电动汽车电机驱动系统概述.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,*,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,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,第,*,页,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,第,*,页,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,第,*,页,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,第,*,页,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,第,*,页,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,第,*,页,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,第,*,页,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,第,*,页,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,第,*,页,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,第,*,页,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,第,*,页,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,*,第,*,页,第,3,章 电动汽车电机驱动系统,3.1,概述,3.2,直流电动机,3.3,无刷直流电动机,3.4,异步电动机,3.5,永磁同时电动机,3.6,开关磁阻电动机,3.7,轮毂电机,第 1 页,电动汽车电机驱动系统概述,第1页,3.1,概述,3.1.1,电动汽车电机驱动系统组成与类型,3.1.2,电动机额定指标,3.1.3,电动汽车对电动机要求,3.1.4,电动汽车电机驱动系统发展趋势,第 2 页,电动汽车电机驱动系统概述,第2页,3.1.1,电动汽车电机驱动系统组成与类型,1,电动汽车电机驱动系统组成,电机驱动系统是电动汽车心脏，它由电机、功率转化器、控制器、各种检测传感器和电源（蓄电池）组成，其任务是在驾驶员控制下，高效率地将蓄电池电量转化为车轮动能，或者将车轮动能反馈到蓄电池中。,第 3 页,电动汽车电机驱动系统概述,第3页,3.1.1,电动汽车电机驱动系统组成与类型,2,电动汽车电机驱动系统类型,电动汽车电机驱动系统按所选电动机类型可分为,:,(1),直流电动机,;,(2),无刷直流电动机,;,(3),异步电动机,;,(4),永磁同时电动机,;,(5),开关磁阻电动机等。,第 4 页,电动汽车电机驱动系统概述,第4页,3.1.2,电动机额定指标,(1),额定功率。额定功率是指额定运行情况下轴端输出机械功率,(W,或,kW),。,(2),额定电压。额定电压是指外加于线端电源线电压,(V),。,(3),额定电流。额定电流是指电动机额定运行,(,额定电压、额定输出功率,),情况下电枢绕组,(,或定子绕组,),线电流,(A),。,(4),额定频率。额定频率是指电动机额定运行情况下电枢,(,或定子侧,),频率,(Hz),。,(5),额定转速。额定转速是指电动机额定运行,(,额定电压、额定频率、额定输出功率,),情况下，电动机转子转速,(r/min),。,第 5 页,电动汽车电机驱动系统概述,第5页,3.1.3,电动汽车对电动机要求,电动汽车在行驶过程中，经常频繁地开启,/,停车、加速,/,减速等，这就要求电动汽车中电动机比普通工业应用电动机性能更高，基本要求以下：,(1),电动机运行特征要满足电动汽车要求，在恒转矩区，要求低速运行时含有大转矩，以满足电动汽车起动和爬坡要求；在恒功率区，要求低转矩时含有高速度，以满足电动汽车在平坦路面能够高速行驶要求；,(2),电动机应含有瞬时功率大、带负载开启性能好、过载能力强，加速性能好，使用寿命长特点；,(3),电动机应在整个运行范围内，含有很高效率，以提升一次充电续驶里程；,第 6 页,电动汽车电机驱动系统概述,第6页,3.1.3,电动汽车对电动机要求,(4),电动机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈给蓄电池，使得电动汽车含有最正确能量利用率；,(5),电动机应可靠性好，能够在较恶劣环境下长久工作；,(6),电动机应体积小，重量轻，普通为工业用电动机,1/21/3,；,(7),电动机结构要简单坚固，适合批量生产，便于使用和维护；,(8),价格廉价，从而能够降低整体电动汽车价格，提升性价比；,(9),运行时噪声低，降低污染。