第3章-新能源汽车驱动电机及其控制课件

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1、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,,2020/8/27,,第,‹#›,,页,单击此处编辑母版标题样式,,,,规格严格 功夫到家,,,（威海）,HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY,SCHOOL OF AUTOMOBILE ENGINEERING,汽车工程学院,单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/8/27,,‹#›,新能源汽车,驱动电机及其控制,,第,3,章,,3.1,驱动电动机概述,驱动电动机是

2、新能源汽车的核心部件，其主要功能是把电能转化为机械能来驱动汽车行驶。其性能的好坏直接影响电动汽车整车性能，特别是影响电动汽车的最高车速、加速性能及爬坡性能等。,以上,相同含量的材料组分，以安全性较差的材料组分编写代码,。,,3.1.1,新能源汽车对驱动电机的要求,新能源汽车对驱动电动机的要求主要由以下三个方面决定：驾驶性能要求、车辆的性能约束以及车载能源系统的性能。驾驶性能的要求是由包括汽车动力性、制动性能以及续驶里程等性能在内的驾驶模式决定的；车辆的性能约束主要是指车型、车重、载重及平顺舒适性等；能量系统的性能与蓄电池、燃料电池、超级电容、飞轮等能源有关。,,,低速大转矩特性及较宽范围内的恒

3、功率特性,2.,在整个运行范围内的高效率和高功率比,3,．体积小、重量轻,4.,高转速,5.,过载能力强、瞬时功率大,6.,协同性能好,7.,能作为发电机使用,8.,高可靠性,9.,高电压,,,3.1.2,新能源汽车驱动电机种类,,有刷直流电动机,2.,永磁直流无刷电动机,3.,交流异步电动机,4.,永磁同步电动机,5.,开关磁阻电动机,,开关磁阻电动机,是一种新型电动机，因其结构简单、坚固、工作可靠、效率高，其调速系统运行性能和经济指标比普通的交流调速系统好，具有很大的潜力，被公认是一种极有发展前途的电动汽车驱动电动机。,,,,,3.2,直流电动机,直流电动机大致可分为永磁式电动机,(,没有

4、励磁绕组，永磁体的磁场是不可控制的,),和绕组式电动机,(,有励磁绕组，磁场可由直流电流控制,),。在电动汽车所采用的电动机中，小功率电动机采用的是永磁电动机，而大功率的电动机，大多采用的是像串励、并励以及复励电动机等有励磁绕组的电动机。,,,3.2.1,直流电动机,分类,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,4,种类型。,,1.,他励式直流电动机,他励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组无连接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响，永磁直流电动机也可看作他励直流电动机。,2.,并励直流电动机,并励直流电动机的励磁绕

5、组与电枢绕组相并联，共用同一电源，性能与他励直流电动机基本相同。并励绕组两端电压就是电枢两端电压，但是励磁绕组用细导线绕成，其匝数很多，因此具有较大的电阻，使得通过它的励磁电流较小。,,3.,串励直流电动机,,,串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，这种直流电动机的励磁电流就是电枢电流。这种电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化，为了使励磁绕组中不致引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以串励直流电动机通常用较粗的导线绕成，它的匝数较少。,4.,复励直流电动机,复励直流电动机有并励和串励两个励磁绕组，电动机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生，若串励绕组产生的磁通

6、量与并励绕组产生的磁通量方向相同称为积复励。若两个磁通量方向相反，则称为差复励。,,3.2.1,直流电动机的基本构造,直流电动机主要由转子、定子、机座和电刷架等部分组成。,,1,．定子部分,,直流电动,机的定子主要由主磁极、机座、,换,向极和,电,刷装置等,组,成。,,（,1,）主磁极,其作用是建立主磁场,，由主极,铁心,和套装在,铁心,上的励磁,绕组,构成。,,,（,2,）机座,用铸钢,或厚,钢,板,焊,制而成，它既是主磁路的一部分，又是,电动,机的,结,构框架。,,（,3,）换,向极,其作用是改善直流,电动,机的,换,向性能，使直流,电动,机运行,时,不,产,生有害的,火花。它由换,向极,

