電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日主要內(nèi)容1、概述2、四種常用電機(jī)及控制系統(tǒng)3、存在的問題與研究方向第二頁，共四十八頁，2022年，8月28日一、電機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

功率變換器電池控制電路電動(dòng)機(jī)控制器第三頁，共四十八頁，2022年，8月28日電動(dòng)機(jī)控制器第四頁，共四十八頁，2022年，8月28日交流電機(jī)控制器控制電路主電路第五頁，共四十八頁，2022年，8月28日控制器中的CPU主控制板第六頁，共四十八頁，2022年，8月28日二、電動(dòng)汽車對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的要求

1、優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制性能；

2、寬廣的調(diào)速范圍；

3、寬范圍的高效率運(yùn)行區(qū)域；

4、高功率密度；

5.優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性和環(huán)保性；

6.高可靠性；

7.有競爭力的價(jià)格。第七頁，共四十八頁，2022年，8月28日三、電動(dòng)汽車電機(jī)控制系統(tǒng)的主要類型直流電機(jī)控制系統(tǒng)；無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)；異步電機(jī)控制系統(tǒng)；開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)。第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日

電機(jī)性能直流電機(jī)永磁同步電機(jī)異步電機(jī)開關(guān)磁阻電機(jī)最大效率（％）85～8995～9794～95

<90

效率（10％負(fù)載）80～8790～9279～8578～86最高轉(zhuǎn)速（rpm)4000~60004000~100009000~1500015000電機(jī)費(fèi)用/kW($)1010~158~126~10控制器成本12.53.54.5堅(jiān)固性良良優(yōu)良信賴性普通良優(yōu)良表.1各種電機(jī)的特性比較

（摘自日本電氣學(xué)會(huì)技術(shù)報(bào)告）第九頁，共四十八頁，2022年，8月28日永磁同步電機(jī)

異步電機(jī)適性容量數(shù)十W～數(shù)十kW數(shù)百W以上尺寸、重量小☆中～小◎結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡單◎非常簡單☆環(huán)境適應(yīng)性相當(dāng)好◎非常好☆維護(hù)有點(diǎn)必要△不要☆生產(chǎn)性好△非常好◎位置傳感器要△不要◎速度傳感器不要◎要△表2永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)的特性比較第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日表2永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)的特性比較(續(xù)）

永磁同步電機(jī)

異步電機(jī)壽命軸壽命軸壽命弱磁高速困難△可能◎回饋制動(dòng)容易◎可以△永久失磁有△無◎溫度特性無◎有△控制器控制一臺(tái)△控制多臺(tái)◎第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日四、直流電機(jī)及其控制系統(tǒng)1.直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理（并聯(lián)）IfMnIf

特點(diǎn)：1、勵(lì)磁電流和電樞電流可分別控制，轉(zhuǎn)矩控制性能好。2、控制簡單。第十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.直流電機(jī)功率控制器－斬波器T2、D1電動(dòng)運(yùn)行；T1、D2制動(dòng)運(yùn)行。ECT1T2MD1D2斬波器主電路第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日3.斬波器的PWM控制nMn1n2MZM1*(Ia1*)ABM2*(Ia2*)0控制框圖調(diào)速原理第十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日4.直流電機(jī)及其控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

1.直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制性能優(yōu)良。

2.控制簡單，回饋控制容易。

3.功率變換器結(jié)構(gòu)簡單，使用功率器件少。

4.控制器效率高；功率密度高。

5.控制器體積小，重量輕。

6.控制器價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：

1.由于機(jī)械換向器和電刷的存在導(dǎo)致的缺點(diǎn)：電機(jī)轉(zhuǎn)速低、體積大；需要維護(hù)；成本高。第十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日五、交流電機(jī)及其控制系統(tǒng)1.交流電機(jī)的主要類型交流電機(jī)1.同步電機(jī)2.異步電機(jī)（感應(yīng)電機(jī)）轉(zhuǎn)子永磁轉(zhuǎn)子勵(lì)磁永磁同步電機(jī)

(自控式）無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子繞線式轉(zhuǎn)子籠型第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.交流電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)三相電樞繞組第十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日3.三相交流電機(jī)功率變換器主電路構(gòu)成功率變換器主電路交流電機(jī)電樞繞組第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日六、無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)子位置傳感器

永磁同步電機(jī)三相功率變換器控制電路自控式永磁同步電機(jī)控制器1.系統(tǒng)構(gòu)成第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.無刷直流電機(jī)與永磁同步電機(jī)差別ωt2π0B0(e0)永磁同步電機(jī)無刷直流電機(jī)一對(duì)極下不同的氣隙磁密分布圖第二十頁，共四十八頁，2022年，8月28日3.無刷直流電機(jī)工作原理iAABiBCiCSNFABFACFBCFBAFCAFCBXYZF0有6個(gè)定子空間磁勢(shì)。

根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測到的轉(zhuǎn)子位置和要求轉(zhuǎn)向來決定產(chǎn)生哪一個(gè)磁勢(shì)。

產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩最大。第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日定子磁勢(shì)拉轉(zhuǎn)子磁勢(shì)旋轉(zhuǎn)，為了使平均轉(zhuǎn)矩最大。兩者的平均空間電角度為900。SNF0nFABFAC60o60o第二十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日4.無刷直流電機(jī)控制框圖-A+÷2∑iaibiciaibicIREFPIPWM邏輯變換PS+A+B+C-B-CIFPositionSensor三相反饋電流輸出6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日PS邏輯變換++++A-A+B-B+C-CPWM

輸入電動(dòng)“1”回饋制動(dòng)“0”+a-a+b-b+c-c驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出5.無刷直流電機(jī)的電動(dòng)、回饋制動(dòng)控制邏輯控制轉(zhuǎn)子位置傳感器第二十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日6.無刷直流電機(jī)及其控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