,第 7 页,电动汽车电机驱动系统概述,第7页,3.1.4,电动汽车电机驱动系统发展趋势,（,1,）电机功率密度不停提升，永磁电机应用范围不停扩大。,（,2,）电机工作转速不停提升，回馈制动高效区不停拓宽。,（,3,）电驱动系统集成化和一体化趋势愈加显著。,（,4,）电驱动系统混合度与电功率比不停增加。,（,5,）车用电驱动控制系统集成化和数字化程度不停加大。,第 8 页,电动汽车电机驱动系统概述,第8页,3.2,直流电动机,3.2.1,直流电动机分类,3.2.2,直流电动机结构与特点,3.2.3,直流电动机工作原理,3.2.4,直流电动机控制,第 9 页,电动汽车电机驱动系统概述,第9页,3.2.1,直流电动机分类,直流电动机分为绕组励磁式直流电动机和永磁式直流电动机。在电动汽车所采取直流电动机中，小功率电动机采取是永磁式直流电动机，大功率电动机采取是绕组励磁式直流电动机。,绕组励磁式直流电动机依据励磁方式不一样，可分为他励式、并励式、串励式和复励式四种类型。,第 10 页,电动汽车电机驱动系统概述,第10页,3.2.1,直流电动机分类,1,他励式直流电动机,他励式直流电动机励磁绕组与电枢绕组无连接关系，而由其它直流电源对励磁绕组供电。所以励磁电流不受电枢端电压或电枢电流影响。永磁直流电动机也可看作他励直流电动机。,他励直流电动机在运行过程中励磁磁场稳定而且轻易控制，轻易实现电动汽车再生制动要求。但当采取永磁激励时，即使电动机效率高，重量和体积较小，但因为励磁磁场固定，电动机机械特征不理想，驱动电动机产生不了足够大输出转矩来满足电动汽车起动和加速时大转矩要求。,第 11 页,电动汽车电机驱动系统概述,第11页,3.2.1,直流电动机分类,2,并励直流电动机,并励直流电动机励磁绕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，不过励磁绕组用细导线绕成，其匝数很多，所以含有较大电阻，使得经过它励磁电流较小。,3,串励直流电动机,串励直流电动机励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，这种直流电动机励磁电流就是电枢电流。这种电动机内磁场伴随电枢电流改变有显著改变。为了使励磁绕组中不致引发大损耗和电压降，励磁绕组电阻越小越好，所以串励直流电动机通惯用较粗导线绕成，它匝数较少。,第 12 页,电动汽车电机驱动系统概述,第12页,3.2.1,直流电动机分类,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，电动机磁通由两个绕组内励磁电流产生。若串励绕组产生磁通势与并励绕组产生磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。,复励直流电动机永磁励磁部分采取高磁性材料钕铁硼，运行效率高。因为电动机永磁励磁部分有稳定磁场，所以用该类电动机组成驱动系统时易实现再生制动功效。同时因为电动机增加了增磁绕组，经过控制励磁绕组励磁电流或励磁磁场大小，能克服纯永磁他励直流电动机不能产生足够输出转矩来满足电动汽车低速或爬坡时大转矩要求，而电动机重量或体积比串励电动机小。,第 13 页,电动汽车电机驱动系统概述,第13页,3.2.1,直流电动机分类,各种励磁方式直流电动机电路如图所表示。,第 14 页,电动汽车电机驱动系统概述,第14页,3.2.2,直流电动机结构与特点,1,直流电动机结构,直流电动机由定子与转子两大部分组成，定子和转子之间间隙称为气隙。,第 15 页,电动汽车电机驱动系统概述,第15页,3.2.2,直流电动机结构与特点,2,直流电动机特点,(1),调速性能好。直流电动机能够在重负载条件下，实现均匀、平滑无级调速，而且调速范围较宽。,(2),起动力矩大。能够均匀而经济地实现转速调整，所以，凡是在重负载下起动或要求均匀调整转速机械，比如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都可用直流电动机拖动。,(3),控制比较简单。