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第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统4.1 驱动电机及控制系统概述驱动电机及控制系统概述.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统 驱动电机系统是车辆行驶的主要执行机构，其特性决定了车辆的主要性能指标，直接影响车辆动力性、经济性和用户驾乘感受。可见，驱动电机系统是纯电动汽车中十分重要的部件。驱动电机系统由驱动电机、驱动电机控制器构成，通过高低压线束、冷却管路，与整车其它系统作电气和散热连接.整车控制器（VCU）根据驾驶员意图发出各种指令，电机控制器响应并反馈，实时调整驱动电机输出，以实现整车的怠速、前行、倒车、停车、能量回收以及驻坡等功能。电机控制器另一个重要功能是通信和保护，实时进行状态和故障检测，保护驱动电机系统和整车安全可靠运行。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统2.电动汽车对驱动电机性能的要求（1）结构紧凑、尺寸小、功率密度高、转矩密度高纯电动汽车的整车布置空间有限，因此要求电机的结构尽量紧凑，便于安装布置。（2）可靠性要求高能够在恶劣的条件下可靠工作，电机应具有较高的可靠性耐温和耐蚀性，并且能够在较恶劣的条件下长期使用。（3）重量轻、效率高、高效区广驱动电机重量轻有利于降低整车的重量，延长汽车续航里程。电机可通过采用铝合金外壳等途径降低其重量，各种控制装置和冷却系统的材料也尽可能选用轻质材料。（3）低噪音、低振动、舒适性强为了满足驾驶舒适性的要求，要求电机低噪音，低振动。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统3.电机及分类.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统4.驱动电机主要性能指标及特点（1）主要性能指标.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统序号序号性能指标性能指标定义定义1额定电压在额定工况运行时，电机定子绕组应输入的线电压。2额定电流在额定电压下，电机轴上输出的机械功率为额定功率时，电机定子绕组通过的线电流值。3额定转速在额定电压输入下以额定功率输出时对应的电机最低转速。4额定功率额定条件下，电机轴上输出的机械功率。5峰值功率在规定的时间内，电机允许输出的最大功率。6最高工作转速相应于电动汽车最高设计车速的电机转速。7最高转速在无带载条件下，电机允许旋转的最高转速。8额定转矩电机在额定功率和额定转速下的输出转距。9峰值转矩电机在规定的持续时间内允许输出的最大转矩。10堵转转矩电机转子在所有角位堵住时所产生的转矩最小测的值11机械效率在额定运行时电机轴上输出的机械功率与电机在额定运行时电源输入到电机定子绕组上的功率之比值。12电机及控制器整体效率电机转轴输出功率除以控制器输入功率13温升电机在运行时允许升高的最高温度。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统（2）各种驱动电机的基本性能比较项目项目直流电动机直流电动机三相异步电动机三相异步电动机永磁同步电动机永磁同步电动机开关磁阻电机开关磁阻电机功率密度低中高较高过载能力（%）200300-500300300-500峰值效率（%）85-8994-9595-9790负荷效率（%）80-8790-9297-8578-86功率因数（%）-82-8590-9360-65恒功率区-1：51：2.251：3转速范围（rpm）4000-600012000-200004000-10000可以大于15000可靠性一般好优良好结构的坚固性差好一般优良电机的外形尺寸大中小小电机质量重中轻轻.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统5.电机中所用的材料 电机中使用的材料主要包括:导电材料、导磁材料、绝缘材料、结构材料等。导电材料为紫铜线、铝线，用于制成电机绕组。导磁材料主要是0.35或0.5mm厚的硅钢片叠成,构成电机磁路。绝缘材料用来把导电体之间、导电体与铁磁体之间绝缘开来，绝缘等级与允许温度对应关系如表4-3所示。结构材料是制造电机所需要的其它金属材料。绝缘等级绝缘等级AEBFH允许温度 OC105120130155180.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统4.2 直流电机 直流电机由于存在调速性能好、过载能力强、控制简单等优势，曾在调速电机领域独占鳌头，20世纪70年代前，对调速性能要求较高场合均采用直流电机。也是电动车辆应用最早较广泛的电机。但由于存在换向火花、电刷磨损及电机本身结构复杂等问题，随着交流变频调速技术发展，交流调速电机后来居上。目前城市无轨电车和电动叉车等场合还较多采用直流驱动系统虽直流电机应用在逐年减少，但它包含了电力调速系统最基础的理论，即仍有必要来分析讨论。