電動車驅動電機及其控制技術綜述

www.guilinhy.com 來源：中國電動車信息網　　　電動車商情網作者：俠名類別：電動車維修時間：2006-2-22

簡述了電動車驅動系統及特點，在此基礎上詳細分析并比較了電動車主要電氣驅動系統，著重介紹了一種深埋式永磁同步電動機及其控制系統，最后簡要概述了電動車電氣驅動系統的發展方向。 1 概述電動車是一種安全、經濟、清潔的綠色交通工具，不僅在能源、環境方面有其獨特的優越性和競爭力，而且能夠更方便地采用現代控制技術實現其機電一體化的目標，因而具有廣闊的發展前景。現有電動車大致可以分為以下幾個主要部分：蓄電池、電池管理、充電系統、驅動系統、整車管理系統及車體等。驅動系統為電動車提供所需的動力，負責將電能轉換成機械能。無論何種電動車的驅動系統，均具有基本相同的結構，都可以分成能源供給子系統、電氣驅動子系統、機械傳動子系統三部分，其中電氣驅動子系統是電動車的心臟，主要包括電動機、功率電子元器件及控制部分。如圖1所示。其中，電動車驅動系統均具有相同或相似的功能模塊，如圖2所示。 2 電動車電氣驅動系統比較電動機的類型對電氣驅動系統以及電動車整體性能影響非常大，評價電動車的電氣驅動系統實質上主要就是對不同電動機及其控制方式進行比較和分析。目前正在應用或開發的電動車電動機主要有直流電動機、感應電動機、永磁無刷電動機、開關磁阻電動機四類。由這四類電動機所組成的驅動系統，其總體比較如下表所示。電動車電氣驅動系統用電動機比較表下面分別對這幾種電氣驅動系統進行較為詳細地分析和闡述。 2.1 直流驅動系統直流電動機結構簡單，具有優良的電磁轉矩控制特性，所以直到20世紀80年代中期，它仍是國內外的主要研發對象。而且，目前國內用于電動車的絕大多數是直流驅動系統。但普通直流電動機的機械換向結構易產生電火花，不宜在多塵、潮濕、易燃易爆環境中使用，其換向器維護困難，很難向大容量、高速(High Speed)度發展。此外，電火花產生的電磁干擾，對高度電子化的電動汽車來說將是致命的。此外，直流電動機價格高、體積和重量大。隨著控制理論和電力電子技術的發展，直流驅動系統與其它驅動系統相比，已大大處于劣勢。因此，目前國外各大公司研制的電動車電氣驅動系統已逐漸淘汰了直流驅動系統。 2.2 感應電動機驅動系統 2.2.1 感應電動機電動車感應電動機與一般感應電動機相比較具有以下特征：（1）穩定運行時，與一般感應電動機工況相似。（2）驅動電動機沒有一般感應電動機的起動過程，轉差率小，轉子上的集膚效應不明顯。（3）運行頻率不是50Hz，而是遠遠在此之上。（4）采用變頻調速方式時，轉速與極數之間沒有嚴格對應關系。為此，電動車感應電動機設計方面如下特點：（1）盡力擴大恒轉矩區，使電動機在高速(High Speed)運轉時也能有較高轉矩。而要提高轉矩，則需盡量減小定轉子之間的氣隙，同時減小漏抗。（2）更注重電動機的電磁優化設計，使轉矩、功率和效率等因素達到綜合最優。（3）減少重量、體積，以增加與車體的適配性。 2.2.2 控制技術應用于感應電動機的變頻控制技術主要有三種：V/F控制、轉差頻率控制、矢量控制。20世紀90年代以前主要以PWM方式實現V/F控制和轉差頻率控制，但這兩種控制技術因轉速控制范圍小，轉矩特性不理想，而對于需頻繁起動、加減速的電動車不太適宜。近幾年來，研制的電動車感應電動機幾乎都采用矢量控制技術。矢量控制按其側重點不同，主要有兩種控制策略：提高驅動系統效率的最大效率控制與簡化系統、降低成本的無速度(Tempo)傳感器矢量控制。最大效率控制技術是通過使勵磁電流Io隨電動機參數和負載條件而變化來實現在任何負載條件下都使電動機的損耗最小，效率最大的目標。矢量控制離不開速度(Tempo)的控制，而無速度(Tempo)傳感器是利用電動機電壓、電流和電動機參數來估算出速度(Tempo)，從而無需一般矢量控制中的速度(Tempo)傳感器，達到簡化系統、降低成本、提高可靠性的目的。 2.3 永磁無刷電動機驅動系統 2.3.1 永磁無刷電動機永磁無刷電動機系統可以分為兩類，一類是方波驅動的無刷直流電動機系統（BDCM），另一類是永磁同步電動機系統（PMSM），也稱之為正弦波驅動的無刷直流電動機系統。BDCM系統不需要絕對位置傳感器，一般采用霍爾元件或增量式碼盤，也可以通過檢測反電動勢波形換相。