普通用斩波器控制，它含有高效率、控制灵活、重量轻、体积小、响应快等优点。,(4),有易损件。因为存在电刷、换向器等易磨损器件，所以必须进行定时维护或更换。,第 16 页,电动汽车电机驱动系统概述,第16页,3.2.3,直流电动机工作原理,直流电动机工作原理图所表示。图中，定子有一对,N,、,S,极，电枢绕组末端分别接到两个换向片上，正、负电刷,A,和,B,分别与两个换向片接触。,第 17 页,电动汽车电机驱动系统概述,第17页,3.2.4,直流电动机控制,直流电动机转速控制方法主要有电枢调压控制、磁场控制和电枢回路电阻控制。,电枢调压控制是指经过改变电枢端电压来控制电动机转速。这种控制只适合电动机基速以下转速控制，它可保持电动机负载转矩不变，电动机转速近似与电枢端电压成百分比改变，所以称为恒转矩调速。直流电动机采取电枢调压控制可实现在宽广范围内连续平滑速度控制，调速比普通可达,1:10,，假如与磁场控制配合使用，调速比可达,1:30,。电枢调压控制调速过程：当磁通保持不变时，减小电压，因为转速不马上发生改变，反电动势也暂时不改变，因为电枢电流减小了，转矩也减小了。假如阻转矩未变，则转速下降。伴随转速降低，反电动势减小，电枢电流和转矩就伴随增大，直到转矩与阻转矩再次平衡为止，但这时转速已经较原来降低了。,第 18 页,电动汽车电机驱动系统概述,第18页,3.2.4,直流电动机控制,磁场控制是指经过调整直流电动机励磁电流改变每极磁通量，从而调整电动机转速，这种控制只适合电动机基数以上控制。当电枢电流不变时，含有恒功率调速特征。磁场控制效率高，但调速范围小，普通不超出,1:3,，而且响应速度较慢。磁场控制可采取可变电阻器，也可采取可控整流电源作为励磁电源。,磁场控制调速过程：当电压保持恒定时，减小磁通，因为机械惯性，转速不马上发生改变，于是反电动势减小，电枢电流随之增加。因为电枢电流增加影响超出磁通减小影响，所以转矩也就增加。假如阻转矩未变，则转速上升。伴随转速升高，反电动势增大，电枢电流和转矩也伴随减小，直到转矩和阻转矩再次平衡为止，但这时转速已经较原来升高了。,第 19 页,电动汽车电机驱动系统概述,第19页,3.2.4,直流电动机控制,电枢回路串电阻控制是指当电动机励磁电流不变时，经过改变电枢回路电阻来调整电动机转速。这种控制方法机械特征较软，而且电动机运行不稳定，普通极少应用。对于小型串励电动机，常采取电枢回路串电阻控制方式。,第 20 页,电动汽车电机驱动系统概述,第20页,3.3,无刷直流电动机,3.3.1,无刷直流电动机分类,3.3.2,无刷直流电动机结构与特点,3.3.3,无刷直流电动机工作原理,3.3.4,无刷直流电动机控制,第 21 页,电动汽车电机驱动系统概述,第21页,3.3.1,无刷直流电动机分类,无刷直流电动机按照工作特征，能够分为含有直流电动机特征无刷直流电动机和含有交流电动机特征无刷直流电动机。,含有直流电动机特征无刷直流电动机，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时电动机。这类电动机由直流电源供电，借助位置传感器来检测主转子位置，由所检测出信号去触发对应电子换相线路以实现无接触式换相。显然，这种无刷直流电动机含有有刷直流电动机各种运行特征。,含有交流电动机特征无刷直流电动机，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时电动机。这类电动机也由直流电源供电，但经过逆变器将直流电变换成交流电，然后去驱动普通同时电动机。所以，它们含有同时电动机各种运行特征。,第 22 页,电动汽车电机驱动系统概述,第22页,3.3.2,无刷直流电动机结构与特点,1,无刷直流电动机结构,无刷直流电动机主要由电动机本体、电子换相器和转子位置传感器三部分组成。,(1),电动机本体。无刷直流电动机电动机本体由定子和转子两部分组成。,(2),电子换相器。电子换相器是由功率开关和位置信号处理电路组成，主要用来控制订子各绕组通电次序和时间。,(3),位置传感器。位置传感器在无刷直流电动机中起着检测转子磁极位置作用，为功率开关电路提供正确换相信息，即将转子磁极位置信号转换成电信号，经位置信号处理电路处理后控制订子绕组换相。,第 23 页,电动汽车电机驱动系统概述,第23页,3.3.2,无刷直流电动机结构与特点,无刷直流电动机实物图。