并对由蓄电池提供直流电源的车辆，也有可能设法以适当简化驱动器来降低成本。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统1.直流电动机的特点（1）调速性能好 直流电动机可以在重负荷条件下,实现平滑的无级调速,而且调速范围较宽。（2）起动转矩大 可以均匀且经济地实现转速调节,因此,凡是在重负荷下起动或是要求均匀调节转速的机械,都可以使用直流电动机。（3）控制简单 一般用斩波器控制,具有效率高、控制灵活、质量和体积小、响应速度快等优点。（4）易磨损 由于存在电刷、换向器等易损件,所以必须进行定期维护或更換。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统2.新能源汽车直流电动机的性能要求（1）低能耗性 为了延长一次充电续驶里程以及抑制电动机的温升、尽量保持低损耗和高效率成为直流电动机的重要特性。近年来,由于稀土系列永磁体的研究开发,直流电动机的效率已明显提高,能耗明显减低。（2）环境适应性 直流电动机作为新能源汽车的驱动电机时,与在室外使用时的环境大致相同,所以要求在设计时充分考虑密封的问题,防止灰尘和水汽侵入电动机,另外还要考虑电动机的散热性能。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统（3）抗振动性 由于直流电动机具有较重的电枢,所以在颠簸的路况行驶时,车辆振动会影响到轴承所承受的机械应力,对这个应力进行监控和采取相应的对策是很有必要的。同时由于振动,很容易影响到換向器和电刷的滑动接触,因此必须采取提高电刷弹簧预紧力等措施。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统（4）抗负载波动性 车辆在不同路况下行驶,电动机的负荷会有较大的变动,在市区行驶时,由于交通信号密集及道路拥挤等因素,车辆起动、加速和制动等工况较频繁,不可避免的经常在最大功率下运行,此时电刷与换向器之间的电火花和磨损非常剧烈,因此必须注意换向极和补偿绕组的设计。在郊外行驶时,电动机的输出速度较高,转矩较低,一般要以高效率的额定条件运行,而直流电动机在高速运行情况下,对其换向器部分的机械应力和换向条件的要求会变得严格,因此在大型车辆驱动系统中,大多设置变速器以达到提高起动转矩的目的。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统(5)小型化、轻量化 直流电动机的转子部分含有较大比例的铜,如电枢绕组和换向器铜片,所以与其他类型的电动机相比,直流电动机的小型化和轻量化更难以实现。目前可以通过采用高磁导率、低损耗的电磁钢板减少磁性负荷,虽然增加了成本,但可以实现轻量化。(6)免维护性 对于电刷,根据负荷情况和运行速度等使用条件的不同,更换时间和维修的次数也是不的。相应的解决方法是:采用不损伤换向器的电刷材质,并且将检査端口设计的较大,以延长电刷使用寿命和便于维修、更换。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统3.直流电机的基本原理（1）直流电动机的工作原理.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统 导体ab段正处于N极下，cd段在S极上。电流正极从电刷A流入线圈，方向为 ab、cd，再经电刷B返回电源负极。如导体所处磁通密度为B，导体有效长度为l，电流为i，按电磁力定律此时导体所受电磁力F=B l i。其方向由左手定则判定，即导体ab和cd受力产生的转矩均使电机转子按逆时针转动。转子转过180导体ab段与cd段对换，使cd段在N极下，ab段在S极上。电流经电刷A由d端流入线圈内，方向为dc、ba，仍如图4-3箭头所示。根据左手定则判定导体ab和cd受力产生的转矩仍为逆时针方向。即虽导体内电流方向改变，但受力转矩方向不变，使转子连续旋转。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统（2）直流发电机的工作原理4-4直流发电机工作原理示意图.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统 原动机拖动转子电枢按逆时针旋转，如图4-4所导体ab段在N极下，cd段在S极上。如导体所处磁通密度为B，长度为l，其线速度为v，则根据法拉第电磁感应定律，导体感应电动势瞬时值e=B l v。电动势方向按右手定则如图4-4 箭头所示：N极下ab段为ba、S极上cd段为dc。线圈abcd电动势为ab(或cd)的2倍，并使电刷极性方向A为正、B为负。转子转过180导体ab段与cd段对换，使cd段在N极下，ab段在S极上，电动势方向仍如图箭头所示：cd段为cd、ab段为ab。因电刷不随换向片转动使线圈abcd电动势方向仍是:电刷极性方向A为正、B为负。转子旋转时绕组感应的交变电动势经换向器与电刷变成直流电动势。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统4.直流电机的基本结构直流电机主要由定子、转子、气息等部分组成4-5直流电机基本结构.