7、铁心,和套装在,铁心,上的,换,向极,绕组,构成。,,（,4,）电,刷装置,由,电,刷、刷握、刷杆、,汇,流排等,组,成，用于,电,枢,电,路的引入或引出。,,2,．转,子部分,转,子部分包括,电,枢,铁心,、,电,枢,绕组,、,换,向器等。,（,1,）电,枢,铁心,,它既是主磁路的,组,成部分，又是,电,枢,绕组,的支撑部分。,电,枢,绕组,嵌放在,电,枢,铁心,的槽内。,电,枢,铁心,一般用,0.50mm,的硅钢,片叠,压,而成。,（,2,）电,枢,绕组,由,铜线,按要求,绕,制而成，它是直流,电动,机的,电,路部分，,也是产,生,电动势和电,磁,转,矩,进,行机,电,能量,转换,的部分。

8、,（,3,）换,向极,由冷拉梯形,铜,排和,绝缘,材料等,组,成，用于,电,枢,电,流的,换,向。,,3,．端盖,,周定在基座两端，装有轴,承以支,撵电动,机,转,子旋,转,。,4.,电刷架,,装在端盖上，电刷架与换向器相连。,,,3.2.3,直流电动机工作原理及其性能,直流电动机工作原理,直流电动机的工作原理简单明了。当一载流导线放置在磁场中时，则将产生作用于导线上的磁场力。该力垂直于导线和磁场，如图所示。此磁场力与导线长度、电流大小以及磁感应强度成正比，即：,F=BIL,当导线形成一个线圈，则作用于线圈两边的磁场力即产生一转矩，该转矩可表示为：,T=BILDcosa

9、 (3-2),,,,,,2.,直流电动机,性能,实际上，直流电动机性能可通过电枢电压、反电动势和磁通予以描述。直流电动,机,电,枢的,稳态,等,值电,路如,图所示。,,,对,于他励和并励直流,电动,机，,,等于,电,枢,绕组,的,电,阻；,对,于串励和复励直流电动,机，,,为电,枢,绕组,与串励,绕组电,阻的,总,和,。直流电动,机的基本方程,组为：,,,（,3-3,）,,,,（,3-4,）,,,（,3-5,）,,,（,3-6,）,,就串励直流电动,机,而,言，磁通随,电,枢,电,流而,变,化。在磁化特性的非饱和区，可假定,,与,I,成正比，,因此有,,,(3-7),可得

10、串励直流电动机转速为,,,,（,3-8,）,,3.2.5,直流电动机控制,1.,直流电动机的驱动特性,,,2.,电枢,电压调节法,电枢电压调节法是指通过改变电枢电压来控制电机的转速，适用于电机基速（额定转速）以下的调速调节。,,斩波器,( PWM),脉宽调制属于一种电枢电压调节法，直流电机通常采用,PWM,实现调速控制。其调速控制主电路如图所示。其中,VT,1,、,VT,2,为两只绝缘栅双极型晶体管,(IGBT),。当电机处于运行状态时，控制器控制,VT,1,关断，当,VT,2,处于低电位时，,VT,2,导通，电机电枢绕组通电，电枢两端加上电源电压,U,b,。当,VT,2,处于高电位时，,VT

11、,2,截止，电机电枢绕组断电。在一个固定周期内，增加,VT,2,处于低电位的时间，则可增加电枢绕组的平均电压,。,,,,,3.,磁场调节,法,磁场调节,法是通,过调节,磁,极绕组励磁电,流，改,变,磁极磁通量多来,调节电,机的,转,速。,这,种方法适用于,电,机,基速以上的转,速控制。,以升速为,例，,调,速,过,程是：减小,磁通量，在机械惯,性力的作用下，,电枢转,速,还,没有来得及下降，而反,电动势,随着磁通量的减小而下降，,电,枢,电流随之增大，由于电,枢,电,流增加的影,响大于磁通量减小的影响，因而电,机,的电,枢,电,磁,转,矩,T,增大。如果这时电机的阻力矩,T,L,未变,，,则电

