電動汽車的驅動系統控制

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1、電動汽車的驅動系統控制電動汽車的驅動系統控制揚州大學機械學院揚州大學機械學院制作人：蔣錚制作人：蔣錚校對人：郝飛校對人：郝飛演講人：耿龍偉演講人：耿龍偉導師：秦永法副教授導師：秦永法副教授Page 2內容摘要內容摘要一、電動汽車概述一、電動汽車概述二、電動汽車結構布置及驅動形式二、電動汽車結構布置及驅動形式三、電動汽車驅動系統控制技術三、電動汽車驅動系統控制技術Page 3電動汽車概述電動汽車概述 一、電動汽車概述一、電動汽車概述 1 1、燃油汽車面臨的問題、燃油汽車面臨的問題 2 2、電動汽車國內外發展概況、電動汽車國內外發展概況 Page 4燃油汽車面臨的問題燃油汽車面臨的問題 城市大氣污

2、染日趨嚴重城市大氣污染日趨嚴重 據估計，美國大氣污染物中據估計，美國大氣污染物中4242來自汽車排放，造成損失每年達來自汽車排放，造成損失每年達22902290億美元。億美元。在中國華東、華北的大城市在中國華東、華北的大城市大氣中大氣中,70%,70%的污染物來自汽車排放的污染物來自汽車排放;CO88%,NOCO88%,NOx x80%,HC90%80%,HC90%來自汽車排放，大氣污染造成的損失每年達來自汽車排放，大氣污染造成的損失每年達500500億美元，全球污染最嚴重的億美元，全球污染最嚴重的2020個城市中，個城市中，1010個在中國。個在中國。石油資源面臨枯竭威脅石油資源面臨枯竭威脅

3、 石油資源有限石油資源有限,不可再生不可再生,按目前探明的儲量和開采的速度按目前探明的儲量和開采的速度 還能用還能用40504050年。年。Page 5電動汽車國內外發展概況電動汽車國內外發展概況n美、德、日、法這幾個全球汽車工業發達的國家，到目前為止都已分別研制出各類的電動汽車，其美、德、日、法這幾個全球汽車工業發達的國家，到目前為止都已分別研制出各類的電動汽車，其中包括大客車、輕型客車、轎車和電動摩托車。美國是世界上對污染限制最嚴格的國家，目前在電中包括大客車、輕型客車、轎車和電動摩托車。美國是世界上對污染限制最嚴格的國家，目前在電動汽車研制方面，美國處于領先地位。美國采取政府干預，以能源

4、部為中心在動汽車研制方面，美國處于領先地位。美國采取政府干預，以能源部為中心在19891992年投入年投入1億多美元，對電動汽車進行了大量的研究和開發，億多美元，對電動汽車進行了大量的研究和開發，1995年有年有1萬輛電動汽車投入使用；德國早在萬輛電動汽車投入使用；德國早在1972年就以年就以“電動道路交通協會電動道路交通協會”為中心，在聯邦政府的支持下開展電動汽車的開發試驗工作，為中心，在聯邦政府的支持下開展電動汽車的開發試驗工作，目前已制造出幾百輛電動汽車投入使用；日本于目前已制造出幾百輛電動汽車投入使用；日本于1972年成立年成立“日本電動汽車協會日本電動汽車協會”，日本政府制，日本政府

5、制定了鼓勵電動汽車開發與應用的政策，定了鼓勵電動汽車開發與應用的政策，1978年，為了促進電動汽車的推廣應用，日本電動汽車協年，為了促進電動汽車的推廣應用，日本電動汽車協會制訂了會制訂了“電動汽車試用制度電動汽車試用制度“，每年向使用者提供使用費。試用的電動汽車主要用于公司、政府，每年向使用者提供使用費。試用的電動汽車主要用于公司、政府下屬機構、公園的事物聯絡車、服務車等，試用地區遍布日本各地；法國很早就在城市環衛部門試下屬機構、公園的事物聯絡車、服務車等，試用地區遍布日本各地；法國很早就在城市環衛部門試用電動汽車，目前巴黎已有數百輛電動汽車在運行，全法國則有上千輛電動汽車在試運行，法國環用電

