电动汽车电机控制与驱动技术严朝勇课后参考答案

第1章一、填空题1.电机作为混合动力系统中一个重要的动力输出源，其自身的性能直接影响到了电动汽车的整体性能。一方面，汽车所需求的电机输出和回收功率不断提高，以满足不同工况不同车型的需求；另一方面，这种新型机电一体的传动系统尺寸受到车内空间的限制。这就需要混合动力车用电机向高性能和小尺寸发展。2.目前电动汽车电机驱动系统中，主要采用感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机；电机驱动控制系统由电力电子逆变器向IGBT集成模块发展，传感器向集成智能传感器发展，在电机的控制方法方面，传统的控制方法是直流电机的励磁控制法与电枢电压控制法；开关磁阻电动机的角度位置控制、电流斩波控制以及电压控制；感应电机主要有V/F控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制等等。二、问答题1.电动汽车的电机驱动系统主要有电气系统和机械系统组成，其中，电气系统由电机、功率转换器和电子控制器等三个子系统构成，机械系统则由机械传动和车轮等构成。2.电机是将电能转换成机械能或将机械能转换成电能的装置，它具有能做相对运动的部件，是一种依靠电磁感应而运行的电气装置。电机主要性能指标有额定功率、峰值功率、额定转速、最高工作转速、额定转矩、峰值转矩、堵转转矩、额定电压、额定电流、额定频率等。3.电机控制系统主要由电机控制装置,电机驱动电路和电机控制保护装置三部分组成.

4.1.电动汽车的发展历程。首先，电动汽车的历史可以追溯到19世纪中叶，当时电动汽车是主流汽车类型之一，但由于石油汽车的出现，它们逐渐被淘汰；在20世纪末和21世纪初，环保和能源危机的要求推动电动汽车的再次出现。最初的电动汽车主要采用直流电机驱动，但这种技术存在许多问题，例如低功率、低效率、噪音和易损等；随着科技的进步，交流电机和控制技术逐渐成为主流，使得电动汽车的性能大大提高。现在的电动汽车采用的控制技术包括电子调速、感应电动机、永磁同步电机等。电力电子技术在电动汽车中的应用：电动汽车中的电机控制很大程度上依赖于电力电子技术。例如，变频器可以通过改变电机的电源频率和电压来控制电机的速度；另一方面，交流/直流模块可以将电池的直流电转换成电动机所需的交流电。此外，电源管理单元确保电池充电和放电的安全和有效；电动汽车的未来趋势。随着科技和市场的竞争加剧，电动汽车的发展仍然不断加速。未来的趋势可能包括更高效的电机和控制系统、更快的充电速度、更长的电池续航时间等；另一方面，人工智能技术的应用也可能推动电动汽车的发展。例如，AI可以帮助优化电动汽车的能源管理，并最大程度地提高其性能和效率。5.最大功率是电机的输出功率，也是衡量电机驱动能力的重要指标之一。通常来说，功率越大，车辆加速性能越好，但同时也需要更大的电能支持。最大扭矩是电机的输出扭矩，如果将电机比作“马力”，那么扭矩就相当于“牵引力”。最大扭矩越大，车辆的起步和爬坡能力就越强，但同时也需要更多的电能支撑。电机效率是指电机输入能量与输出能量之比。电机效率越高，电能消耗越少，车辆续航里程就越长。因此，在购买新能源汽车时，消费者应该选择效率高的车型。电机的转速范围是指电机最大转速和最小转速之间的差值。转速范围越大，车辆的适应性也就越高，可以适应不同的路况和驾驶方式。电机控制系统是指电机和电池之间的桥梁，可以控制电机的负载和输出功率。目前，大部分新能源汽车都配备了高精度的电机控制系统，可以提高电机的驱动能力和效率。综上所述，最大功率、最大扭矩、效率、转速范围和控制系统是新能源汽车电机的主要性能指标。消费者在购买新能源汽车时，应该根据自己的需求和预算来选择适合自己的车型。6.电动汽车的驱动原理是通过电池提供电能,电动机将电能转化为机械能,控制系统监测和控制车辆运行,实现电动汽车的驱动。电动汽车具有零排放、低噪音、高效率等优点。第2章一、填空题1.直流电机包括直流发电机和直流电动机，它们具有相同的结构。将机械能转换成直流电能的称为直流发电机，将直流电能转换成机械能的称为直流电动机，直流电机具有可逆性。2.当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的转度及加/减速率所组成的命令(Command)与hall-sensor信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(AH、BL或AH、CL或BH、CL或……)开关导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM来完成。PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM才是要达到较精准速度控制的核心。二、问答题1.直流电机一般是根据励磁方式进行分类：串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。2.直流电动机的运行特性包括工作特性和机械特性。工作特性是指电动机在额定电压、额定励磁电流不变情况下，其转速、转矩和输出功率之间的关系。3.直流电动机与直流发电机在工作原理上并无本质性的差别，只是外界条件的不同，从而导致运行状态的区别。当轴上输入机械功率时，直流电机输出电功率为直流发电机；反之，当轴上输入电功率时，直流电机输入机械功率为直流电动机，这也是直流电机的可逆性原理。电动机的电磁转矩使电枢转动，称为驱动转矩，因此必须与机械负载转矩T2乃及空载损耗转矩T1相平衡，平衡方程式为Te=T2+T1当轴上的机械负载发生变化时，电动机的转速、电动势、电流及电磁转矩将自动进行调整，以适应负载转矩的变化，保持新的平衡。4.换向器是直流电动机的一种特殊装置，主要由许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是云母绝缘片。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路联接。换向器是直流电动机的结构特征，易于识别。电刷与电枢的换向器配合，实现电枢绕组的电流换向，将蓄电池的直流电变换成电枢内部的交变电流，驱动汽车行驶。可通过改善材料性能或采用新型材料或其他方法，如工艺方面要求，实现改善换向的作用。第3章一、填空题1.三相异步电机的定子绕组是一个对称的三相绕组。当三相异步电机接到三相电源上，定子绕组就能够产生一个旋转磁场。该磁场切割转子绕组，在转子绕组中感应电动势。如果转子绕组电路闭合，则会产生转子电流，该电流与定子旋转磁场相互作用，使转子绕组导体受到电磁力的作用，从而使转子跟着定子旋转磁场同方向旋转，电机就能带动机械负荷。2.变频器是把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置。主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。主要由整流器和逆变器两大部分组成。整流器先将三相交流电变换为直流电，再由逆变器变换为频率可调、电压有效值也可调的三相交流电，供给三相电动机，使电动机达到无级调速，具有较好的机械特性。二、问答题1.三相异步电动机根据其转子结构的不同又可分鼠笼式和绕线式两大类，其中鼠笼式应用最为广泛。2.三相异步电机逆变器的控制方法主要有V/f恒定控制法、转差率控制法、矢量控制法和直接转矩控制法(DTC)。3.三相异步感应电动机可以工作于两种运动状，即电动运转状和制动运转状态。1）电动运转状态。在三相异步感应电动机处于电动运转状态时，供电系统向三相异步感应电动机借给电能，产生正向旋转的驱动转。三相电源中任何两相接线交换，都产生反相旋转的驱动转矩。通过简单的换相接线，即可实现电动汽车电动逆向行驶（倒车）。2)制动运转状态。三相异步感应电动机的三种制动运转状态：反馈制动、反接制动和能耗制动。一般情况下，电动汽车利用反馈制动回收能量可以达到车辆所消耗能量的10%-15%,这对于电动汽车的节能有重要意义。4.在交流异步电动机中，定子绕组流过依次相差1200相位角的三相交流电时，产生旋转磁场。该旋转磁场在转子绕组中产生感应电动势，因为绕组是闭合回路，所以产生感应电流，有电流的绕组导体在旋转磁场中产生电磁力，对转轴形成电磁转矩带动转轴转动。第4章一、填空题1.为了兼顾电动汽车的经济运行和高速运行，电动汽车用永磁同步电动机的设计一般理念是：基速(额定转速)时的反电动势与电源额定电压平衡；在转折速度以下作恒转矩运行，转折速度以上作弱磁恒功率运行。永磁同步电机采用表面式转子结构；电机的尺寸由所需的基本转矩来确定，定子绕组按最大转速下产生的感应电势与电源额定电压平衡设计；基速以下，电机效率与按一般理念设计的电机基本相同，基速以上，定子电流与速度成反比减小，因此定子铜耗与一般理念设计的电机相比显著降低。2.控制策略方面，永磁同步电机控制系统可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制等的先进控制策略。采用矢量控制的策略，通过三闭环电流闭环、磁极位置闭环和转速闭环对电机进行控制。