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统（1）定子 定子由主磁极、换向极、机座、电刷装置四部分组成。主磁极在定、转子间气隙中建立磁场，致使电枢绕组产生电磁转矩或感应电动势。它由包括极身和极掌的主极铁心及励磁绕组组成，按N、S极相隔排列。电刷装置作用是使旋转的电枢电路连接静止的外电路，与换向器配合进行逆变或整流。它由电刷、刷握、握杆、握杆座以及铜丝辫等零部件组成。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统（2）转子 转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器三部分组成。电枢铁心是电机主磁路部分，并嵌放电枢绕组。常由涂绝缘漆的0.5mm厚硅钢片叠压成，以降低电枢旋转使磁通变向引起的铁心损耗。电枢绕组产生电磁转矩或感应电动势，起转换机电能量的关键。换向器用来保证各磁极的电枢导体电流方向不变，产生恒向电磁转矩；或在电刷间得到直流电动势。因绕组由多个元件组成，各元件两端与各换向片连接，所换向器由多个互相绝缘的铜制换向片组成。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统（3）气隙 气隙是定子磁极和转子电枢间自然形成的缝隙，它虽不为结构部件，但为主磁路重要部分，是机电能量转换媒介。气隙大小直接影响电机性能，越小磁损耗越小，使效率越高，但受机械加工精度和旋转同轴度限制，因此随电机容量(体积)和最高允许转速增加而增大。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统5.直流电机的励磁方式 按直流电机结构原理，主磁极的励磁有永磁式和电励磁式两种。电励磁式由励磁绕组供电有图4-6所示四类，而并励、串励和复励通称自励。他励 并励 串励 复励图4-6直流电机的励磁方式.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统 直流电机励磁绕组所耗功率虽只占整个电机功率的13%，但其性能随励磁方式不同产生很大差别，电动机的机械特性也大不相同，如图4-7所示图4-7 直流电动机的机械特性.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统4.2 交流感应电动机交流感应电动机1.交流感应电动机基本结构图4-8交流感应电动机结构.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统1）定子部分 定子部分由定子铁芯、定子绕组、机座三部分构成。定子铁心压装在机座内，是电机磁路的一部分，铁芯用0.5 mm硅钢片叠成，以减少铁心损耗；叠片内圆冲有槽，以嵌放定子(电枢)绕组。定子绕组是电机的电路部分，按一定规律连接而成的三相对称绕组，嵌放在定子铁心槽内。机座用来固定和支撑定子铁心，一般不作为工作磁路的组成部分，所以大多数采用铸铁铸造而成，也可以用铸铝或铜制成。中小电机用铸铁机座，大型电机用钢板焊接而成。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统2）转子部分 转子部分由转子铁芯和转子绕组两部分组成。转子铁心固定在转轴上，是电机磁路的一部分，用0.5 mm硅钢片叠成，以减少铁心损耗，叠片外圆冲有槽，以嵌放转子绕组。转子绕组有两种结构形式：鼠笼式转子（图4-9）和绕线式转子（图4-10），相应的使用鼠笼式转子的称为鼠笼型异步电动机而采用绕线式转子的称为绕线型异步电动机。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统铸铝转子 铜条转子 图4-9 鼠笼式转子.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统 绕线式转子绕组是对称三相绕组，一般采用星形联结。三相绕组的出线端分别接在三个滑环上，经电刷引出，再经串联电阻后短接起来。转子回路串电阻，可以改善电动机的起动性能或实现电动机调速。图4-10 绕线式转子.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统3）气隙 定子和转子之间的气隙大小，对电动机的性能影响很大。变压器主磁路全部是铁心，磁阻很小，产生主磁通所需励磁电流很小（210%）。异步电机主磁路由定、转子铁心和两段气隙构成，气隙虽然很小但磁阻却很大，因此产生一定的主磁通所需要的励磁电流较大，一般为额定电流的2050%。励磁电流是无功电流，励磁电流较大是异步电动机功率因数较低的主要原因。为提高功率因数，必须减小励磁电流，最有效的方法就是减小气隙长度。异步电动机的气隙大小一般为0.21.5 mm左右。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统2.工作原理图4-12三相绕组空间布置 图4-13三相绕组星形连接.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统图4-14 绕组中的电流波形.