12、,枢的,转,速,n,便会上升。随着电,机,转,速的上升，,电枢的反电动势,增大，,电,枢,电,流随之减小，直到,电,磁,转,矩与阻力矩平衡，,电,机就在,比减小磁通量前高的转,速下,稳,定运,转,。,,,,4.,电枢回路电阻调节,电枢回路电阻调节法是在磁极绕组励磁电流不变的情况下，改变电枢回路的电阻，使电枢电流变化来实现电机转速的调节。电枢回路电阻调节法的机械特性差，而且会使电机运行不稳定，加之电枢回路串人电阻消耗了电能，一般很少在电动汽车上采用。,,3.2.6,直流电机在电动汽车上的应用,直流电机体积和质量大，存在换向火花、电刷磨损以及电机本身结构复杂等问题，随着交流变频调速技术的发展，交流

13、调速电机在电动汽车上的应用发展迅速。如城市中的无轨电车和电动叉车较多地采用直流驱动系统，很多电动观光车和电动巡逻车上也使用直流电机。,,3.3,交流,异步电动机,交流异步电动机又称感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现电能量转换为机械能量的一种交流电动机。按照转子结构来分，有,鼠,笼型异步电动机和绕线型异步电动机；按照定子绕组相数来分，有单相异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机。,,3.3.1,交流异步电动机结构,异步电动机主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成，定子和转子之间存在气隙。此外，还有端盖、轴承、机座和风扇等部件。,,1.,定子,异步电

14、动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座构成。,（,1,） 定子铁心,定子铁心是电动机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。,,（,2,）定子绕组,定子绕组是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。,,（,3,）机座,机座主要用于固定定子铁心与前后端盖，以支撑转子，并起防护、散热等作用。,,2.,转子,异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。,（,1,）转子铁心,转子铁心也是电动机磁路的一部分，并在铁心槽内放置转子绕组，转子铁心所用材料与定子一样，由,0.5mm,厚的硅钢片冲制、叠压面成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。,,（,2,）转子绕组,转子绕组是转子的电路部分，

15、它的作用是切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转，转子绕组分为鼠笼式转子和绕线式转子。,,（,3,）转轴,转轴用于固定和支撑转子铁心，并输出机械功率。转轴一般使用中碳钢制成。,,,3.,气隙,异步电动机定子与转子之间有一小的间隙，称为电动机气隙。,3.3.2,异步交流电动机性能特点及应用,1.,优点,1,）结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，质量轻，成本低。,2,）高速低转矩时运转效率高；,3,）低速时有高转矩，并有宽泛的速度范围；,4,）易实现转速超过,10000min,的高速旋转。,5,）控制装置的简单化。,,,2.,缺点,异步电动机的局限性是，它的转

16、速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率，因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合，不如直流电动机经济、方便。,3.,异步交流电动机在新能源汽车上的应用,一般情况下，作为电动汽车专用的电动机，由于安装条件受限，而且要求小型轻量化，因而电动机在,1000min,以上的高速运转时，大多采用一级齿轮减速器实现减速。此外，由于震动等恶劣环境，低速状态下需要高转矩，并且要在较宽的速度范围内具有恒输出功率特性，所以，电动汽车用异步电动机与一般工业用的电动机不同，因此在设计上必须采用各种新方法，以达到电动汽车的需求。,,3.3.3,异步电动机的工作原理与运行性能,1.,异步电动机基本工作原理,

17、,将旋转磁场转速,n,1,称为同步转速，Δ,n=n,1,-n,称为转差，并将,s=,Δ,n/n,1,=(n,1,-n)/n,1,称为转差率。一般异步电动机运行时转差率,s,在,3%,～,5%,之间，并与负载有关，当负载加大时转差率也增加。,图中三相绕组各自只画了一个线圈，接通三相交沆电时将合成一对磁极。实际上定子三相绕组都不止一个线圈，而且根据线圈布置情况，实际可以形成多对磁极。磁极数越多，电机转谏就慢。若设磁极对数为,p,，交流电频率为,f1,，则它们与同步转速,nl,的关系为,,,（,3-9,）,,,,,2,．异步电动,机的运行性能,（,1,）三相异步电机的基本分析,1,）电动机输入与输出