1.具有直流電機(jī)的控制特性。

2.控制相對(duì)簡單。

3.電機(jī)效率高，體積小。缺點(diǎn)：

1.由于永磁材料貴，電機(jī)價(jià)格較貴。

2.過熱容易導(dǎo)致永久性失磁。

3.弱磁運(yùn)行較困難。

4.需要轉(zhuǎn)子位置傳感器。第二十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日七、異步電機(jī)及其控制系統(tǒng)1.異步電機(jī)變頻調(diào)速原理轉(zhuǎn)子繞組中的電壓、電流靠感應(yīng)產(chǎn)生。正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速接近旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速。0AB不同頻率下的異步電機(jī)機(jī)械特性第二十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.變頻調(diào)速的主要控制方法基于穩(wěn)態(tài)的控制變壓變頻控制（VariableVoltageVariableFrequency)

簡稱VVVF控制；

脈寬調(diào)節(jié)控制（PulseWidthModulation)

簡稱PWM控制。

1.SPWM;

2.電壓空間矢量PWM；

3.優(yōu)化PWM;

4.隨機(jī)PWM;5.第二十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日基于動(dòng)態(tài)的控制：高性能的控制方法轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制（等效直流電機(jī)控制）（20世紀(jì)70年代，由德國西門子公司的F.Blaschke提出。）

1.直接矢量控制；

2.間接矢量控制。直接轉(zhuǎn)矩控制直接對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈閉環(huán)控制。

（1985年德國學(xué)者M(jìn).Depenbrock首次提出。）

第二十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日3.

異步電機(jī)滑差頻率控制框圖ωs*ωr*PIFG+ωrωs*ωr++ω1I1*cosω1tcos(ω1t-120o)cos(ω1t-240o)乘法器ia*iaib*icic*ib+PIPWMPIPWMPIPWM三角波驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生a-ab-bc-cI1

=f(ωs)++基本原理：在機(jī)械特性的線性段，電磁轉(zhuǎn)矩正比于滑差頻率。函數(shù)發(fā)生器第二十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日TMψ2++++I1TI1MI2TI2Mω1(a)直流電機(jī)模型ψ2I1MI1TI2TI1βF0F2F1(b)電流、磁勢(shì)向量圖4.異步電機(jī)矢量控制矢量控制原理經(jīng)3/2變化、旋轉(zhuǎn)變換后，異步電機(jī)變成了直流電機(jī)模型。將M-T坐標(biāo)的M軸定在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的方向上，可得到最簡單的方程形式。第三十頁，共四十八頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)子磁鏈方程轉(zhuǎn)子電壓方程穩(wěn)態(tài)時(shí)所以等效直流機(jī)模型的方程第三十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)矩控制如何實(shí)現(xiàn)？和和和其中矢量控制思路最終控制定子磁場的幅值與空間位置來實(shí)現(xiàn)。第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日5.異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制控制原理：

通過檢測電機(jī)定子電壓、電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論來計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。

給定的磁鏈和轉(zhuǎn)矩分別與計(jì)算值比較，對(duì)差值進(jìn)行滯環(huán)調(diào)節(jié)（也稱砰砰控制）。

再根據(jù)定子磁鏈的空間位置、磁鏈與轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)結(jié)果，來確定逆變器的開關(guān)信號(hào)。第三十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日逆變器IM3/23/2idiquduqψ觀察器ψqψdT計(jì)算DTTψ1計(jì)算Dψψ1+θN+

開關(guān)表6*Ud+*ψ1Tψ1ωr

速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制框圖第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電機(jī)模型在定子坐標(biāo)系下，只需3/2變換。觀測的是定子磁鏈，受電機(jī)參數(shù)影響小。強(qiáng)調(diào)對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制，所以轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速。缺點(diǎn)：低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。由于沒有電流閉環(huán)，容易產(chǎn)生過流。第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日八、開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)6/4極的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)1.開關(guān)磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)定、轉(zhuǎn)子為結(jié)構(gòu)雙凸結(jié)構(gòu)。

定、轉(zhuǎn)子齒滿足錯(cuò)位原理，即錯(cuò)開1/m轉(zhuǎn)子齒距。通電一周，轉(zhuǎn)過一個(gè)轉(zhuǎn)子齒。需要轉(zhuǎn)子位置傳感器。第三十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日

開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)值正比于電流的平方，也正比于電感對(duì)轉(zhuǎn)子位置角的變化率。

2.開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)工作原理轉(zhuǎn)矩：靠磁通收縮產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩第三十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日AXBYCZ1234563.開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器主電路A相第三十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日4.開關(guān)磁阻電機(jī)及其控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)：

1.電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，制造容易。

2.控制相對(duì)簡單。

3.控制器主電路不會(huì)出現(xiàn)直通現(xiàn)象。缺點(diǎn)：

1.起動(dòng)時(shí)的噪聲脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大。

2.需要轉(zhuǎn)子位置傳感器。第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日九、電機(jī)及其控制系統(tǒng)的主要研究方向電機(jī)與控制器一體化的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究電機(jī)設(shè)計(jì)要考慮逆變器供電的特點(diǎn)：du/dt,諧波。逆變器設(shè)計(jì)要考慮電動(dòng)汽車電機(jī)的特點(diǎn)：大過載。安裝空間有限，運(yùn)行環(huán)境惡劣。新的控制策略研究更理想的轉(zhuǎn)矩控制性能；更低的輸出諧波含量，更低的電機(jī)諧波損耗。第四十頁，共四十八頁，2022年，8月28日高頻軟開關(guān)應(yīng)用技術(shù)研究用高頻減小低速下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)