6、動汽車，目前巴黎已有數百輛電動汽車在運行，全法國則有上千輛電動汽車在試運行，法國環境能源廳對電池的研究開發及電動汽車的試驗給予了資助，地方政府對購買電動汽車的用戶提供一境能源廳對電池的研究開發及電動汽車的試驗給予了資助，地方政府對購買電動汽車的用戶提供一定數量的保證金，以鼓勵電動汽車的推廣。除汽車工業發達國家外，其他國家也非常重視電動汽車定數量的保證金，以鼓勵電動汽車的推廣。除汽車工業發達國家外，其他國家也非常重視電動汽車的開發，并取得了相應成效，加拿大、奧地利、瑞典、韓國等國都投入巨資研制新一代電動汽車，的開發，并取得了相應成效，加拿大、奧地利、瑞典、韓國等國都投入巨資研制新一代電動汽車，以

7、期解決能源和城市環境狀況。以期解決能源和城市環境狀況。n上世紀上世紀80年代初，我國就開展了電動汽車研究，曾被列入國家八五規劃。目前，我國政府也極為年代初，我國就開展了電動汽車研究，曾被列入國家八五規劃。目前，我國政府也極為關注開發電動汽車的各項關鍵技術，并以產業化為最終目標，先后將電動汽車列入關注開發電動汽車的各項關鍵技術，并以產業化為最終目標，先后將電動汽車列入“九五九五”攻關重攻關重大項目以及大項目以及“863”重大專項。值得指出的是，我國的電動汽車技術與其他國家相比較，差距不甚重大專項。值得指出的是，我國的電動汽車技術與其他國家相比較，差距不甚明顯，有些技術還有優勢，如在應用于電動汽車

8、的多種類型的驅動電機及其控制技術方面即有某些明顯，有些技術還有優勢，如在應用于電動汽車的多種類型的驅動電機及其控制技術方面即有某些特定優勢。特定優勢。Page 6電動汽車結構布置及驅動形式電動汽車結構布置及驅動形式二、電動汽車結構布置及驅動形式二、電動汽車結構布置及驅動形式1 1、電動汽車基本結構、電動汽車基本結構2 2、電驅動的結構形式、電驅動的結構形式3 3、單電動機和多電動機驅動形式、單電動機和多電動機驅動形式4 4、輪轂電動機驅動形式、輪轂電動機驅動形式 Page 7電動汽車基本結構電動汽車基本結構n 1.電動汽車基本結構電動汽車基本結構 電動汽車系統三大子系統：電力驅動子系統、主能源

9、子系統和輔電動汽車系統三大子系統：電力驅動子系統、主能源子系統和輔助控制子系統助控制子系統典型電動車的基本結構典型電動車的基本結構雙線表示機械連接，粗實線表示電氣雙線表示機械連接，粗實線表示電氣連接，細實線表示控制信號連接，箭連接，細實線表示控制信號連接，箭頭表示電功率和控制信號流動的方向頭表示電功率和控制信號流動的方向Page 8電動汽車基本結構電動汽車基本結構n 電力驅動子系統：由電控單元、功率轉換器、電動機、機械傳動裝置電力驅動子系統：由電控單元、功率轉換器、電動機、機械傳動裝置和驅動車輪組成和驅動車輪組成n 主能源子系統：由主電源、能量管理系統和充電系統構成主能源子系統：由主電源、能量

10、管理系統和充電系統構成n 輔助控制子系統：具有動力轉向、溫度控制和輔助動力供給等功能輔助控制子系統：具有動力轉向、溫度控制和輔助動力供給等功能 根據從制動踏板和加速踏板輸入的信號，電子控制器發出相應的根據從制動踏板和加速踏板輸入的信號，電子控制器發出相應的控制指令來控制功率轉換器的功率裝置的通斷，功率轉換器的功能是控制指令來控制功率轉換器的功率裝置的通斷，功率轉換器的功能是調節電動機和電源之間的功率流。當電動汽車制動時，再生制動的動調節電動機和電源之間的功率流。當電動汽車制動時，再生制動的動能被電源吸收能被電源吸收i，此時功率流的方向要反向。能量管理系統和電控系，此時功率流的方向要反向。能量管