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统 在t1时刻t=90，iU的的实际方向与参考方向一致,即电流从U1流到U2,而iV、iU的实际方向与参考方向相反,即电流分别从 V2、W2流到 V1、W1，根据右手螺旋法则可知三相电流的合成磁场如图4-15（a）所示，为一对磁极的磁场,方向自下而上。在t2时刻t=210，三相电流的合成磁场如图4-15(b)所示。此时两极磁场在空问的位置较 t1,时刻沿顺时针方向旋转了120。在t3时刻t=330，三相电流的合成磁场如图4-15(c)所示。此时两极磁场在空间的位置较 t2时刻沿顺时针方向又旋转了120。在 t4时刻,两极磁场又沿顺时针方向旋转120而回到了图4-15(a)所示的位置。当三相电流不断变化时,合成磁场在空间将不断旋转,这样就产生了旋转磁场。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统 图4-15 三相电流产生的旋转磁场（a）t1时刻 三相电流的合成磁场（b）t2时刻 三相电流的合成磁场（c）t3时刻三相电流的合成磁场.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统3.三相异步电动机的运行状态 （1）转差率 同步转速与转子转速之差称为n=n1-n称为转差,转差n与同步转速n1的比值称为转差率，用字母S表示，即：.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统（2）三相异步电动机的运行状态三相异步电动机的运行状态如下表4-4所示：状态制动状态堵转状态 电动机状态理想空载状态发电机状态 转子转速n 0n=0 0n n1转差率s 1s=11 s 0s=0s 0.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统6.三相异步电动机驱动电机的调速方法 从以上方程可知通过控制频率f1、磁极对数p、转差率s可以控制电动机的转速。通过调节三相交流电的频率,也就调节了同步转速,也就调节了异步电动机转子的转速。只要平滑地调节三相交流电的频率,就能实现异步电动机的无调速,就能使三相异步电动机的调速性能赶超直流电动机。因为电动汽车运行工况较为复杂，因此一般采用控制多变量的方法。其中应用比较成功的是变频变压控制（VVVF）、磁场定向控制（FOC）（矢量控制或解耦控制）等。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统（1）变频变压控制（VVVF）U1E14.44 N1k 1f1mU1定子绕组三相交流电压，E1气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势N1定子每相绕组串联匝数E1定子每相绕组感应电动势m旋转磁场每极磁通最大磁通最大值k1定子基波绕组系数.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统（1）在基频以下调速 当交流电机在基频（额定频率）以下调速时，必须同时降低E1,使U1/f1(简称“压频比”)保持不变。保持气隙磁通m不变,就意味着定子励磁电流不变,也就意味着电动机的转矩不变,所以在基频以下调速时,电动机调速机械特性具有恒转矩特性。表明电动机在不同的转速下都具有额定电流,都能在温升允许的条件下长期运行。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统（2）在基频以上调速 让频率f1从基频向上调整时，不可能保持U1/f1不变，因电压U1不可能超过额定电压。这时只能保持电压U1不变，其结果是：使气息磁通最大值m，随频率升高而降低，电动机的同步转速升高，最大转矩减少，输出功率不变。所以，基频以上调速属于弱磁恒功率调速。总之，基于变频变压调速（VVVF）的电机在额定转速以下，保持电机恒转矩运行；在额定转速以上，保持电机恒功率运行，在电动汽车驱动中，还要求恒功率区的调速范围尽可能宽。但该控制没有考虑到电机内复杂的电磁动态变化规律，所以动态控制性能不够理想。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统2）磁场定向控制（FOC）直流电动机的结构有以下两个特点：定子励磁电路和电枢供电电路相互独立，却可以分别调整，互不干扰。两个磁场（主磁场和电枢磁场)在空间互相垂直，互不影响。矢量控制的基本思想是：仿照直流电动机的调速特点，使异步交流电动机的转速 也能通过控制两个互相独立的直流磁场进行调节。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统 异步电动机的定子绕组通入三相平衡的正弦电流，可以产生旋转磁场在空间位置上互相垂直的两相绕组，通人两相相位差为90平衡的正弦电流，也会产生旋转磁场;直流电动机能够转动，是因为其定子绕组与转子导体分别通入直流电流后，产生的两个互相垂直磁场柑互作用的结果。尽管电枢在转动，但整流子的电刷位置不动，才保证了电枢磁场在空间位置上与定子绕组磁场互相垂直。