,第 24 页,电动汽车电机驱动系统概述,第24页,3.3.2,无刷直流电动机结构与特点,无刷直流电动机作为电动汽车用电动机，含有以下优点：,(1),外特征好，非常符合电动汽车负载特征，尤其是含有低速大转矩特征，能够提供大起动转矩，满足电动汽车加速要求；,(2),能够在低、中、高宽速度范围内运行，而有刷电动机因为受机械换向影响，只能在中低速下运行；,(3),效率高，尤其是在轻载车况下，仍能保持较高效率，这对宝贵电池能量是很主要；,(4),过载能力强，比,Y,系列电动机可提升过载能力,2,倍以上，满足电动汽车突起堵转需要；,第 25 页,电动汽车电机驱动系统概述,第25页,3.3.2,无刷直流电动机结构与特点,(5),再生制动效果好，因无刷直流电动机转子含有很高永久磁场，在汽车下坡或制动时电动机可完全进入发电机状态，给电池充电，同时起到电制动作用，减轻机械刹车负担；,(6),体积小、重量轻、比功率大，可有效地减轻重量、节约空间；,(7),无机械换向器，采取全封闭式结构，预防尘土进入电动机内部，可靠性高；,(8),控制系统比异步电动机简单。,缺点是电动机本身比交流电动机复杂，控制器比有刷直流电动机复杂。,第 26 页,电动汽车电机驱动系统概述,第26页,3.3.3,无刷直流电动机工作原理,无刷直流电动机工作原理与有刷直流电动机工作原理基本相同。它是利用电动机转子位置传感器输出信号控制电子换向线路去驱动逆变器功率开关器件，使电枢绕组依次馈电，从而在定子上产生跳跃式旋转磁场，拖动电动机转子旋转。同时，伴随电动机转子转动，转子位置传感器又不停送出位置信号，以不停改变电枢绕组通电状态，使得在某一磁极下导体中电流方向保持不变，这么电动机就旋转起来了。,第 27 页,电动汽车电机驱动系统概述,第27页,3.3.4,无刷直流电动机控制,按照获取转子位置信息方法划分，无刷直流电动机控制方法能够分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。,有位置传感器控制方法是指在无刷直流电动机定子上安装位置传感器来检测转子旋转过程中位置，将转子磁极位置信号转换成电信号，为电子换相电路提供正确换相信息，以此控制电子换相电路中功率开关管开关状态，确保电动机各相按次序导通，在空间形成跳跃式旋转磁场，驱动永磁转子连续不停地旋转。无刷直流电动机中惯用位置传感器有霍尔元件位置传感器、磁敏晶体管位置传感器、光电式位置传感器等。,第 28 页,电动汽车电机驱动系统概述,第28页,3.3.4,无刷直流电动机控制,无刷直流电动机无位置传感器控制，无需安装传感器，使用场所广，相对于有位置传感器方法有较大优势，所以，无刷直流电动机无位置传感器控制近年来己成为研究热点。无刷直流电动机无位置传感器控制中，不直接使用转子位置传感器，但在电动机运转过程中，依然需要转子位置信号，以控制电动机换相。所以，怎样经过软硬件间接取得可靠转子位置信号，成为无刷直流电动机无位置传感器控制关键。为此，国内外研究人员在这方面作了大量研究工作，提出了各种转子位置信号检测方法，大多是利用检测定子电压、电流等轻易获取物理量实现转子位置估算。归纳起来，能够分为反电动势法、电感法、状态观察器法、电动机方程计算法、人工神经网络法等。、磁敏晶体管位置传感器、光电式位置传感器等。,第 29 页,电动汽车电机驱动系统概述,第29页,3.4,异步电动机,3.4.1,异步电动机结构与特点,3.4.2,异步电动机工作原理与运行特征,3.4.3,异步电动机控制,第 30 页,电动汽车电机驱动系统概述,第30页,3.4.1,异步电动机结构与特点,1,异步电动机结构,异步电动机主要由静止定子和旋转转子两大部分组成，定子和转子之间存在气隙，另外，还有端盖、轴承、机座和风扇等部件。,第 31 页,电动汽车电机驱动系统概述,第31页,3.4.1,异步电动机结构与特点,2,异步电动机特点,异步电动机基本特点是，转子绕组不需与其它电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其它电动机相比，异步电动机结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。以三相异步电动机为例，与同功率、同转速直流电动机相比，前者重量只及后者二分之一，成本仅为三分之一。异步电动机还轻易按不一样环境条件要求，派生出各种系列产品。它还含有靠近恒速负载特征，能满足大多数工农业生产机械拖动要求。,异步电动机不足是，它转速与其旋转磁场同时转速有固定转差率，因而调速性能较差，在要求有较宽广平滑调速范围使用场所，不如直流电动机经济、方便。另外，异步电动机运行时，从电力系统吸收无功功率以励磁，这会造成电力系统功率因数变坏。所以，在大功率、低转速场所不如用同时电动机合理。