11、理系統和電控系統一起控制再生制動及其能量的回收，能量管理系統和充電器一同控統一起控制再生制動及其能量的回收，能量管理系統和充電器一同控制充電并監測電源的使用情況。輔助動力供給系統供給電動汽車輔助制充電并監測電源的使用情況。輔助動力供給系統供給電動汽車輔助系統不同等級電壓并提供必要的動力，它主要給動力轉向、空調、制系統不同等級電壓并提供必要的動力，它主要給動力轉向、空調、制動及其它輔助裝置提供動力。除了從制動踏板和加速踏板給電動汽車動及其它輔助裝置提供動力。除了從制動踏板和加速踏板給電動汽車輸入信號外，轉向盤輸入也是一個很重要的輸入信號，動力轉向系統輸入信號外，轉向盤輸入也是一個很重要的輸入信號

12、，動力轉向系統根據轉向盤的角位置來決定汽車靈活地轉向。根據轉向盤的角位置來決定汽車靈活地轉向。Page 9電驅動的結構形式電驅動的結構形式n 2.電驅動的結構形式電驅動的結構形式 采用不同的電力驅動系統可構成不同結構形式的電動汽車。根據電力采用不同的電力驅動系統可構成不同結構形式的電動汽車。根據電力驅動系統的不同，電動汽車分為以下六種情況驅動系統的不同，電動汽車分為以下六種情況C-離合器；離合器；D-差速器；差速器；FC-固定器；固定器；CB-變速器；變速器；M-電動機電動機電驅動的結構形式電驅動的結構形式Page 10電驅動的結構形式電驅動的結構形式（a)由發動機前置前輪驅動的燃油車發展而來

13、，他由電動機、離合器、齒輪箱和差由發動機前置前輪驅動的燃油車發展而來，他由電動機、離合器、齒輪箱和差速器組成，離合器用來切斷或接通電動機到車輪之間傳遞動力的機械裝置，變速器速器組成，離合器用來切斷或接通電動機到車輪之間傳遞動力的機械裝置，變速器是一套具有不同速比的齒輪機構，駕駛員可選擇不同的變速比，把力矩傳給車輪。是一套具有不同速比的齒輪機構，駕駛員可選擇不同的變速比，把力矩傳給車輪。在低速擋時，車輪獲得大力矩低轉速；在高速擋時，車輪獲得小力矩高轉速。汽車在低速擋時，車輪獲得大力矩低轉速；在高速擋時，車輪獲得小力矩高轉速。汽車在轉彎時，內側車輪的轉彎半徑小，外側車輪的轉彎半徑大，差速器使內外車

14、輪以在轉彎時，內側車輪的轉彎半徑小，外側車輪的轉彎半徑大，差速器使內外車輪以不同轉速行駛。不同轉速行駛。Page 11電驅動的結構形式電驅動的結構形式n（b)由電動機、固定速比的減速器和差速器組成電力驅動系統。這種結構的由電動機、固定速比的減速器和差速器組成電力驅動系統。這種結構的電動汽車由于沒有離合器和可選的變速擋位，不能提供理想的轉矩電動汽車由于沒有離合器和可選的變速擋位，不能提供理想的轉矩/轉速特性，轉速特性，因而不合適于使用發動機的燃油汽車。因而不合適于使用發動機的燃油汽車。Page 12電驅動的結構形式電驅動的結構形式n(c)這種結構與發動機橫向前置、前輪驅動的燃油汽車的布置方式類似