如果以直流电动机的转子为参照物，那么，定子所产生的磁场就是旋转磁动势.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统三相旋转磁场 两相旋转磁场 直流电动机内两等效磁场.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统 由此可见，以产生同样的旋转磁动势为准则，三相交流电绕组、两相交流电绕组和两组直流绕组可以彼此等效。换句话说，三相交流电磁场可以分解并等效为两相互相垂直的交流电磁场。这两相交流电磁场，又和两组直流绕组磁场等效，两者仅相差一个相位角，彼此关系如图3-23所示。这样，从整体上来看，A、B、C三相输人（iA、iB、iC），转速输出，是一台异步电动机;从内部看，经过3/2坐标变换，和VR(同步矢量旋转）坐标变换（指同步矢量旋转角，是等效两相交流磁场与直流电动机磁场的两者磁通轴的瞬时夹角），变成一台由直流电动机。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统 异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电 动机的控制方式，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，就可以控制异步电动机。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以通过坐标变换实现的控制系统称为矢量变换控制系统或称 矢量控制系统、磁场定向控制等。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统4.3永磁同步电动机永磁同步电动机1.永磁同步电动机的特点 永磁同步电机在汽车上应用的越来越广泛，它具有功率密度高、转子的转动惯量小、运行效率高、转轴上无滑环和电刷等优点。但是永磁同步电机也有自身的缺点，转子上的永磁材料在高温、震动和过流的条件下，会产生磁性衰退的现象，所以在相对复杂的工作条件下，电机容易发生损坏，而且永磁材料价格较高，因此整个电机及其控制系统成本较高。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统2.永磁同步电动机分类永磁同步电动机按永磁体结构分类内置式永磁同步电动机表面永磁同步电动机按定子绕组感应电势波形分类梯形波永磁同步电动机BLDC正弦波永磁同步电动机PMSM 目前在纯电动汽车上应用较多的是正弦波永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)，且电机永磁体一般采用内置式。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统3.永磁同步电动机的结构 永磁同步电动机的主要结构由定子和转子、端盖、轴承、旋转变压器等部件组成，具体结构如图4-17所示图4-17永磁同步电动机结构.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统（1）定子 定子部分与三相异步电动机完全一样，三相绕组沿定子铁心对称分布，在空间互差120度电角度，通入三相交流电时，产生旋转磁场。（2）转子 永磁同步电动机转子结构如图4-18所示，转子采用永磁体，目前主要以钕铁硼作为永磁材料。由于采用永磁体简化了电机的结构，提高了可靠性，又没有转子铜耗，提高电机的效率。转子铁芯永磁体挡板转子轴图4-18 永磁同步电动机转子结构.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统 永磁体的安装形式（如下图4-19）有：表面贴装式和内埋式两种，其中内埋式又包括插入式及内装式。用于矢量控制的PMSM，要求其永磁励磁磁场波形是正弦的，这也是PMSM的一个基本特征。面装式转子结构 插入式转子结构 内装式转子结构 图4-19 永磁体的安装形式.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统4.永磁同步电动机的工作原理 对称相定子绕组通入对称三相交流电产生旋转磁场，永磁转子在定子旋转磁场的磁力拖动下转动且达到同步转速。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统5.永磁同步电动机转速控制方法 永磁同步电机的调速方法也不断发展，主要经历了由他控式变频调速发展到自控式变频调速；由电压波形正弦脉宽调制发展到电流波形正弦脉宽调制，再发展到磁通正弦脉宽调制；由矢量控制发展到直接转矩控制，再发展到弱磁控制；从传统的比例积分控制发展到模糊控制、自适应控制、滑模变结构控制、神经网络控制、专家控制等先进控制策略。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统（1）变频变压控制（VVVF）在进行电动机调速控制时，希望保持电机中磁通量为额定值不变。在额定频率以下，如果电压一定而只降低频率，那么气隙磁通变大，造成磁路饱和，严重时烧毁电动机。