,第 32 页,电动汽车电机驱动系统概述,第32页,3.4.2,异步电动机工作原理与运行特征,1.,异步电动机工作原理,当异步电动机三相定子绕组通入三相交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电动势，电动势方向由右手定则来确定。因为转子绕组是闭合通路，转子中便有电流产生，电流方向与电动势方向相同，而载流转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，电磁力方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，驱动电动机旋转，而且电动机旋转方向与旋转磁场方向相同。,第 33 页,电动汽车电机驱动系统概述,第33页,3.4.2,异步电动机工作原理与运行特征,2.,异步电动机运行特征,异步电动机运行特征包含工作特征和机械特征。,异步电动机工作特征是指电动机在保持额度电压和额定频率不变情况下，电动机转速、电磁转矩、定子电流、效率和功率因数随输出功率改变特征。普通经过负载试验来测取。图是异步电动机工作特征。,第 34 页,电动汽车电机驱动系统概述,第34页,3.4.2,异步电动机工作原理与运行特征,异步电动机机械特征分为自然机械特征和人为机械特征。,在电源电压和电源频率恒定且定、转子回路不接入任何附加设备时机械特征称为自然机械特征，,第 35 页,电动汽车电机驱动系统概述,第35页,3.4.2,异步电动机工作原理与运行特征,电源电压、电源频率、电动机极对数、定子或转子回路接入其它从属设备，其中任意一项改变得到机械特征称为人为机械特征。,因为电源频率不变，所以同时转速点不变，电磁转矩与电源电压平方成百分比改变，但各条曲线最大转矩点对应转差率基本保持不变。,第 36 页,电动汽车电机驱动系统概述,第36页,3.4.3,异步电动机控制,当前对异步电动机调速控制主要有恒压频比开环控制、转差控制、矢量控制以及直接转矩控制等。,恒压频比开环控制实际上只控制了电动机磁通而没有控制电动机转矩，采取这么控制系统对异步电动机来讲根本谈不上控制性能，通常只用于对调速性能要求普通通用变频器上。,转差控制是依据异步电动机电磁转矩和转差频率关系来直接控制电动机转矩，能够在一定转差频率范围内、一定程度上经过调整转差来控制电动机电磁转矩，从而改进调速系统控制性能，但其控制理论是建立在异步电动机稳态数学模型基础上，它适合于电动机转速改变迟缓或者对动态性能要求不高场所。,第 37 页,电动汽车电机驱动系统概述,第37页,3.4.3,异步电动机控制,1,异步电动机矢量控制,矢量控制理论采取矢量分析方法来分析交流电动机内部电磁过程，是建立在交流电动机动态数学模型基础上控制方法。它模仿对直流电动机控制技术，将交流电动机定子电流解耦成相互独立产生磁链分量和产生转矩分量。分别控制这两个分量就能够实现对交流电动机磁链控制和转矩控制完全解耦，从而到达理想动态性能。,(1),异步电动机矢量控制方式选择。异步电动机矢量控制是基于磁场定向方法，其调速控制系统方式比较复杂，惯用控制策略有以下,4,种。转子磁场定向矢量控制原理；转差率矢量控制原理；气隙磁场定向矢量控制原理；定子磁场定向矢量控制原理。,第 38 页,电动汽车电机驱动系统概述,第38页,3.4.3,异步电动机控制,(2),异步电动机矢量控制特点。矢量控制变频器能够分别对异步电动机磁通和转矩电流进行检测和控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值到达一致，从而实现了变频调速，大大提升了电动机控制静态精度和动态品质。转速精度约等于,0.5%,，转速响应也较快。采取矢量变频器异步电动机变频调速是能够到达控制结构简单，可靠性高效果。其主要表现在：能够从零转速起进行速度控制，所以调速范围很宽广；能够对转矩实施较为准确控制；系统动态响应速度很快；电动机加速度特征很好。,第 39 页,电动汽车电机驱动系统概述,第39页,3.4.3,异步电动机控制,2.,异步电动机直接转矩控制,直接转矩控制是将电动机输出转矩作为直接控制对象，经过控制订子磁场向量控制电动机转速。它不需要复杂坐标变换，也不需要依赖转子数学模型，只是经过控制,PWM,型逆变器导通和切换方式，控制电动机瞬时输入电压，改变磁链旋转速度来控制瞬时转矩，使系统性能对转子参数展现鲁棒性。而且这种方法被推广到弱磁调速范围。逆变器,PWM,采取电压空间向量控制方式，性能优越。但同时不可防止地产生转矩脉动，调速性能降低问题。该方法对逆变器开关频率提升限制较大，定子电阻对电动机低速性能也有较大影响，如在低速区，定子电阻改变引发定子电流和磁链畸变，以及转矩脉动、死区效应和开关频率等问题。