二、问答题1.永磁同步电机可分为永磁直流电机、永磁同步电机、永磁无刷直流电机和永磁混合式电机四类。2.永磁同步电机的驱动特性电动汽车运行于较宽的负载和转速范围及复杂的路况下，必须确保其在恶劣路面及气候、在大幅度变化的交通状况下的整体性能的优异、高效和可靠性，因此电动车的电机及其控制与传统的电机及其控制相比，其特殊要求如下：(1)高的短时功率、转矩密度和宽调速范围。低速(恒转矩区)运行应能够提供大转矩，以满足起动、爬坡等要求；能够提供高转速，以满足汽车高速行驶及超车的要求。(2)在整个运行范围内具有高效率。目的是增加电动汽车一次充电的行驶距离。(3)有较强的过载能力、快速的动态响应及良好的加速性能。目的是适应路面变化及频繁起动和刹车等复杂运行工况。(4)可靠性高，重量轻，体积小，成本合理。3.工作原理：三相永磁同步电动机具有定子三相分布的绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证反电动势波形为正弦波，为了进行磁场定向控制，输入到定子的电压和电流也为正弦波，达到控制永磁同步电机的工作过程。4.永磁同步电机的特点：永磁同步电机的功率因数大、效率高、功率密度大，是一种比较理想的驱动电机。(1)电机效率永磁同步电机低速效率较低，如何通过设计降低低速损耗，减小低速额定电流是日前研究的热点之一。(2)电机的弱磁能力永磁同步电机由于转子是永磁体励磁，随着转速的升高，电动机电压会逐渐达到逆变器所能输出的电压极限，这时要想继续升高转速只有靠调节定子电流的大小和相位增加直轴去磁电流来等效弱磁提高转速。第5章一、填空题1.开关磁阻电机(SwitchedReluctanceMotor,SRM)是一种新型电机，由双凸极的定子和转子组成，其定子、转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成。转子既无绕组又无永磁体，定子极上绕有集中绕组。径向的两个绕组串联成一个两级磁极，称为“一相”。SRM可以设计成多种不同的相数结构，且定子、转子的极数有多种不同的搭配。2.SRM的动作过程可分为发电过程和电动过程，分别对应于电动汽车的制动、滑行以及正常行驶过程，而将电动汽车制动、滑行时的能量回收到储能装置中，即能量的再生回馈；发电状态和电动状态是通过软件来实现切换的。在整个发电习馈过程中，由于SRM本体结构特殊，其定子绕组既是励磁绕组又是电枢绕组，故其励磁与续流（发电）过程必须采用周期性分时控制。其励磁过程是可控的，但续流（发电）过程不可控，因而我们采用电流斩波控制来调节励磁阶段的励磁电流的大小，从而实现对发电过程的控制。而电动过程采用电压斩波控制，以调节电枢平均电压从而实现对转矩和转速的调节。二、问答题1.磁阻电机大致可以分为以下三类：(1)开关磁阻电机；(2)同步磁阻电机；(3)其他类型的电机。2.开关磁阻电机的工作特性：(1)调速范围宽、控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩一速度特性。(2)制造和维护方便。(3)运转效率高。(4)可四象限运行，具有较强的再生制动能力。(5)结构简单、成本低、制造工艺简单，其转子无绕组，可工作于极高速；定子为集中绕组、嵌放容易、端部短而牢固、工作可靠，适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。(6)转矩方向与电流方向无关，从而减少功率变换器的开关器件数，减低了成本。同时功率变换器元件的减少，也不会出现直通故障，且可靠性高。控制方便，可四象限运行容易实现正转、反转和起动、制动等特定的调节控制。(7)损耗小。主要产生在定子，电机易于冷却。电机转子不存在励磁及转差损耗，由于功率变换元器件少，相应的损耗也小。(8)可控参数多、调速性能好。可控参数有主开关开通角、主开关关断角、相电流幅值和直流电源电压。(9)适于频繁起、停、及正、反转运行。(10)SRM结构虽然很简单，但其设计和控制较复杂。3.工作原理:SRM的运行遵循“磁阻最小原则”——磁通总是沿磁阻最小的路径闭合。当定子的某相绕组通电时，所产生的磁场由于磁力线扭曲而产生切向磁拉力，迫使相近的转子极即导磁体旋转到其轴线与该定子极轴线对齐的位置，即磁阻最小位置。产生电磁力，驱动汽车行驶。SRM的转动方向总是逆着磁场轴线的移动方向，改变SRM定子绕组的通电顺序，就可改变电机的转向；而改变通电相电流的方向，并不影响转子转动的方向。