因此为了保持气隙磁通不变，近似保持电机在恒磁通的工作状态，就要求在降低供电频率的同时降低输出电压，保持U1f1为常数，这种控制方式为恒压频比控制。恒压频比控制的SPWM（正弦脉宽调制）方法是永磁同步电机调速常用的控制方式之一。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统 变压变频装置(VVVF)的控制变量为电机的电压和频率，控制系统将参考电压和频率输入至SPWM波形生成调制器中，输出PWM信号控制逆变器的电力电子器件的导通或者关断状态，由逆变器产生一个交变的正弦电压施加在电动机的定子绕组上，使之运行在指定的电压和参考频率下。按照这种控制策略进行控制，使供电电压的基波幅值随着速度指令成比例的线性增长，从而保持定子磁通的近似恒定。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统（2）磁场定向控制（FOC）图4-20 PMSM内部结构图（电流解耦）永磁同步电动机磁场定向控制技术的核心是在转子磁场旋转dq坐标系中，针对电动机定子电流的励磁电流id和转矩电流iq分别进行独立控制。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统4-21永磁同步电动机矢量控制技术原理框图.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统 图4-21中的控制系统根据调速的需求（结合给定转速与电动机的反馈转速），设定合理的电动机转矩与磁链目标值（磁链设定需要考虑电动机电压与工作转速，转矩设定需要考虑电动机的电流，两者的合理设定都需要考虑电动机的实际运行环境），结合图4-20中PMSM转矩与电流的关系，给出合理的idref与iqref指令值。这两个电流仅仅存在于dq坐标系电动机的数学模型中，并不能直接进行电机控制，所以需要将它们转化为三相定子坐系中的变量。经过图4-25中的 2r/2s旋转变换与2/3变换两个单元的作用后，得到了三相定子电流的指令值（iAref、iBref、iCref）。采用合适的PMW（如电流滞环PMW）技术控制逆变器三相输出电流紧紧跟随该电流参考值。当三相定子电流得到很好控制的时候，就可以认为dq旋转坐标系中的励磁电流id和转矩电流iq得到了很好的控制，则PMSM的磁场与电磁转矩就得到了很好的控制。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统4.4开关磁阻驱动电机开关磁阻驱动电机1.开关磁阻电机结构与分类 开关磁阻电机主要有定子与转子两部分组成(图4-22)，定子均为凸极结构，空间相对的两个极上的线圈串联或并联构成一相绕组。转子也为凸极结构，但转子上无绕组。由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为双凸极结构。定子绕组用来向电机提供工作磁场，在转子上没有线圈，这是磁阻电机的主要特点。图4-22 开关磁阻电机的定子与转子.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统2.工作原理 开关磁阻电机工作原理如图4-23所示，它运行遵循磁阻最小原理即：磁通总要沿磁阻最小路径闭合，即转子凸极轴线总趋向与定子产生磁通轴线对齐，最终确保在定子励磁条件下获得最大定子磁链。当定子某相绕组通电励磁，产生的磁场磁力线由于扭曲而引起切向磁拉力，以使相近转子凸极轴线旋转到与定子的电励磁极轴线相对齐位置磁阻最小位置。由于其“对齐”趋势使变磁阻电机产生特有的有效电磁磁阻转矩。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统 V相通电 W相通电 R相通电 U相通电 图4-23开关磁阻电机工作原理.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统3.开关磁阻电机传动系统的特点 开关磁阻电机具有以下优点：电机结构简单、坚固、维护量小；功率变换器电路简单、可靠性高；可以在宽广的速度和负载范围内高效率运行；控制方便、灵活，易于实现四象限运行；起动电流小，启动转矩大；容错能力强，在缺相情况下仍能可靠运行。主要的缺点是：转矩脉动大；振动与噪声大。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统4.开关磁阻电机驱动系统组成及转速控制方法（1）开关磁阻电机驱动系统的基本组成开关磁阻电机驱动系统SRD(witched Reluctance Drive)的基本组成如下图4-24 开关磁阻电机驱动系统基本组成.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统（2）转速控制方法 开关磁阻电机的基本机械特性如下图4-26所示，在恒转矩区，开关磁阻电机电流与转速成反比，此时电机转速较低，电机反电动势小，为限制绕组电流不超过允许值、获得恒转矩特性，通常采用固定开通角、关断角，通过斩波限流来控制外施电压，该方法即称为电流斩波控制CCC方式。