,第 40 页,电动汽车电机驱动系统概述,第40页,3.4.3,异步电动机控制,(1),异步电动机直接转矩控制系统结构与原理。它主要包含磁链调整器、转矩调整器、磁链和转矩观察器、转速调整器等。其中磁链观察器对磁链观察是否准确对整个控制系统稳定性有着举足轻重作用，而开关策略和磁链、转矩调整是先进控制算法关键部分。,第 41 页,电动汽车电机驱动系统概述,第41页,3.4.3,异步电动机控制,(2),直接转矩控制特点,直接转矩控制所需要信号处理工作尤其简单，所用控制信号使观察者对于交流电动机物理过程能够做出直接和明确判断。,直接转矩控制大大降低了矢量控制技术中控制性能易受参数改变影响问题。,直接转矩控制并非极力取得理想正弦波波形，也不专门强调磁链完全理想圆形轨迹。相反，从控制转矩角度出发，它强调是转矩直接控制效果，因而它采取离散电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹概念。,直接转矩控制技术对转矩实施直接控制。它控制效果不取决于电动机数学模型是否能够简化，而是取决于转矩实际情况，它控制既直接又简化。,第 42 页,电动汽车电机驱动系统概述,第42页,3.5,永磁同时电动机,3.5.1,永磁同时电动机结构与特点,3.5.2,永磁同时电动机工作原理与运行特征,3.5.3,永磁同时电动机控制,第 43 页,电动汽车电机驱动系统概述,第43页,3.5.1,永磁同时电动机结构与特点,永磁同时电动机分为正弦波驱动电流永磁同时电动机和方波驱动电流永磁同时电动机。这里介绍主要是三相正弦波驱动永磁同时电动机。,永磁同时电动机结构示意图如图所表示，和传统电动机一样，主要由定子和转子两大部分组成。,第 44 页,电动汽车电机驱动系统概述,第44页,3.5.1,永磁同时电动机结构与特点,按照永磁体在转子上位置不一样，永磁同时电动机磁极结构可分为表面式和内置式二种。,(1),表面式转子磁路结构。表面式转子磁路结构中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心外表面上，永磁体提供磁通方向为径向。表面式结构又分为凸出式和嵌入式两种，如图所表示。,第 45 页,电动汽车电机驱动系统概述,第45页,3.5.1,永磁同时电动机结构与特点,(2),内置式转子磁路结构。按永磁体磁化方向与转子旋转方向相互关系，内置式转子结构又可分为径向式、切向式和混合式三种。,第 46 页,电动汽车电机驱动系统概述,第46页,3.5.1,永磁同时电动机结构与特点,永磁同时电动机与其它电动机相比，含有以下优点：,(1),用永磁体取代绕线式同时电动机转子中励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，以电子换向实现无刷运行，结构简单，运行可靠；,(2),永磁同时电动机转速与电源频率间一直保持准确同时关系，控制电源频率就能控制电动机转速；,(3),永磁同时电动机含有较硬机械特征，对于因负载改变而引发电动机转矩扰动含有较强承受能力，瞬间最大转矩能够到达额定转矩三倍以上，适合在负载转矩改变较大工况下运行；,第 47 页,电动汽车电机驱动系统概述,第47页,3.5.1,永磁同时电动机结构与特点,(4),永磁电动机转子为永久磁铁无需励磁，所以电动机能够在很低转速下保持同时运行，调速范围宽；,(5),永磁同时电动机与异步电动机相比，不需要无功励磁电流，因而功率因数高，定子电流和定子铜耗小，效率高；,(6),体积小、重量轻。近些年来伴随高性能永磁材料不停应用，永磁同时电动机功率密度得到很大提升，比起同容量异步电动机来，体积和重量都有较大降低，使其适合应用在许多特殊场所；,(7),结构多样化，应用范围广。,第 48 页,电动汽车电机驱动系统概述,第48页,3.5.1,永磁同时电动机结构与特点,永磁同时电动机还存在以下缺点：,(1),因为永磁同时电动机转子为永磁体，无法调整，必须经过加定子直轴去磁电流分量来减弱磁场，这会增大定子电流，增加电动机铜耗；,(2),永磁电动机磁钢价格较高。,由此可见，永磁电动机体积小，重量轻，转动惯量小，功率密度高,(,可达,1kW/kg),，适合电动汽车空间有限特点；另外，转矩惯量比大，过载能力强，尤其低转速时输出转矩大，适合电动汽车起动加速。所以，永磁电动机得到国内外电动汽车界广泛重视，并已在日本得到了普遍应用，日本新研制电动汽车大都采取永磁电动机驱动。比较经典是在丰田,Prius,混联式混合动力轿车上应用。