效率高；(6)体积小、重量量轻。近些年年来随着高性性能永磁材料料的不断应用用，永磁同步步电动机的功功率密度得到到很大提高，，比起同容量量的异步电动动机来，体积积和重量都有有较大的减少少，使其适合合应用在许多多特殊场合；；(7)结构多样化，，应用范围广广。永磁同步电动动机的结构与与特点永磁同步电动动机还存在以以下缺点：(1)由于永磁同步步电动机转子子为永磁体，，无法调节，，必须通过加加定子直轴去去磁电流分量量来削弱磁场场，这会增大大定子的电流流，增加电动动机的铜耗；；(2)永磁电动机的的磁钢价格较较高。由此可见，永永磁电动机体体积小，重量量轻，转动惯惯量小，功率率密度高(可达1kW/kg)，适合电动汽汽车空间有限限的特点；另另外，转矩惯惯量比大，过过载能力强，，尤其低转速速时输出转矩矩大，适合电电动汽车的起起动加速。因因此，永磁电电动机得到国国内外电动汽汽车界的广泛泛重视，并已已在日本得到到了普遍应用用，日本新研研制的电动汽汽车大都采用用永磁电动机机驱动。比较较典型的是在在丰田Prius混联式混合动动力轿车上的的应用。永磁同步电电动机的工工作原理与与运行特性性1．电枢反应应永磁同步电电动机带负负载时，气气隙磁场是是永磁体磁磁动势和电电枢磁动势势共同建立立的。电枢枢磁动势对对气隙磁场场有影响，，电枢磁动动势的基波波对气隙磁磁场的影响响称为电枢枢反应。电电枢反应不不仅使气隙隙磁场波形形发生畸变变，而且还还会产生去去磁或增磁磁作用，因因此，气隙隙磁场将影影响永磁同同步电动机机的运行特特性。对永磁同步步电动机进进行分析时时，需要采采用双反应应理论，即即需要把电电枢电流和和电枢电动动势分解成成交轴和直直轴两个分分量。交轴轴电枢电流流产生交轴轴电枢电动动势，发生生交轴电枢枢反应；直直轴电枢电电流产生直直轴电枢电电动势，发发生直轴电电枢反应。。永磁同步电电动机的工工作原理与与运行特性性2．电压方程程式忽略磁饱和和效应的影影响，永磁磁同步电动动机的电压压方程式为为3．功率与转转矩电动机的电电磁功率为为如果忽略电电枢电阻的的影响，则则电动机的的电磁功率率为永磁同步电电动机的工工作原理与与运行特性性电磁功率与与功率角的的关系称为为永磁同步步电动机的的功角特性性。永磁同步电电动机的工工作原理与与运行特性性4．运行特性性永磁同步电电动机的运运行特性主主要是机械械特性和工工作特性。。永磁同步电电动机稳态态正常运行行时，转速速始终保持持同步速不不变，因此此，其机械械特性为平平行于横轴轴的直线，，调节电源源频率来调调节电动机机转速时，，转速将严严格地与频频率成正比比例变化。。永磁同步电电动机的工工作原理与与运行特性性永磁同步电电动机的工工作特性是是指当电源源电压恒定定时，电动动机的输入入功率、电电枢电流、、效率、功功率因数等等随输出功功率变化的的关系。永磁同步电电动机的控控制1.恒压频比开开环控制(VVVF)VVVF的控制变量量为电动机机的外部变变量即电压压和频率。。控制系统统将参考电电压和频率率输入到实实现控制策策略的调制制器中，最最后由逆变变器产生一一个交变的的正弦电压压施加在电电动机的定定子绕组上上，使之运运行在指定定的电压和和参考频率率下。按照照这种控制制策略进行行控制，使使供电电压压的基波幅幅值随着速速度指令成成比例的线线性增长，，从而保持持定子磁通通的近似恒恒定。VVVF控制策略简简单，易于于实现，转转速通过电电源频率进进行控制，，不存在异异步电动机机的转差和和转差补偿偿问题。但但同时，由由于系统中中不引入速速度、位置置等反馈信信号，因此此无法实时时捕捉电动动机状态，，致使无法法精确控制制电磁转矩矩；在突加加负载或者者速度指令令时，容易易发生失步步现象；也也没有快速速的动态响响应特性。。因此，恒恒压频比开开环控制控控制电动机机磁通而没没有控制电电动机的转转矩，控制制性能差。。通常只用用于对调速速性能要求求一般的通通用变频器器上。永磁同步电电动机的控控制2．矢量控制制矢量控制理理论的基本本思想为；；以转子磁磁链旋转空空间矢量为为参考坐标标，将定子子电流分解解为相互正正交的两个个分量，一一个与磁链链同方向，，代表定子子电流励磁磁分量，另另一个与磁磁链方向正正交，代表表定子电流流转矩分量量，分别对对其进行控控制，获得得与直流电电动机一样样良好的动动态特性。。因其控制制结构简单单，控制软软件实现较较容易，已已被广泛应应用到调速速系统中。。永磁同步电电动机矢量量控制策略略与异步电电动机矢量量控制策略略有些不同同。