在恒功率区，SR电机高于基速时电压已为最高值，要使转矩不随升速而下降，只能通过调节主开关管开通角、关断角来增大电流，即经角度位置控制获得恒功率特性，称为角度位置控制(APC)，APC与CCC不同是每周期对电流仅实行一次开关控制，所也称单脉冲控制。在串励特性区，电源电压、开通角、关断角均固定，该特性与串励式直流电机的特性相似。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统图4-26 开关磁阻电机的基本机械特性.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统4.5电机位置传感器电机位置传感器 在电机的控制中，电机控制器需要获得电机转子的位置、旋向、转速等参数以便进行相关控制，而这些参数的获得包括有位置传感器和无位置传感器两种检测法，无位置传感器控制通过检测计算与转子位置有关物理量来间接获得转子位置信息，因省去传感器，对电机体积、成本、可靠性等均有好处，正在被引起重视，但目前还处于研发阶段。采用位置传感器检测的，根据其应用的原理不同，常用的电机位置传感器包括以下几种类型：常用的有电磁式、光电式、磁敏式三种。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统1.电磁式（旋转变压器）位置传感器 旋转变压器简称旋变，是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。（1）旋转变压器分类旋转变压器根据输出电压和转子转角间的函数关系、电极对数及有无电刷可进行如下图4-27所示：.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统图4-27旋转变压器分类.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统（2）正余弦旋转变压器 定子槽内安置了逐槽反向串接的输入绕组1-1和两个间隔绕制反向串接的输出绕组2-2，3-3。当给输入绕组1-1加上交流正弦电压时，两个输出绕组2-2、3-3中分别得到两个电压，其幅值主要取决于定子和转子齿的相对位置间气隙磁导的大小。当转子相对定子转动时，空间的气隙磁导发生变化，转子每转过一个转子齿距，气隙磁导变化一个周期；而当转子转过一周时，气隙磁导变化的周期数等于转子齿数。这样，转子的齿数就相当于磁阻式多极旋转变压器极对数，从而达到多极的效果。气隙磁导的变化，导致输入和输出绕组之间互感的变化，输出绕组感应的电势亦发生变化。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统图4-28 磁阻式旋转变压器.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统图4-29 磁阻式旋转变压器工作原理图 旋变励磁绕组（原边）单相电压供电压为：副边感生电压：其中U1m励磁电压幅值，励磁电压角频率。US1S3余弦相的输出电压，US2S4正弦相的输出电压，U2m次级输出电压的幅值；励磁方和次级输出方电压之间的相位角，转子的转角.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统2.磁敏式位置传感器 利用半导体材料电参数按一定规律随周围磁场而变化特性制成的磁敏感元件，常见磁敏传感器有霍尔集成电路(或称霍尔元件)、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。霍尔元件输出电压极性随磁场方向变化而改变，根据霍尔效应原理工作（如图4-31），由于霍尔集成电路的成熟发展，使由它构成的位置传感器具有结构简单、性能可靠、成本低等优点，已在无刷电机上被广泛采用。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统1.霍尔传感器磁体 2.副轴 3.霍尔传感器 4.定子绕组 5.转子南磁极 6.轴的驱动器 7.转子北磁极 图4-32 霍尔传感器在永磁同步电机中的应用.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统3.光电式位置传感器 光电式位置传感器是利用光电元件作位置信息的实现工具，它是将被测电机转子相对位置变化量转换为光电信号的变化，然后利用光电元件将电机的位置变化的光信号转换成电路能够处理的电信号。光电传感器由 光源、光学通路和光电元件三部分组成。1-光源2-柱面镜3-码盘4-狭缝5-光电元件 图4-33 光电式位置传感器原理.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统4.6驱动电机控制器组成与功能驱动电机控制器组成与功能1.驱动电机控制器主要功能序号序号电机控制器功能电机控制器功能备注备注1控制电机正、反转档位手柄置于D档时控制电机正转，档位手柄置于R档时控制电机反转。2控制电机加、减速在控制器控制电机运行时，油门开度增大电机转速变快，油门开度减小电机的转速变慢。3控制电机启动、停止当档位手柄置于D档或R档时电机启动，在踩脚刹踏板或拉驻车手柄或档位手柄置N档或P档时电机停止。