15、，它把這種結構與發動機橫向前置、前輪驅動的燃油汽車的布置方式類似，它把電動機、固定速比減速器和差速器集成為一個集體，兩根半軸連接驅動車輪，電動機、固定速比減速器和差速器集成為一個集體，兩根半軸連接驅動車輪，這種結構在小型電動汽車上應用最普遍。這種結構在小型電動汽車上應用最普遍。Page 13電驅動的結構形式電驅動的結構形式n（d）圖示的電動機結構就是采用兩個電動機通過固定速比的減速器分別驅動）圖示的電動機結構就是采用兩個電動機通過固定速比的減速器分別驅動兩個車輪，每個電動機的轉速可以獨立地調節控制，便于實現電子差速，因此，兩個車輪，每個電動機的轉速可以獨立地調節控制，便于實現電子差速，因此，電

16、動汽車不必選用機械差速器。電動汽車不必選用機械差速器。Page 14電驅動的結構形式電驅動的結構形式n（e）電動機也可以裝在車輪里面，稱為輪轂電動機，可進一步縮短從電動機）電動機也可以裝在車輪里面，稱為輪轂電動機，可進一步縮短從電動機到驅動輪的傳遞路徑，為了將電動機轉速降低到理想的車輪轉速，可采用固定到驅動輪的傳遞路徑，為了將電動機轉速降低到理想的車輪轉速，可采用固定減速比的行星齒輪變速器，它能提供大的減速比，而且輸入和輸出軸可布置在減速比的行星齒輪變速器，它能提供大的減速比，而且輸入和輸出軸可布置在同一條軸線上。同一條軸線上。Page 15電驅動的結構形式電驅動的結構形式n（f）與超大容量電

17、容器類似，飛輪是另外一種新興的具有高比功率和高效制）與超大容量電容器類似，飛輪是另外一種新興的具有高比功率和高效制動能量回收能力的儲能器。用于電動汽車的飛輪與傳統低速笨重的飛輪是不同動能量回收能力的儲能器。用于電動汽車的飛輪與傳統低速笨重的飛輪是不同的，這種飛輪質量輕，且在真空下高速動轉，超高速飛輪與具有兩種工作模式的，這種飛輪質量輕，且在真空下高速動轉，超高速飛輪與具有兩種工作模式（電動機和發電機）的電動機轉子相結合，能夠將電能和機械能進行雙向轉換。（電動機和發電機）的電動機轉子相結合，能夠將電能和機械能進行雙向轉換。下圖顯示了這種飛輪和蓄電池作混合動力的結構，所選用的蓄電池應能提供高下圖顯

18、示了這種飛輪和蓄電池作混合動力的結構，所選用的蓄電池應能提供高比能量。飛輪最好與無刷交流電動機結合使用，因為這種電動機的效率比直流比能量。飛輪最好與無刷交流電動機結合使用，因為這種電動機的效率比直流電動機高，因而在蓄電池和飛輪之間加一個電動機高，因而在蓄電池和飛輪之間加一個AC-DC轉換器。轉換器。Page 16單電動機和多電動機驅動形式單電動機和多電動機驅動形式n 3.3.單電動機和多電動機驅動形式單電動機和多電動機驅動形式 差速器是傳統車輛的標準組件，電動汽車也采用這項技術。汽車轉彎時，差速器是傳統車輛的標準組件，電動汽車也采用這項技術。汽車轉彎時，外側車輪的轉彎半徑比內側車輪大，必須利用

19、差速器來調整兩側車輪的轉速，外側車輪的轉彎半徑比內側車輪大，必須利用差速器來調整兩側車輪的轉速，否則，車輪會產生滑移從而引起輪胎磨損加劇、轉向困難、道路附著性能變差否則，車輪會產生滑移從而引起輪胎磨損加劇、轉向困難、道路附著性能變差等。對于傳統的燃油汽車，無論是前輪驅動還是后輪驅動，機械式差速器都是等。對于傳統的燃油汽車，無論是前輪驅動還是后輪驅動，機械式差速器都是必備的。下圖所示為典型的機械差速器的結構，差速器的行星齒輪繞各自的軸必備的。下圖所示為典型的機械差速器的結構，差速器的行星齒輪繞各自的軸旋轉，從而使兩個半軸齒輪能以不同的轉速旋轉。旋轉，從而使兩個半軸齒輪能以不同的轉速旋轉。Page