4.SRM的运行不是单纯的发电或者电动的过程，而是将两者有机结合在一起的控制过程，即它同时也包含了能量回馈的过程。这一控制系统主要特点包括：（1)不同能量流动过程分时控制，采用相同的硬件设备实现；（2)将发电和电动过程整合到一起；（3)能量的回馈。第6章一、填空题1.续流增磁电机驱动系统是基于永磁加增磁复合励磁原理，研制出的一种具有低速增磁增扭和高速弱磁增速功能的全新电机调速系统。该新型电机及其控制器具有无附加励磁调节装置，系统可靠性强，成本低;高效区广，调速范围广；在双象限范围内运行，可实现再生制动;运行时噪音低等优点，控制特性更符合电动汽车动力特性的需求。该系统把增磁绕组接在电机续流回路中，产生了全新的自动弱磁调速理念。2.蓄电池、占空比、磁通、加速踏板、电驱电流二、问答题1.如何分类：混合励磁电机在永磁电机的基础上引入电励磁绕组，结构灵活多样，励磁绕组和永磁体的安装位置直接影响混合励磁电机的结构形式、磁场调节性能和输出特性。从永磁体和励磁绕组的位置角度出发，可以将混合励磁电机结构分类，分为以下五种类型。2.工作原理：当电机工作在低转速区时,电机电枢的反电动势小,此时PWM的占空比很小,电枢电流即可达到加速踏板信号的设定值。电流通过续流增磁绕组的时间长,增磁效果显著,电机具有很大转矩,对比传统电机,电动汽车加速性能得到提高。随着电机转速的增高,电机电枢反电动势逐渐增大,PWM占空比逐步增大才能满足加速踏板信号所设定的电枢电流。电流通过续流增磁绕组的时间则相应减小,绕组增磁作用逐步减弱,实现了电机弱磁增速恒功率的特性,很好地满足电动汽车行驶对动力性的需求。整个弱磁过程中永磁部分的磁通始终保持恒定,与传统型直流电机比较,系统在调速特性、转矩特性、峰值功率和系统效率等方面具有很大的优越性。3.优点：（1）续流增磁电动机工作特性该续流增磁电动机的工作特性：当电动机转速恒定时,转矩随着电枢电流的增加而减小；当电枢电流恒定时,转矩随着电动机转速的增高而增大；转矩随着转速的上升和电枢电流的降低而平滑减小。（2）电动机续流回路中有无增磁绕组性能比较当续流回路中接有增磁绕组时,该新型电动机随着转速的变化具有自动弱磁调速的特性。当续流回路不接有增磁绕组时,该电动机与传统的他励直流电动机等效。第7章？一、填空题1.DC/DC、降压、降压升压2.交流电压、交流发电机、电器、模块、滤波、过流、杂波。二、问答题1.DC/DC变换器分为隔离式和非隔离式两类；AC/DC按输出类型：可以分为单路输出和多路输出电源模块。单路输出电源模块只有一个输出端口，而多路输出电源模块则可以同时为多个设备提供电源。2.结构和工作原理：1）DC/DC逆变器一般由控制芯片、电感线圈、二极管、三极管、电容器构成。DC/DC转换器就是重复通断开关，把直流电压或电流转换成高频方波电压或电流，再经整流平滑变为直流电压输出。2）AC/DC功率变换器结构和作用：AC/DC功率变换器（模块）一般由输入滤波电路、全波整流和滤波电路、DC/DC变换电路、过电压和过电流保护电路、控制电路和输出整流电路组成，其作用是将交流电压变为直流脉冲电压，输入滤波电路的作用是使整流后的电压更加平滑，并将电网中的杂波滤除以免对模块产生干扰，同时输入滤波器也阻止模块自身产生的干扰影响。3.DC/DC转换器工作原理是通过不断的通断开关，将输入的直流电压或电流转换为高频方波电压或电流。随后，这个高频方波电压或电流经过整流和平滑处理，最终输出为稳定的直流电压。AC/DC变换是将交流变换为直流，AC/DC转换器就是将交流电变为直流电的设备，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为整流，功率流由负载返回电源的称为有源逆变AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。第8章一、填空题1.电动汽车轮毂电机总成及控制系统属于汽车零部件，是电动汽车零部件的关键核心部件，该系统的特点是：将电机系统、刹车系统、悬挂系统于一身的独特设计，有永磁无刷同步电动汽车轮毂电机和开关磁阻轮毂电机，可采用PWM控制和交流变频控制，这种完善的产品设计，具有效率高、重量轻、寿命长、噪音低、匹配强、结构简单，组装容易、功能齐全、独立悬挂、安全可靠的特点，不用车桥、变速箱等机械部件而直接悬挂在车身上安装轮胎，传动消耗等于零，转动效率百分之百。与传统的电机传动轴-变速箱-差速器-车桥等电动汽车机械传动系统有质的变化，因而整体结构，驱动性能，综合效率，续驶里程优于任何形式的驱动结构，可配置成两轮驱动和四轮驱动，是电动汽车驱动系统的首选，而且可与任何型号的汽车相匹配，组成电油混合动力汽车，轮毂电机驱动是未来电动汽车驱动形式的发展方向。