18、功率。电动机运转时输入的电功率为,（,3-10,）,,,,（,3-11,）,,,2,）定、转子电路的电动势与电流。,设定子每相绕组电动势有效值为,E,，它与电源的电压、频率、每极磁通量等有如下关系：,,3,）转,子的,转,速、,转,差,频,率以及,电,磁,转,矩。,将,转,子,电,流,频,率,f,2,称为转,差,频,率，它等于,f,1,与转,差率,s,的乘积,，即,,,,正是转,子,电,流在磁,场,中受到力的作用，形成,电,磁,转,矩，才能,带动转,子按照与旋,转,磁,场,相,同的方向转动,起来。,电,磁,转,矩旋,转,磁,场,的磁通Φ和,转,子,电,流,I,2,的一般关,系,为,,（,3-1

19、4,）,4,）电动,机的几,种,基本运行状,态。电动,机空,载时,，,转,子,转,速相,对较,高，,转,差率很低，可能小于,l%,。,,（,2,）三相异步电动,机的机械特性,,异步电动,机运,转时转,子,电,流在磁,场,中受力而,产,生的,转,矩，称,为电,磁,转,矩,T,。,,,（,3,）异步电动,机的起,动,和制,动,1,）异步电动,机的起,动。,2,）异步电动,机的制,动。,,3.3.4,异步电动机的驱动控制系统,1.,步电动,机的基本,调,速方法,为,了保持,电动,机良好的运行性能，在,调,速,过,程中，常将,调压,和,调频,两,种,方法同,时进,行，,这种调,速方法称,为变压变频,(

20、variable voltage and variable frequency),调,速，,简,称,VVVF,。,一般以额,定状,态,（,额,定,电压,、,额,定,频,率、,额,定,转,速）,为,基准，将,调,速范,围,大体分,为,两个,阶,段，如,图所示。,,,,,1,）需要调,低,转,速,时,，可以降低定子供,电频率,f,1,，但若电,机端,电压,U,1,不变,，,仅,降低,频,率,f,时,，,为,了,维,持,电压,与,电动势,的平衡，,磁通成反比地增大，这,将,导,致磁,场过,度,饱,和，引起,电动,机功率因数下降和,发热,，所以,还,要同,时,降低,电压,，也就是使,U,l,／,f,1

21、,≈常数，以保持磁通Φ基本恒定。,,2,）当需要调,高,转,速,时,，可以提高供,电频,率,f,1,，但保持定子,电压,U,1,，基本不变,，此,时,磁通,Φ将减小，电,磁,转,矩丁也相,应,减小，而定、,转,子,电,流基本不,变,。,,2.,常用的几种电,源,变换电,路,通常用于异步电动,机,驱动,的,转换电,路有三,种基本形式。,,3.,逆变,器的控制技,术简,介,异步电动,机的,调,速控制，就是通,过对电动,机,电压,、,电,流、,转,速、,转,矩等参数的,调节,控制，,实现电动,机的平,稳,起,动,、大范,围调,速以及回,馈,制,动,等运行性能要求。,,,,,（,1,）主电,路,包括整

22、流器和逆,变,器。,图,中采用交一直一交,变频,，功率,开关,管用的是,绝缘栅双极型晶体管,(IGBT),。,（,2,）控制电,路,控制器采用数字信号,处,理器（,DSP,，有专,用的,处,理器,电,路模,块,）,。,（,3,）传,感器部分,包括,电,流,传,感器（或称,电,流,检测,器）和,编码,器等。,（,4,）交流异步电动,机,多采用鼠,笼,式异,步电动,机。,,,,,3.4,永磁,直流无刷电动机,3.4.1,永磁电动机分类,1.,永磁直流无刷电动机,具有直流电动机特性的无刷直流电动机，反电动势波形和供电电流波形都是矩形波，所以又称为矩形波同步电动机。,2.,永磁同步电动机,具有交流电动

23、机特性的无刷直流电动机，反电动势波形和供电电流波形都是正弦波，所以又称为正弦波同步电动机。,,3.4.2,永磁直流无刷电动机特点及应用,1.,永磁无刷直流电动机的主要优点包,括：,（,1,）高效率,,（,2,）体积小,,（,3,）易控制,,（,4,）易冷却,,（,5,）低廉的维护、显著的长寿命和可靠性,,（,6,）低噪声,,,2.,永磁无刷直流电动机主要缺点,（,1,）成本,,（,2,）有限的恒功率范围,,（,3,）安全性,,,,（,4,）磁体退磁,,（,5,）高速性能,,（,6,）永磁无刷直流电动机驱动中的逆变器故障,,,3.,永磁无刷直流电动机在新能源汽车上应用,通过采用高能量的永磁体为励