20、 17單電動機和多電動機驅動形式單電動機和多電動機驅動形式 對于電動汽車，如果采用雙電動機或者四個電動機驅動，由于每個電動機對于電動汽車，如果采用雙電動機或者四個電動機驅動，由于每個電動機的轉速可以有效地獨立調節控制，實現電子差速，在這種情況下，電動汽車可的轉速可以有效地獨立調節控制，實現電子差速，在這種情況下，電動汽車可以不用機械差速器。下圖所示的是帶電子差速器的雙電動驅動的結構。電子差以不用機械差速器。下圖所示的是帶電子差速器的雙電動驅動的結構。電子差速器比接卸差速器體積小、質量輕。速器比接卸差速器體積小、質量輕。Page 18單電動機和多電動機驅動形式單電動機和多電動機驅動形式 人們對是

21、否選用機械差速器不像是對是否選人們對是否選用機械差速器不像是對是否選擇可變速比或固定變速比變速器的意見一致，如擇可變速比或固定變速比變速器的意見一致，如果電動汽車采用單電動機驅動就必須裝機械差速果電動汽車采用單電動機驅動就必須裝機械差速器，而多電動機系統就采用電子差速。器，而多電動機系統就采用電子差速。電子差速器的優點是體積小、質量輕，在汽電子差速器的優點是體積小、質量輕，在汽車轉彎時可以實現精確的電子控制，提高電動汽車轉彎時可以實現精確的電子控制，提高電動汽車的性能；其缺點是由于增加了電動機和功率轉車的性能；其缺點是由于增加了電動機和功率轉換器，增加了初始成本，而且在不同條件下對兩換器，增加

22、了初始成本，而且在不同條件下對兩個電動機進行精確控制的可靠性需要進一步的發個電動機進行精確控制的可靠性需要進一步的發展。展。Page 19輪轂電動機驅動形式輪轂電動機驅動形式n 4.4.輪轂電動機驅動形式輪轂電動機驅動形式 如果將驅動電動機直接安裝在車輪上，可以縮短甚至可以去掉電動機與如果將驅動電動機直接安裝在車輪上，可以縮短甚至可以去掉電動機與車輪之間的機械傳遞裝置，這取決于是采用高速內轉子還是低速外轉子電動車輪之間的機械傳遞裝置，這取決于是采用高速內轉子還是低速外轉子電動機。若采用高速內轉子電動機，則必須裝固定速比的減速器來降低車速。一機。若采用高速內轉子電動機，則必須裝固定速比的減速器來

23、降低車速。一般采用高減速比的行星車輪減速裝置，安裝在電動機輸出軸和車輪輪緣之間，般采用高減速比的行星車輪減速裝置，安裝在電動機輸出軸和車輪輪緣之間，這種電動機設計的工作轉速約為這種電動機設計的工作轉速約為1000r/min,1000r/min,目的是為了獲得更高的功率密度。目的是為了獲得更高的功率密度。電動機的最高轉速主要受線圈損失、摩擦損失以及變速機構的承受能力等因電動機的最高轉速主要受線圈損失、摩擦損失以及變速機構的承受能力等因素的限制，所選用的行星齒輪變速機構的速比為素的限制，所選用的行星齒輪變速機構的速比為10:110:1，而車輪的轉速范圍則，而車輪的轉速范圍則降為降為01000r/m

24、in01000r/min。若采用低速外轉子電動機，則可以完全去掉變速裝置，。若采用低速外轉子電動機，則可以完全去掉變速裝置，外轉子就安裝在車輪輪緣上，而且電動機轉速和車輪轉速相等，因而就不需外轉子就安裝在車輪輪緣上，而且電動機轉速和車輪轉速相等，因而就不需要減速裝置。要減速裝置。Page 20輪轂電動機驅動形式輪轂電動機驅動形式n 下圖所示這兩種內置輪式電動機的結構，采用的都是永磁無刷電動機，由于下圖所示這兩種內置輪式電動機的結構，采用的都是永磁無刷電動機，由于其具有顯著的高功率密度的特點，因而比其它電動機性能更高些。其具有顯著的高功率密度的特點，因而比其它電動機性能更高些。內轉子電動機內轉子