2.四轮驱动、线控、转弯驱动控制器二、问答题1.电动汽车用电动机主要有异步电动机(IM)、永磁无刷电动机(PMBLM)和开关磁阻电动机(SRM)、横向磁场电机(TFPM)等四类。2.工作原理;功率与控制电子模块为整个轮毂电机的核心，负责各个子电机的逆变功能以及协同控制。轮毂电机由8个逻辑上的子电机组成，使用共同的转子，并通过算法实现各子电机的独立、协同控制。通过对8个子电机进行合理的协同控制，可将各子电机输出的功率、扭矩进行叠加，实现整个电机强劲的驱动力.3.控制技术：随着微电子及计算机技术，采用轮毂电机,以及电子转向线控技术、智能控制技术，各车轮的驱动力直接独立可控，将使系统结构更加简单、响应更加迅速，抗干扰能力加强，以此大大提高整个系统的综合性能。因此无论是前驱、后驱还是四轮驱动形式，它都可以比较轻松地实现转速变化和转向变化，四轮驱动在轮毂电机驱动的车辆上实现起来非常容易。第9章一、填空题1.车载处理器、功能总成、控制指令、动态、信息比较2.通信协调、CAN总线、命令、独立、安全性二、问答题1.

电动汽车整车控制系统主要分为集中式控制和分布式控制两种方案2.其基本构造

高压电池，带控制单元（用于蓄电池管理）和必要的充电器。●电机，带电动控制（动力电子元件）和冷却系统。变速器，包括差速器。制动系统和空调。电动汽车的基本结构主要可分为三个子系统，即主能源系统（电动源）、电力驱动系统、能量管理系统。其中电力驱动系统又由电控系统、电机、机械传动系统和驱动车轮等部分组成，能量管理系统是实现电源利用控制、能量再生、协调控制等功能的关键部件。电力驱动系统是电动汽车的核心，也是其区别于内燃机汽车的最大不同点。3.电动汽车电机控制器的控制策略主要包括矢量控制策略、直接转矩控制策略和最优控制策略等。略。4.①结构简单，只有两根线与外部相连，且内部含有错误探测和管理模块。②通信方式灵活。可以多种方式工作，网络上任意一个节点均可在任意时刻主动的向网络上的其他节点发送信息，而不分主从。③可以点对点、点对多点及全局广播方式发送和接受数据。④网络上的节点信息可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。⑤CAN通讯格式采用短帧格式，每帧字节数最多为8个，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态和测试数据的一般要求。同时，8个字节也不会占用总线时间过长，从而保证了通讯的实时性。⑥采用非破坏性总线仲裁技术。当两个节点同时向总线上发送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可以不受影响继续传输数据，这大大地节省了总线仲裁冲突时间，在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪。⑦直接通讯距离最大可达1k0m(速率在5kb／S以下)，最高通讯速率可达1Mb／s(此时距离最长为40m)。节点数可达110个，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。⑧CAN总线通讯接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。⑨CAN总线采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。第10章一、填空题1.可逆作用、发电机、汽车动能、储能器2.电力驱动、调速控制、磁生电、反转、动力电池二、问答题1.分别是电机再生型、制动再生型、踏车式再生型和混合再生型。简述之，独立完成。2.电动汽车再生制动的结构：1)再生制动系统建模；2）车辆动力学模型；3）传动系统模型；4）电机系统模型；5）电池模型；6）再生制动的限制条件；7）制动舒适性的约束。电动汽车再生制动的工作原理：理想的制动力分配控制策略原理。根据制动踏板位置传感器或制动管道回路压力获得汽车的制动减速度，当制动减速度小于O.15g，制动力全部由前轮再生制动力提供，后轮上不施加制动力。当制动减速度大于O.15g时，施加在前后轮上的制动力将依据理想的制动力分布曲线进行分配。最佳能量回收控制策略，侧重于最大程度回收制动能量。如教材所示。P165-166.3.变频器的基本原理：在逆变器中采用大功率电子器件(如GTR、IGBT)做主元件主回路的电路，如图10-20(a)所示；由微机C