4CAN通信通过CAN总线能接收控制指令和发送电机参数，及时把档位信息、电机转速、电机电流、旋转方向传给相关ECU.接受其他ECU传递的信息，如电压、电量等信息。5检测电机转子的位置根据旋转变压器等位置传感器采集的电机转子位置角度实电机相应控制。6过流、过压、过温保护当电机过温、散热器过温、功率器过流、过压、过温时发出保护信号，停止控制器运行。7刹车制动与能量回馈刹车时能实现电机的制动、能量回馈。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统2.驱动电机控制器参数指标及含义技术指标技术参数直流输入电压336V工作电压范围265410V控制电源12V控制电源电压范围916V标称容量85kVA重量防护等级IP67尺寸（长X宽X高)403X249X140表4-9电机控制器参数指 以下为某品牌纯电动汽车电机控制器（表4-9）及其所驱动电机（表4-10）的参数指标:.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统技术指标技术参数类型永磁同步基速2812rpm转速范围09000rpm额定功率30kW峰值功率53kW额定扭矩102Nm峰值扭矩180Nm重量防护等级IP67尺寸（定子直径X总长)()245X(L)280表4-10电机参数指标.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统3.驱动电机控制器结构及组成 驱动电机控制器整体由外壳、控制板、水道、直流高压插件、UVW高压插件、功率器件（IGBT或MOSFET）模块及驱动板等部件组成：外壳主控板 图4-35 外壳与主控板.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统从控板电流传感器电容UVW输出高压输入图4-36 从控板与UVW高压输出端.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统图4-42功率器件（MOSFET）模块 散热板MOSFET.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统(1)MOSFET模块及驱动板 场效应管按沟道材料型和绝缘栅型可分N沟道和P沟道两种；按导电方式：耗尽型与增强型，结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。绝缘栅型场效应管(Metal Oxide Semiconductor FET)简称MOSFET。图4-38平面N沟道增强型场效应管.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统当UGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止（图4-39）。图4-39 场效应管截止.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统 当UGS0V时，纵向电场将P区少子电子聚集到P区表面形成导电沟道，如果加有漏源电压，就可以形成漏极电流id，即管子导通（图4-40）。图4-40 场效应管导通.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统 电力MOSFET主要是N沟道增强型（图4-41），符号如图4-42所示。电力MOSFET导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。它采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。小功率MOS管是横向导电器件。电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。图4-41 电力MOSFET结构（N沟道增强型VDMOS一个单元截面图）图4-42 电力MOSFET电气符号.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统(2)IGBT模块及驱动板图4-43 IGBT模块 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块（图4-43）是驱动电机系统的控制中心，又称智能功率模块。它的主要作用是将动力电池的直流电逆成电压、频率可调的三相交流电，供给配套的电机使用。.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统 图4-44 IGBT结构、简化等效电路及电气图形符号.第四章第四章 驱动电机及控制系统驱动电机及控制系统 IGBT为三端器件具有：栅极G、集电极C和发射极E，结构及符号如图4-44所示。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1，使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结