电机驱动系统

电机驱动系统第一页，共四十八页，2022年，8月28日主要内容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第二页，共四十八页，2022年，8月28日一、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第三页，共四十八页，2022年，8月28日电动机控制器第四页，共四十八页，2022年，8月28日交流电机控制器控制电路主电路第五页，共四十八页，2022年，8月28日控制器中的CPU主控制板第六页，共四十八页，2022年，8月28日二、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。第七页，共四十八页，2022年，8月28日三、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。第八页，共四十八页，2022年，8月28日

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（％）85～8995～9794～95

<90

效率（10％负载）80～8790～9279～8578～86最高转速（rpm)4000~60004000~100009000~1500015000电机费用/kW($)1010~158~126~10控制器成本12.53.54.5坚固性良良优良信赖性普通良优良表.1各种电机的特性比较

（摘自日本电气学会技术报告）第九页，共四十八页，2022年，8月28日永磁同步电机

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△表2永磁同步电机与异步电机的特性比较第十页，共四十八页，2022年，8月28日表2永磁同步电机与异步电机的特性比较(续）

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◎第十一页，共四十八页，2022年，8月28日四、直流电机及其控制系统1.直流电机的结构和原理（并联）IfMnIf

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。第十二页，共四十八页，2022年，8月28日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。ECT1T2MD1D2斩波器主电路第十三页，共四十八页，2022年，8月28日3.斩波器的PWM控制nMn1n2MZM1*(Ia1*)ABM2*(Ia2*)0控制框图调速原理第十四页，共四十八页，2022年，8月28日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的存在导致的缺点：电机转速低、体积大；需要维护；成本高。第十五页，共四十八页，2022年，8月28日五、交流电机及其控制系统1.交流电机的主要类型交流电机1.同步电机2.异步电机（感应电机）转子永磁转子励磁永磁同步电机

(自控式）无刷直流电机转子绕线式转子笼型第十六页，共四十八页，2022年，8月28日2.交流电机的定子结构三相电枢绕组第十七页，共四十八页，2022年，8月28日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第十八页，共四十八页，2022年，8月28日六、无刷直流电机控制系统转子位置传感器

永磁同步电机三相功率变换器控制电路自控式永磁同步电机控制器1.系统构成第十九页，共四十八页，2022年，8月28日2.无刷直流电机与永磁同步电机差别ωt2π0B0(e0)永磁同步电机无刷直流电机一对极下不同的气隙磁密分布图第二十页，共四十八页，2022年，8月28日3.无刷直流电机工作原理iAABiBCiCSNFABFACFBCFBAFCAFCBXYZF0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。第二十一页，共四十八页，2022年，8月28日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。SNF0nFABFAC60o60o第二十二页，共四十八页，2022年，8月28日4.无刷直流电机控制框图-A+÷2∑iaibiciaibicIREFPIPWM逻辑变换PS+A+B+C-B-CIFPositionSensor三相反馈电流输出6路驱动信号第二十三页，共四十八页，2022年，8月28日PS逻辑变换++++A-A+B-B+C-CPWM

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第二十四页，共四十八页，2022年，8月28日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。第二十五页，共四十八页，2022年，8月28日七、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。0AB不同频率下的异步电机机械特性第二十六页，共四十八页，2022年，8月28日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（VariableVoltageVariableFrequency)

简称VVVF控制；

脉宽调节控制（PulseWidthModulation)

简称PWM控制。

1.SPWM;

2.电压空间矢量PWM；

3.优化PWM;

4.随机PWM;5.第二十七页，共四十八页，2022年，8月28日基于动态的控制：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。）

第二十八页，共四十八页，2022年，8月28日3.

异步电机滑差频率控制框图ωs*ωr*PIFG+ωrωs*ωr++ω1I1*cosω1tcos(ω1t-120o)cos(ω1t-240o)乘法器ia*iaib*icic*ib+PIPWMPIPWMPIPWM三角波驱动信号产生a-ab-bc-cI1

=f(ωs)++基本原理：在机械特性的线性段，电磁转矩正比于滑差频率。函数发生器第二十九页，共四十八页，2022年，8月28日TMψ2++++I1TI1MI2TI2Mω1(a)直流电机模型ψ2I1MI1TI2TI1βF0F2F1(b)电流、磁势向量图4.异步电机矢量控制矢量控制原理经3/2变化、旋转变换后，异步电机变成了直流电机模型。将M-T坐标的M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。第三十页，共四十八页，2022年，8月28日转子磁链方程转子电压方程稳态时所以等效直流机模型的方程第三十一页，共四十八页，2022年，8月28日转矩控制如何实现？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。第三十二页，共四十八页，2022年，8月28日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。第三十三页，共四十八页，2022年，8月28日逆变器IM3/23/2idiquduqψ观察器ψqψdT计算DTTψ1计算Dψψ1+θN+

开关表6*Ud+*ψ1Tψ1ωr

速度传感器直接转矩控制框图第三十四页，共四十八页，2022年，8月28日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，容易产生过流。第三十五页，共四十八页，2022年，8月28日八、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。第三十六页，共四十八页，2022年，8月28日

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转矩：靠磁通收缩产生转矩第三十七页，共四十八页，2022年，8月28日AXBYCZ1234563.开关磁阻电机功率变换器主电路A相第三十八页，共四十八页，2022年，8月28日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。第三十九页，共四十八页，2022年，8月28日九、电机及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。第四十页，共四十八页，2022年，8月28日高频软开关应用技术研究用高频减小低速下的转矩脉动