,第 49 页,电动汽车电机驱动系统概述,第49页,3.5.2,永磁同时电动机工作原理与运行特征,1,电枢反应,永磁同时电动机带负载时，气隙磁场是永磁体磁动势和电枢磁动势共同建立。电枢磁动势对气隙磁场有影响，电枢磁动势基波对气隙磁场影响称为电枢反应。电枢反应不但使气隙磁场波形发生畸变，而且还会产生去磁或增磁作用，所以，气隙磁场将影响永磁同时电动机运行特征。,对永磁同时电动机进行分析时，需要采取双反应理论，即需要把电枢电流和电枢电动势分解成交轴和直轴两个分量。交轴电枢电流产生交轴电枢电动势，发生交轴电枢反应；直轴电枢电流产生直轴电枢电动势，发生直轴电枢反应。,第 50 页,电动汽车电机驱动系统概述,第50页,3.5.2,永磁同时电动机工作原理与运行特征,2,电压方程式,忽略磁饱和效应影响，永磁同时电动机电压方程式为,3,功率与转矩,电动机电磁功率为,假如忽略电枢电阻影响，则电动机电磁功率为,第 51 页,电动汽车电机驱动系统概述,第51页,3.5.2,永磁同时电动机工作原理与运行特征,电磁功率与功率角关系称为永磁同时电动机功角特征。,第 52 页,电动汽车电机驱动系统概述,第52页,3.5.2,永磁同时电动机工作原理与运行特征,4,运行特征,永磁同时电动机运行特征主要是机械特征和工作特征。,永磁同时电动机稳态正常运行时，转速一直保持同时速不变，所以，其机械特征为平行于横轴直线，调整电源频率来调整电动机转速时，转速将严格地与频率成正百分比改变。,第 53 页,电动汽车电机驱动系统概述,第53页,3.5.2,永磁同时电动机工作原理与运行特征,永磁同时电动机工作特征是指当电源电压恒定时，电动机输入功率、电枢电流、效率、功率因数等随输出功率改变关系。,第 54 页,电动汽车电机驱动系统概述,第54页,3.5.3,永磁同时电动机控制,1.,恒压频比开环控制,(VVVF),VVVF,控制变量为电动机外部变量即电压和频率。控制系统将参考电压和频率输入到实现控制策略调制器中，最终由逆变器产生一个交变正弦电压施加在电动机定子绕组上，使之运行在指定电压和参考频率下。按照这种控制策略进行控制，使供电电压基波幅值伴随速度指令成百分比线性增加，从而保持定子磁通近似恒定。,VVVF,控制策略简单，易于实现，转速经过电源频率进行控制，不存在异步电动机转差和转差赔偿问题。但同时，因为系统中不引入速度、位置等反馈信号，所以无法实时捕捉电动机状态，致使无法准确控制电磁转矩；在突加负载或者速度指令时，轻易发生失步现象；也没有快速动态响应特征。所以，恒压频比开环控制控制电动机磁通而没有控制电动机转矩，控制性能差。通常只用于对调速性能要求普通通用变频器上。,第 55 页,电动汽车电机驱动系统概述,第55页,3.5.3,永磁同时电动机控制,2,矢量控制,矢量控制理论基本思想为；以转子磁链旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交两个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量，另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量，分别对其进行控制，取得与直流电动机一样良好动态特征。因其控制结构简单，控制软件实现较轻易，已被广泛应用到调速系统中。,永磁同时电动机矢量控制策略与异步电动机矢量控制策略有些不一样。因为永磁同时电动机转速和电源频率严格同时，其转子转速等于旋转磁场转速，转差恒等于零，没有转差功率，控制效果受转子参数影响小。所以，在永磁同时电动机上更轻易实现矢量控制。,第 56 页,电动汽车电机驱动系统概述,第56页,3.5.3,永磁同时电动机控制,某电动汽车用永磁同时电动机矢量控制系统框。,第 57 页,电动汽车电机驱动系统概述,第57页,3.5.3,永磁同时电动机控制,3,直接转矩控制,永磁同时电机直接转矩控制系统原理结构图。,第 58 页,电动汽车电机驱动系统概述,第58页,3.5.3,永磁同时电动机控制,4,智能控制,为了提升永磁同时电动机控制性能和控制精度，含糊控制、神经网络控制等开始应用于同时电动机控制。,采取智能控制方法永磁同时电机控制系统，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、转矩控制仍采取,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根本原因，而内环主要作用是改造对象特征以利于外环控制，各种扰动给内环带来误差能够由外环控制或抑制。,在永磁同时电机系统中应用智能控制时，也不能完全屏弃传统控制方法，必须将二者很好地结合起来，才能彼此取长补短，使系统性能到达最优。