PMSM系統一般需要絕對式碼盤或旋轉變壓器等轉子位置傳感器。從磁鐵所處不同位置的結構上看，永磁無刷電動機可以分成表面型、鑲嵌型、深埋式等結構型式，在電動汽車中也有采用盤式結構或外轉子結構的。深埋式永磁同步電動機因其有高的功率密度、有效的弱磁控制及方便的最大效率控制而在電動車應用領域倍受青睞，是當前電動車電動機研發的熱點。用在電動車上的永磁同步電動機是將磁鐵插入轉子內部，得到同步旋轉的磁極深埋式轉子結構如圖3所示，這種電動機在結構設計方面主要有兩個特征：①轉子磁鐵使用埋入式；②采用多極化設計。這種設計具有顯著的優點：（1）與將永磁體貼在轉子表面的情況相比，將永磁體植入轉子內部，則即使高速(High Speed)旋轉，永磁體也不會飛散，為此就使設計10000r/min以上的超高速(High Speed)電動機成為可能。（2）對于要求的最大轉矩而言，采用圖3所示的轉子結構，永磁電動機能做得更小。（3）電機多極化設計也是降低成本的有效手段。圖4表示了電動機永久磁鐵用量占電動機總重量的百分比隨電動機極數增加而減少的變化曲線。 2.3.2 深埋式永磁同步電動機的控制技術深埋式永磁同步電動機控制系統的構成如圖5所示。與一般電動機的控制系統多為速度(Tempo)控制系統或位置控制系統不同，電動車是由加速器與控制器共同決定的轉矩指令來控制電機。因為轉矩由電流決定，所以實際上構成了一個電流控制系統。應用轉矩指令和電動機轉速，通過獨立增減d軸電流和q軸電流進行電流控制，就能使電動機和逆變器的綜合損失最小，進而提高電動車驅動系統的效率。d軸電流指令為負，就意味著進行弱磁調節，所以，弱磁控制也是有效的。以上設計不僅考慮了電動機的特性，還考慮了電動機的控制方法及使用方法，系統結構緊湊、性能穩定，是目前電動車的優選驅動系統。 2.4 開關磁阻電動機驅動系統 2.4.1 開關磁阻電動機目前，開關磁阻電動機（SRM）已投入實際使用，法國F1AT公司研制的電動車和中國第二汽車制造廠研制的電動客車都曾采用了開關磁阻電動機。SRM是沒有任何形式的轉子導體和永久磁鐵的無刷電動機，它的定子磁極和轉子磁極都是凸的。由于SRM具有集中的定子繞組和脈沖電流，其功率變換器可以采用更可靠的電路拓撲形式。SRM具有簡單可靠、在較寬轉速和轉矩范圍內高效運行、控制靈活、可四象限運行、響應速度(Tempo)快、成本較低等優點。但SRM有轉矩波動大、噪聲大、需要位置檢測器、系統非線性特性等缺點，所以，目前應用還受到限制。針對傳統SRM的缺點，研制了永磁式開關磁阻電動機驅動系統（PMSRD），通過高性能永磁鋼的引入，克服了傳統SRM存在的換流相對較慢、能量利用率較低的缺點，增加了電機的比功率密度。 2.4.2 控制技術由于SRM系統具有明顯的非線性特性，系統難于建模，一般的線性控制方式不適于SRM系統。目前主要利用模糊邏輯控制、神經網絡控制等。香港大學開發的模糊滑模控制具有減少控制振蕩等優點，是SRM系統控制研究的一個新的突破。 3 結速語 20世紀80年代以來，隨著電力電子技術的發展，交流電動機折控制變得比較容易了。為此，電動車的電氣驅動系統從直流電動機轉向交流電動機，特別是感應電動機具有結構緊湊、可靠性高、成本低的優點，對于電動車來說是特別可貴的。但永磁電動機除有以上優點外，還在轉換效率方面又較感應電動機稍勝一疇。開關磁阻電動機具有結構簡單、控制靈活、可四象限運動、可靠性高、能在較寬的速度(Tempo)和轉矩范圍內高效運行等特點，作為具有潛力的電動車電氣驅動系統日益受到重視。但其轉矩脈動大，噪聲大等缺點一直未得到很好解決，如何從電機設計和控制策略兩方面加以改進是現在的研究熱點。永磁電動機電氣驅動系統以轉速更高（德國KOVO電技術公司已研制出轉速達50000r/min、功率達1.5kW的無刷電動機）、用磁更省、可以實現轉子輕小緊湊、低成本化設計而成為研究與應用的熱點。但永磁電動機也有制成后難以調節磁場以控制功率因素和無功功率的缺點，這將成為今后的研究方向。在控制器件方面，應用新一代功率電子器件，可使變頻器有更高的功率密度和效率，結構也更牢固，更適于電動車所用。在控制策略方面，變結構控制、模糊控制、神經網絡控制以及專家系統等新的控制方法正逐漸應用于電動車驅動系統中，并取得越來越好的效果。