25、電動機外轉子電動機外轉子電動機Page 21n 電動汽車驅動系統的構成電動汽車驅動系統的構成 電動汽車驅動系統包括機械傳動系統和電氣系統兩部分。其中，機械傳動電動汽車驅動系統包括機械傳動系統和電氣系統兩部分。其中，機械傳動部分因電動汽車驅動系統布置方式不同而不同。各種布置凡是之間最大的區別部分因電動汽車驅動系統布置方式不同而不同。各種布置凡是之間最大的區別就在于對傳統的機械傳動部件保留的多少。越高級的布置方式，對傳統燃油汽就在于對傳統的機械傳動部件保留的多少。越高級的布置方式，對傳統燃油汽車的機械傳動部件保留得就越少，而且更能發揮電動汽車的優勢。車的機械傳動部件保留得就越少，而且更能發揮電動汽

26、車的優勢。不論電動汽車的驅動系統采用哪種布置方式，其電氣系統的結構基本上都不論電動汽車的驅動系統采用哪種布置方式，其電氣系統的結構基本上都相同，主要由三個部分組成，如下圖所示相同，主要由三個部分組成，如下圖所示電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術Page 22電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術n 電動器車與其它的電力驅動系統相比較，有其自身的特點。它對驅動電動器車與其它的電力驅動系統相比較，有其自身的特點。它對驅動系統相應有其特殊的要求：系統相應有其特殊的要求：（1 1）能夠頻繁地起動、停車，加、減速，對轉矩控制的動態性能要求）能夠頻繁地起動、停車，加、減速，對轉矩控

27、制的動態性能要求高；高；（2 2）電動汽車驅動的速度、轉矩變化范圍大，既要工作在恒轉矩區，）電動汽車驅動的速度、轉矩變化范圍大，既要工作在恒轉矩區，又要運又要運行在恒功率區，同時還要求保持較高的運行效率行在恒功率區，同時還要求保持較高的運行效率;（3 3）能在惡劣工作環境下可靠地工作。正因為電動汽車對其電機驅動能在惡劣工作環境下可靠地工作。正因為電動汽車對其電機驅動系統有這些特殊要求，所以在電動汽車電機驅動系統設計中，驅動電系統有這些特殊要求，所以在電動汽車電機驅動系統設計中，驅動電機的選擇及其變流器、控制器的設計，都必須考慮到這些特殊的要求機的選擇及其變流器、控制器的設計，都必須考慮到這些特

28、殊的要求。Page 23電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術n電動汽車電機驅動系統分類電動汽車電機驅動系統分類 直流電機控制系統；直流電機控制系統；無刷直流電機控制系統；無刷直流電機控制系統；異步電機控制系統；異步電機控制系統；開關磁阻電機控制系統開關磁阻電機控制系統Page 24n 表表1 1 各種電機的特性比較各種電機的特性比較（摘自日本電氣學會技術報告）（摘自日本電氣學會技術報告）電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術Page 25n 表表2 2 永磁同步電機與異步電機的特性比較永磁同步電機與異步電機的特性比較電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術Page

29、 26n 表表3 3 永磁同步電機與異步電機的特性比較永磁同步電機與異步電機的特性比較電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術Page 27電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術直流電機及其控制系統直流電機及其控制系統直流電機的結構直流電機的結構和原理（并聯）和原理（并聯）特點：特點：1 1、勵磁電流和電樞、勵磁電流和電樞 電流可分別控制，電流可分別控制，轉矩控制性能好。轉矩控制性能好。2 2、控制簡單。、控制簡單。IfMnIf0aiaPage 28電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術 直流電機及其控制系統的優缺點直流電機及其控制系統的優缺點 優點：優點：1.1.