由于永永磁同步电电动机转速速和电源频频率严格同同步，其转转子转速等等于旋转磁磁场转速，，转差恒等等于零，没没有转差功功率，控制制效果受转转子参数影影响小。因因此，在永永磁同步电电动机上更更容易实现现矢量控制制。永磁同步电电动机的控控制某电动汽车车用永磁同同步电动机机矢量控制制系统框。。永磁同步电电动机的控控制3．直接转矩矩控制永磁同步电电机直接转转矩控制系系统的原理理结构图。。永磁同步电电动机的控控制4．智能控制制为了提高永永磁同步电电动机的控控制性能和和控制精度度，模糊控控制、神经经网络控制制等开始应应用于同步步电动机的的控制。采用智能控控制方法的的永磁同步步电机控制制系统，在在多环控制制结构中，，智能控制制器处于最最外环充当当速度控制制器，而内内环电流控控制、转矩矩控制仍采采用PI控制、直接接转矩控制制这些方法法，这主要要是因为外外环是决定定系统的根根本因素，，而内环主主要的作用用是改造对对象特性以以利于外环环的控制，，各种扰动动给内环带带来的误差差可以由外外环控制或或抑制。在永磁同步步电机系统统中应用智智能控制时时，也不能能完全屏弃弃传统的控控制方法，，必须将两两者很好地地结合起来来，才能彼彼此取长补补短，使系系统的性能能达到最优优。3.6开关磁阻电电动机开关磁阻电电动机的结结构与特点点开关磁阻电电动机的工工作原理与与运行特性性开关磁阻电电动机的控控制开关磁阻电电动机的结结构与特点点1．开关磁阻阻电动机的的结构开关磁阻电电动机是由由双凸极的的定子和转转子组成，，其定子、、转子的凸凸极均由普普通的硅钢钢片叠压而而成。定子子极上绕有有集中绕组组，把沿径径向相对的的两个绕组组串联成一一个两级磁磁极，称为为“一相””；转子既既无绕组又又无永磁体体，仅由硅硅钢片叠成成。开关磁阻电电动机有多多种不同的的相数结构构，如单相相、二相、、四相及多多相等，且且定子和转转子的极数数有多种不不同的搭配配。低于三三相的开关关磁阻电动动机一般没没有自起动动能力。相相数多，有有利于减小小转矩脉动动，但结构构复杂、主主开关器件件多、成本本增高。目目前应用较较多的是四四相8/6极结构和三三相6/4极结构。下下面介绍的的的开关磁磁阻电动机机的结构为为四相8/6极结构。开关磁阻电电动机的结结构与特点点2.开关磁阻电电动机的特特点开关磁阻电电动机与其其它电动机机相比，具具有以下优优点：(1)可控参数多多，调速性性能好。可可控参数有有主开关开开通角、主主开关关断断角、相电电流幅值、、直流电源源电压，控控制方便，，可四象限限运行，容容易实现正正转、反转转和电动、、制动等特特定的调节节控制；(2)结构构简简单单，，成成本本低低。。开开关关磁磁阻阻电电动动机机转转子子无无绕绕组组，，也也不不加加永永久久磁磁铁铁，，定定子子为为集集中中绕绕组组，，永永磁磁电电动动机机及及感感应应电电动动机机都都简简单单，，制制造造和和维维护护方方便便；；它它的的功功率率变变换换器器比比较较简简单单，，主主开开关关元元件件数数较较少少，，电电子子器器件件少少；；(3)损耗耗小小，，运运转转效效率率高高。。开开关关磁磁阻阻电电动动机机的的转转子子不不存存在在励励磁磁及及转转差差损损耗耗，，功功率率变变换换器器元元器器件件少少，，相相应应的的损损耗耗也也小小；；控控制制灵灵活活，，易易于于在在很很宽宽转转速速范范围围内内实实现现高高效效节节能能控控制制；；(4)起动动转转矩矩大大，，起起动动电电流流小小。。在在15%额定定电电流流的的情情况况下下就就能能达达到到100%的起起动动转转矩矩。。开关关磁磁阻阻电电动动机机的的结结构构与与特特点点由于于开开关关磁磁阻阻电电动动机机的的特特殊殊结结构构和和工工作作方方式式，，也也存存在在一一些些缺缺点点：：(1)转矩矩脉脉动动现现象象较较大大；；(2)振动动和和噪噪声声相相对对较较大大，，特特别别是是在在负负载载运运行行的的时时候候；；(3)电动动机机的的出出线线头头相相对对较较多多，，还还有有位位置置检检测测器器出出线线端端；；(4)电动动机机的的数数学学模模型型比比较较复复杂杂，，其其准准确确的的数数学学模模型型较较难难建建立立；；(5)控制制复复杂杂，，依依赖赖于于电电动动机机的的结结构构。。开关关磁磁阻阻电电动动机机工工作作原原理理与与运运行行特特性性1．开开关关磁磁阻阻电电动动机机的的工工作作原原理理开关关磁磁阻阻电电动动机机的的工工作作原原理理如如图图所所示示。。图图中中，，Sl、S2是电电子子开开关关；；VD1、VD2是二二极极管管，，U是直直流流电电源源。。