,第 59 页,电动汽车电机驱动系统概述,第59页,3.6,开关磁阻电动机,3.6.1,开关磁阻电动机结构与特点,3.6.2,开关磁阻电动机工作原理与运行特征,3.6.3,开关磁阻电动机控制,第 60 页,电动汽车电机驱动系统概述,第60页,3.6.1,开关磁阻电动机结构与特点,1,开关磁阻电动机结构,开关磁阻电动机是由双凸极定子和转子组成，其定子、转子凸极均由普通硅钢片叠压而成。定子极上绕有集中绕组，把沿径向相正确两个绕组串联成一个两级磁极，称为“一相”；转子既无绕组又无永磁体，仅由硅钢片叠成。,开关磁阻电动机有各种不一样相数结构，如单相、二相、四相及多相等，且定子和转子极数有各种不一样搭配。低于三相开关磁阻电动机普通没有自起动能力。相数多，有利于减小转矩脉动，但结构复杂、主开关器件多、成本增高。当前应用较多是四相,8/6,极结构和三相,6/4,极结构。下面介绍开关磁阻电动机结构为四相,8/6,极结构。,第 61 页,电动汽车电机驱动系统概述,第61页,3.6.1,开关磁阻电动机结构与特点,2.,开关磁阻电动机特点,开关磁阻电动机与其它电动机相比，含有以下优点：,(1),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、直流电源电压，控制方便，可四象限运行，轻易实现正转、反转和电动、制动等特定调整控制；,(2),结构简单，成本低。开关磁阻电动机转子无绕组，也不加永久磁铁，定子为集中绕组，永磁电动机及感应电动机都简单，制造和维护方便；它功率变换器比较简单，主开关元件数较少，电子器件少；,(3),损耗小，运转效率高。开关磁阻电动机转子不存在励磁及转差损耗，功率变换器元器件少，对应损耗也小；控制灵活，易于在很宽转速范围内实现高效节能控制；,(4),起动转矩大，起动电流小。在,15%,额定电流情况下就能到达,100%,起动转矩。,第 62 页,电动汽车电机驱动系统概述,第62页,3.6.1,开关磁阻电动机结构与特点,因为开关磁阻电动机特殊结构和工作方式，也存在一些缺点：,(1),转矩脉动现象较大；,(2),振动和噪声相对较大，尤其是在负载运行时候；,(3),电动机出线头相对较多，还有位置检测器出线端；,(4),电动机数学模型比较复杂，其准确数学模型较难建立；,(5),控制复杂，依赖于电动机结构。,第 63 页,电动汽车电机驱动系统概述,第63页,3.6.2,开关磁阻电动机工作原理与运行特征,1,开关磁阻电动机工作原理,开关磁阻电动机工作原理如图所表示。图中，,Sl,、,S2,是电子开关；,VD1,、,VD2,是二极管，,U,是直流电源。,第 64 页,电动汽车电机驱动系统概述,第64页,3.6.2,开关磁阻电动机工作原理与运行特征,2.,开关磁阻电动机运行特征,开关磁阻电动机运行特征可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区、自然特征区,(,串励特征区,),，如图所表示。,第 65 页,电动汽车电机驱动系统概述,第65页,3.6.3,开关磁阻电动机控制,1.,角度位置控制方式,(APC),角度位置控制是在加在绕组上电压一定情况下，经过改变绕组上主开关开通角和关断角，来改变绕组通、断电时刻，调整相电流波形，实现转速闭环控制。,依据电动势平衡方程式可知，当电动机转速较高时，旋转电动势较大，则此时电流上升率下降，各相主开关器件导通时间较短，电动机绕组相电流不易上升，电流相对较小，便于使用角度位置控制方式。,因为开通角和关断角都可调整，角度位置控制可分为：变开通角、变关断角和同时改变开通角及关断角三种方式。改变开通角，可改变电流波形宽度、峰值和有效值大小，还可改变电流波形与电感波形相对位置，从而改变了电动机转矩和转速。而关断角普通不影响电流峰值，但可改变电流波形宽度及其与电感曲线相对位置，进而改变电流有效值。故普通采取固定关断角、改变开通角控制方式。,第 66 页,电动汽车电机驱动系统概述,第66页,3.6.3,开关磁阻电动机控制,依据,SRM,转矩特征分析可知，当电流波形主要位于电感上升区时，产生平均电磁转矩为正，电动机运行在电动状态；当电流波形主要位于电感下降段时，产生平均电磁转矩为负，电动机工作在制动状态。而经过对开通角、关断角控制，能够使电流波形处于绕组电感波形不一样位置。所以，能够用控制开通角、关断角方式来使电动机运行在不一样状态。,角度位置控制优点在于：转矩调整范围宽；可同时多相通电，以增加电动机输出转矩，同时减小了转矩波动；经过角度优化，能实现效率最优控制或转矩最优控制。,依据上面分析可知，此法不适