24、磁机构，永磁电动机驱动具有设计成高功率密度、高转速和高效率电动机的潜力。这些显著优势使其在电动汽车,( EV),和混合动力电动汽车,( HEV),中的应用令人瞩目。在永磁电动机系列中，无刷直流,(BLDC),电动机驱动是应用于,EV,和,HEV,的最有希望的选择对象。,,3.4.3,永磁直流无刷电动机结构,1,．永磁直流无刷电动机的转子,永磁直流无刷电动机的转子的永磁体多使用钕铁硼等稀土永磁材料，结构上采用表面贴装或嵌入式，在电动机中用永久磁铁作磁极，可以省去励磁绕组，使电机结构得以简化。,,,,2,．无刷电机的定子,永磁无刷电动机的定子绕组与交流同步或异步电动机类似，也是多相绕组，但不一定是

25、三相，也可以采用两相或四相等形式，其中以三相或四相绕组应用较多。,3,．电子换向电路,为了给定子绕组换向，需要接入电子换向电路。电子换向电路相当于前述功率变换电路或主电路，由若干大功率开关元件组成，开关元件的工作受转子位置传感器的控制。,电子换向电路由功率变换主电路和控制电路两大部分组成，与前述逆变器电路类似。与逆变器不同的是，电子换向电路输出的频率不是独立可以调节的，而是受控于转子位置信号，所以电子换向电不具有变频功能,。,,,,4,．转子位置传感器,转子位置传感器也叫转子位置检测器，与我们熟知的发动机曲轴位置传感器类似，根据工作原理的不同可以有光电式、磁感应式以及霍尔式等。,,3.4.4,

26、永磁无刷电动机的基本控制原理,三相半控电路,三相半控桥控制的永磁无刷电动机工作原理如图所示。,,,,,,,,2.,三相,全控电路,采用三相全控电路的无刷电动机定子也是三相绕组，绕组连接方式可以是,丫,形或△形。以下我们,丫,形接法为例介绍三相全控电路的工作原理，电路连接如图所示。,,,,,,,3.5,永磁同步电动机,3.5.1,永磁,电动,机的,结,构,永磁同步电机的基本结构与交流异步电动机类似，都包括定子部分和转子部分，如图所示。,,1.,内置式永磁同步电动,机,内置式永磁同步电动,机按永磁体磁化方向可分,为,径向式、切向式和混合式，在有阻尼,绕组,情况下如,图所示。内置式永磁同步电动,机,

27、转,子由于内部嵌入永磁体，容易,导,致,转,子机械,结,构上的凸极特性。,,2.,外置式永磁同步电动,机,。,外置式永磁同步电动,机根据永磁体是否嵌入,转,子,铁心,中，可以分,为,面,贴,式和插入式,两种电动,机，如,图所示。,,面贴式永磁同步电动机的转子永磁体一般为瓦片形，通过合成粘胶粘于转子铁心表面。,插入式永磁同步电动机的永磁体嵌入到转子铁心中，两个永磁体之间的铁心成为铁磁介质突出的部分。,外置式永磁同步电动机的结构比内置式电动机简单，并且制造容易，因而工业上应用较多。,,3.5.2,永磁同步电机的基本原理,,永磁同步电机的工作原理与永磁直流无刷电机一样，当定子绕组输入三相正弦交流电时

28、，会产生一个旋转磁场。该旋转磁场与转子的永磁体磁场相互作用，使转子产生电磁转矩，并随着定子的旋转磁场转动，由于转子的转动与旋转磁场同步，故称之为永磁同步电机。,,,,3.5.3,永磁同步电动机的特点,1.,永磁同步电动机与其他电动机相比，具有以下优点,：,1,）以电子换向实现无刷运行，结构简单，运行可靠。,2,）控制电源频率就能控制电动机的转速。,3,）低速动力性比较好；同时电动机最高转速较高，能达到,10000r/min,。,4,）具有较硬的机械特性,5,）电动机可以在很低的转速下保持同步运行，调速范围宽。,6,）功率因数高，定子电流和定子铜耗小，效率高。,7,）体积小、质量轻。,,2.,永