开关关磁磁阻阻电电动动机机工工作作原原理理与与运运行行特特性性2.开关关磁磁阻阻电电动动机机的的运运行行特特性性开关关磁磁阻阻电电动动机机运运行行特特性性可可分分为为三三个个区区域域：：恒恒转转矩矩区区、、恒恒功功率率区区、、自自然然特特性性区区(串励励特特性性区区)，如如图图所所示示。。开关关磁磁阻阻电电动动机机的的控控制制1.角度度位位置置控控制制方方式式(APC)角度度位位置置控控制制是是在在加加在在绕绕组组上上的的电电压压一一定定的的情情况况下下，，通通过过改改变变绕绕组组上上主主开开关关的的开开通通角角和和关关断断角角，，来来改改变变绕绕组组的的通通、、断断电电时时刻刻，，调调节节相相电电流流的的波波形形，，实实现现转转速速闭闭环环控控制制。。根据据电电动动势势平平衡衡方方程程式式可可知知，，当当电电动动机机转转速速较较高高时时，，旋旋转转电电动动势势较较大大，，则则此此时时电电流流上上升升率率下下降降，，各各相相的的主主开开关关器器件件的的导导通通时时间间较较短短，，电电动动机机绕绕组组的的相相电电流流不不易易上上升升，，电电流流相相对对较较小小，，便便于于使使用用角角度度位位置置控控制制方方式式。。因为为开开通通角角和和关关断断角角都都可可调调节节，，角角度度位位置置控控制制可可分分为为：：变变开开通通角角、、变变关关断断角角和和同同时时改改变变开开通通角角及及关关断断角角三三种种方方式式。。改改变变开开通通角角，，可可改改变变电电流流波波形形的的宽宽度度、、峰峰值值和和有有效效值值的的大大小小，，还还可可改改变变电电流流波波形形与与电电感感波波形形的的相相对对位位置置，，从从而而改改变变了了电电动动机机的的转转矩矩和和转转速速。。而而关关断断角角一一般般不不影影响响电电流流的的峰峰值值，，但但可可改改变变电电流流波波形形的的宽宽度度及及其其与与电电感感曲曲线线的的相相对对位位置置，，进进而而改改变变电电流流的的有有效效值值。。故故一一般般采采用用固固定定关关断断角角、、改改变变开开通通角角的的控控制制方方式式。。开关磁阻阻电动机机的控制制根据SRM的转矩特特性分析析可知，，当电流流波形主主要位于于电感的的上升区区时，产产生的平平均电磁磁转矩为为正，电电动机运运行在电电动状态态；当电电流波形形主要位位于电感感的下降降段时，，产生的的平均电电磁转矩矩为负，，电动机机工作在在制动状状态。而而通过对对开通角角、关断断角的控控制，可可以使电电流的波波形处在在绕组电电感波形形的不同同位置。。因此，，可以用用控制开开通角、、关断角角的方式式来使电电动机运运行在不不同的状状态。角度位置置控制的的优点在在于：转转矩调节节的范围围宽；可可同时多多相通电电，以增增加电动动机的输输出转矩矩，同时时减小了了转矩波波动；通通过角度度的优化化，能实实现效率率最优控控制或转转矩最优优控制。。根据上面面的分析析可知，，此法不不适于低低速场合合。因为为在低速速时，旋旋转电动动势较小小，使电电流峰值值增大，，必须采采取相应应措施进进行限流流，故一一般用于于转速较较高的场场合。开关磁阻阻电动机机的控制制2.电流斩波波控制根据电动动势平衡衡方程式式可知，，电动机机低速运运行特别别是启动动时，旋旋转电动动势引起起的压降降很小，，相电流流上升快快，为避避免过大大的电流流脉冲对对功率开开关器件件及电动动机造成成损坏，，需要对对电流峰峰值进行行限定，，因此，，可采用用电流的的斩波控控制，获获取恒转转矩的机机械特性性。电流流斩波控控制一般般不会对对开通、、关断角角进行控控制，它它将直接接选择在在每相的的特定导导通位置置对电流流进行斩斩波控制制。目前常用用的有两两种方案案：对电电流上、、下限进进行限制制的控制制，及限限制电流流上限值值和恒定定关断时时间的控控制。该控制的的优点在在于：它它适用于于电动机机的低速速调速系系统，可可以控制制电流峰峰值的增增长，并并有很好好的电流流调节作作用：因因每相电电流波形形会呈现现出较宽宽的平顶顶状，使使得产生生的转矩矩比较平平稳，转转矩的波波动相应应地比其其它控制制方式要要小。然而，由由于电流流的峰值值受到了了限制，，当电动动机转速速在负载载的扰动动作用下下发生变变化时，，电流的的峰值无无法做出出相应的的改变，，使得系系统的特特性比较较软，因因此系统统在负载载扰动下下的动态态响应很很缓慢。。开关磁阻阻电动机机的控制制3.电压控制制(VC)VC方式是保保持开通通角、关关断角不不变的前前提下，，使功率