29、磁同步电动机还存在以下缺点：,1,）增大定子的电流，增加电动机的铜耗。,2,）永磁电动机的磁钢价格较高。,3,）永磁同步电机低速效率较低。,,3.5.4,永磁同步电机的控制方法,目前，三相同步电机主要有两种控制方式，一种是他控式,(,又称为频率开环控制,),；另一种是自控式,(,又称为频率闭环控制,),。他控式方式主要是通过独立控制电源频率的方式来调节转子的转速，不需要知道转子的位置信息，经常采用恒压频比的开环控制方案。自控式永磁同步电机也是通过改变外部电源的频率来调节转子的转速，外部电源频率的改变是和转子的位置信息是有关联的，转子的转速是通过改变定子绕组外加电压,(,或电流,),频率的大小来

30、调节的。,,矢量控制,,（,1,）,i,d,=0,控制,也称为磁场定向控制。目前，在永磁同步电动机伺服系统中，,i,d,=0,矢量控制是主要的控制方式。通过检测转子磁极空间位置,d,轴，控制逆变器功率开关器件导通与关断，使定子合成电流为位于,q,轴，此时,d,轴定子电流分量为零，永磁同步电动机电,磁,转,矩正比于,转,矩,电,流，即正比于定子,电,流幅,值,，只需控制定子,电,流大小就可以很好地,控制永磁同步电动,机的,输,出,电,磁,转,矩。,,（,2,）最大转,矩／,电,流比控制,在,电动,机,输,出相同,电,磁,转,矩下使,电动,机定子,电,流最小的,控制策略称为,最大,转,矩／,电,流

31、比控制。,,最大转,矩／,电,流比控制,实质,是求,电,流极,值问题,，可以通,过,建立,辅,助方程，采用牛,顿,迭,代法求解。但是，计算量较,大，在,实际应,用中系,统实时,性无法,满,足，只有通,过,离,线计,算出,不同电,磁,转,矩,对应,的交、直,轴电,流，以表的形式存放于,DSP,中，实际,运行,时,根据,负载,情,况查,表求得,对应,的主,i,d,、,i,q,进,行控制。,,（,3,）弱磁控制,永磁同步电动,机弱磁控制思想来自他励直流,电动,机,调,磁控制。,对,于他,励直流电动,机，当其,电,枢端,电压,达到最高,电压时,，,为,使,电动,机能运行于更高,转,速，采取降,低电动,

32、机励磁,电,流的方法，以平衡,电压,。在永磁同,步电动,机,电压,达到逆,变,器所能,输,出的,电压,极限后，要想,继续,提高,转,速，也要采取弱磁增速的,办,法。,,,,但矢量控制本身也存在一定的缺陷：,1,）转,子磁,链,的准确,观测,存在一定的,难,度，,转,子磁,链,的,计,算,对电动,机的参数有,较强战依赖,性，因此,对,参数,变,化,较为,敏感。,2,）由于需要进,行解耦运算，采用了矢量旋,转变换,，系,统计,算比,较复杂,。,,,2,．直接转,矩控制,PMSM,直接转,矩控制系,统,的原理,结,构,图,，如,图所示。实际,系,统,中，,开关,信号是,由转,矩和定子磁,链,的,给,

33、定,值,与反,馈值,的偏差,经,滞,环,比,较,得到的,。而转,矩和定子磁,链,的,给,定,值,是由,电,磁,转,矩和定子磁,链,估算模型,计,算得到的。,,,,,3,．,智能控制,,采用智能控制方法的永磁同步电动机控制系统，在多环控制结构中，智能控制器处于最外环充当速度控制器，而内环电流控制、转矩控制仍采用,PI,控制、直接转矩控制这些方法。这主要是因为外环是决定系统的根本因素，而内环主要的作用是改造对象特性以利于外环的控制。各种扰动给内环带来的误差可以由外环控制或抑制。,,,3.6,开关磁阻电动机,,新能源汽车用的开关磁阻电动机是高性能一体化系统，主要由开关磁阻电动机、功率转换器、传感器和

34、控制器四部分组成，如图所示。,,3.6.1,开关磁阻电动机结构,开关磁阻电动机的基本组成为转子、电子和电子开关，如图所示。,,,1.,转,子,,开关磁阻电,机的,转,子由,导,磁性能良好的硅,钢,片叠,压,而成，,转,子的凸极上无,绕组,。开关磁阻,电,机,转,子的作用是构成定子磁,场,磁通路，并在磁,场,力的作用下,转动,，,产,生,电,磁,转,矩。,,2.,定子,开关磁阻电机的定子铁心也是由硅钢片叠压而成的，成对的凸极上绕有两个串联的绕组。定子的作用是定子绕组按顺序通电，产生的电磁力牵引转子转动。,,,,3.6.2,开关磁阻电机工作原理,开关磁阻电动,机的工作原理示意如,图所示。,,,开关

35、磁阻电动,机的磁阻随着,转,子磁,极与定子磁极的中心线对,准或,错,开而,变化。因为电,感与磁阻成反比，所以当,转子磁极在定子磁极中心线,位置,时,，相,绕组电,感最大；当,转,子磁极中心,线对,准定,子磁极中心线时,，相,绕组电,感最小。,,,,3.6.3,开关磁阻电动机的运行特性,开关磁阻电动机运行特性可分为,3,个区域：恒转矩区、恒功率区、自然特性区（串励特性区），如图所示。,,,3.6.4,开关磁阻电动机的特点,1.,开关磁阻电动机优点,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

36、力。,5,）结构简单、成本低制造工艺也相对简单。,6,）转矩方向与电流方向无关，从而减少了功率转换器的开关器件数，降低了成本。,7,）损耗小，损耗主要产生在定子，电动机易于冷却。,8,）可靠参数多、调速性能好。,9,）适于频繁起动、停止以及正反转运行。,,2.,开关磁阻电动机缺点,1,）虽然结构简单，但电动机的数学模型比较复杂，其准确的数学模型较难建立；,2,）由于开关磁阻动机磁极端部的严重磁饱和以及与沟槽的边缘效应，使得开关磁阻电动机控制要求常高；,3,）开关磁阻电动机振动和噪声较大，特别是在负载运行的时候；,4,）转矩脉动现象较大；,5,）包括转子位置检测器的出线端，开关磁阻电动机的出线头

37、相对较多。,,3.6.5,开关磁阻电动,机的控制,角度位置控制方式（,APC,）,角度位置制是，当加在绕组上的电压一定的情况下，通过改变绕组上主开关的开通角θ,on,和关断角θ,0ff,，来改变绕组的通、断电时刻，调节相电流的波形，实现转速闭环制。,根据电动势平衡方程式可知，当电动机转速较高时，转电动势较大，则此时电流上升率下降，各相的主开关器件的导通时较短，电动机组的相电流不易上升，电流相对较小，便于使用角度位置控制方式。,,据开关磁阻电动机的转矩特性分析可知，当电流波形主要位于电感的上升区时，产生的平均电磁转矩为正，电动机运行在电动状态；当电流波形主要位于电感的下降段时，产生的平电转矩为负

38、，电动机工作在制动状态，而通过对开通角、关断角的控制，可以使电流波形处在绕组电感形的不同位置。因此，可以用控制开通角、关断角的方式来使电动运行在不同的状态。,,2.,电流,斩波控制（,CCC,）,电流斩波控制一般不会对开通、天断角进行控制，它将直接选择在每相的特定导通位置对电流进行斩波控制。,日前常用的有两种方案，一是对电流上、下限进行限制的控制；二是限制电流上限和恒定关断时间的控制。,方案一中，主开天器件在θ,on,时导通，绕组电流将从零开始上升，当电流增至斩波电流的上限值时，切断绕组电流，绕组求受反压，电流迅速下降；当电流降至斩波电流的下限值时，绕组再次导通，重复上述过程，从面形成斩波电流

39、，直至达θ,0ff,时实现相关断，如图。,,,,3.,电压控制（,VC,）,电压控制,(VC),方式是保持开通角、关断角不变的前提下，使功率开关器件工作在脉冲宽度调制,(PWM),方式。,按照续流方式的不同，该控制方式分为单管斩波和双管斩波方式。,电压控制的优点在于，它通过调节绕组电压的平均值进而调节电流，因此可用在低速和高速系统，且控制简单，但它的调速范围有限。,根据系统性能要求的不同，控制电路的具体结构形式会有很大差异，但一般均应包以下功能：,,1,）用于接收外部指令信号，如起动、转速、转向信号的操作电路；,2,）用于给定量与控制量相比较，并按规定算法计算出控制参数的调节量的调节器电路；,

40、3,）用于决定控制电路的工作逻辑，如正反转相序逻辑、高低速控制方式的工作逻辑电路；,4,）用于检测系统中的有关物理量，如转速、角位移、电流和电压的传感器电路；,5,）用于当系统中某些物理量超过允许值时，采取相应保护措施的保护电路，如过电压保护和过电流保护；,6,）用于控制各被控量信号的输出电路，如控制功率开关器件的导通与关断；,7,）用于指示系统的工作状况和参数状态显示电路，如指示电动机转速、指示故障保护情况的显示。,,3.7,轮毂,电动机,3.7.1,轮毂电,机的,结,构,,轮毂电,机,驱动,系,统,根据,电,机的,转,子形式主要分成两种,结,构形式：内,转,子式和,外转,子式。内,转,子式

41、,轮毂电,机采用高速内,转,子,电,机，配,备,固定,传动,比的减速器，,电,机的,转,速通常高达,lOOOOr/min,。外转,子式,轮毂电,机,则,采用低速外,转,子,电,机，无,减速装置，电,机的外,转,子与,车轮,的,轮辋,固定或者集成在一起，,车轮,的,转,速与,电,机,相同，电机的最高转,速,为,1000-1500r/min,，如图所示。,,,,3.7.2,轮毂电机技术的特点,1.,轮毂电机技术的优点,如下：,（,1,）更方便的底盘布置，更灵活的供电系统,,（,2,）更好的汽车底盘主动控制性能,,（,3,）更快的控制响应,,,（,4,）最优的驱动力分配,,（,5,）更佳的驾驶舒适性

42、,,,2.,轮毂电,机技,术,的不足,如下：,1,）轮毂电,机增大了非簧,载质,量，,这,会,对,整,车,的操控,产,生一定的不利影响；,2,）虽,然,电,子制,动,可以,实现,能量回收，但是其制,动,能力有限，所以,仍需要有液压,制,动,系,统,；,3,）对,密封有,较,高要求，同,时,在,设计,上也需要,为轮毂电,机,单,独考,虑,散,热,、防,水等问题,；,4,）目前，轮毂电,机关,键,核心元器件（如大功率集成模,块,IGBT,、,IPM,等）以及控制器全部需要从国外进,口，,这对,于我国,电动,汽,车,以后的技,术扩,展和,产业,化推,广将带,来一定的制,约,。,,3.7.3,轮毂电机

43、的驱动方式,,轮毂电,机使用,时,可分,为,减速,驱动,和直接,驱动,两种,驱动,方式,。,,1.,采用减速驱动,方式,电,机一般在高速下运行，,选,用高速内,转,子式,电,机。,减速机构放置在电,机和,车轮,之,间,，起到减速和增大,转,矩的作用。,,2.,采用直接驱动方式,多采用外转子式电机，为了使汽车能顺利起步，要求电机在低速时能提供大的转矩。,,3.7.4,轮毂电机应用的关键技术,1.,轮毂电机结构优化问题,,由于车轮内部空间有限，驱动电机、制动系统、减速机构、控制系统的合理布置的难度增大。此外，轮毂电机驱动的电动汽车对驱动电机的功率密度性能要求高，同时轮毂电机工作环境恶劣，如何通过对轮毂电机结构的优化和设计来保证轮毂电机安全、高效地运行将会是轮毂电机研究的重要方向。,,2.,轮毂电机电动汽车动力学控制问题,,轮毂电机电动汽车为驱动防滑与制动防抱死控制提供了更迅速、更精确的执行器，但其对状态估计的精度和控制算法的鲁棒性要求也进一步提高。,3.,轮毂电机整车性能匹配问题,由于轮毂电机布置在轮毂内，在不平路面激励下的轮胎跳动、载荷不均、安装误差等都将引起电机气隙不均匀，轮毂电机引起的振动激励会进一步恶化，同时会引起定转子及相邻部件的振动，这会给车辆的平顺性和接地安全性带来不利的影响。,,