30、直流電機轉矩控制性能優良。直流電機轉矩控制性能優良。2.2.控制簡單，回饋控制容易?？刂坪唵?，回饋控制容易。3.3.功率變換器結構簡單，使用功率器件少。功率變換器結構簡單，使用功率器件少。4.4.控制器效率高；功率密度高?？刂破餍矢?；功率密度高。5.5.控制器體積小，重量輕?？刂破黧w積小，重量輕。6.6.控制器價格便宜?？刂破鲀r格便宜。缺點：缺點：1.1.由于機械換向器和電刷的存在導致的缺點：由于機械換向器和電刷的存在導致的缺點：電機轉速低、體積大；需要維護；成本高。電機轉速低、體積大；需要維護；成本高。Page 29電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術交流交流電機電機1.1.同

31、步電機同步電機2.異步電機（感應電機異步電機（感應電機）轉子永磁轉子永磁轉子勵磁轉子勵磁永磁同步電機永磁同步電機 (自控式）自控式）無刷直流電機無刷直流電機轉子繞線式轉子繞線式轉子籠型轉子籠型1.1.交流電機的主要類型交流電機的主要類型交流電機及其控制系統交流電機及其控制系統Page 30電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術交流電機控制器控制電路主電路Page 31電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術電動機控制器Page 32電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術控制器中的控制器中的CPUCPU主控制板主控制板Page 33電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動

32、系統控制技術交流電機交流電機的定子結構的定子結構三相電樞繞組三相電樞繞組Page 34電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術無刷直流電機控制系統無刷直流電機控制系統轉子位置轉子位置 傳感器傳感器 三相功率三相功率 變換器變換器控制電路控制電路無刷直流電機無刷直流電機控制器控制器1.1.系統構成系統構成Page 35電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術2.2.無刷直流電機與永磁同步電機差別無刷直流電機與永磁同步電機差別t20B0(e0)永磁同步電機永磁同步電機無刷直流電機無刷直流電機一對極下不同的氣隙磁密分布圖一對極下不同的氣隙磁密分布圖Page 36電動汽車驅動系統控制技

33、術電動汽車驅動系統控制技術3.3.無刷直流電機工作原理無刷直流電機工作原理 有有6 6個定子空間磁勢。個定子空間磁勢。根據轉子位置傳感器檢根據轉子位置傳感器檢 測到的轉子位置和要求測到的轉子位置和要求 轉向來決定產生哪一個轉向來決定產生哪一個 磁勢。磁勢。產生的平均轉矩最大。產生的平均轉矩最大。iAABiBCiCSNFABFACFBCFBAFCAFCBXYZF0Page 37電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術 定子磁勢拉轉子磁勢旋轉，為了使平均轉矩最大。定子磁勢拉轉子磁勢旋轉，為了使平均轉矩最大。兩者的平均空間電角度為兩者的平均空間電角度為90900 0。SNF0nFABFAC6

34、0o60oPage 38電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術4.4.無刷直流電機控制框圖無刷直流電機控制框圖-A+2iaibiciaibicIREFPIPWM邏輯變換PS+A+B+C-B-CIFPosition Sensor三相反饋電流三相反饋電流輸出輸出6 6路驅動信號路驅動信號Page 39電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術電動狀態：電動狀態：A A管導通，管導通，B B管管PWMPWM。B B管導通時電流上升，管導通時電流上升，B B管關斷時電流下降。管關斷時電流下降。Ud+A-AC+B-B+C-C轉子位置傳感器狀態：轉子位置傳感器狀態：+A+A、B B相導通。

35、相導通?；仞仩顟B：回饋狀態：轉子位置傳感器狀態：轉子位置傳感器狀態：+A+A、B B相導通。相導通。+A+A管、管、B B管均關斷，管均關斷，B B管子管子PWMPWM。Ud+A-AC+B-B+C-C電流產生拖動轉矩電流產生拖動轉矩電流產生制動轉矩電流產生制動轉矩Page 40電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術5.5.無刷直流電機的電動、回饋制動控制邏輯控制無刷直流電機的電動、回饋制動控制邏輯控制PS邏輯變換PWM 輸入輸入+a-a+b-b+c-c轉子位置轉子位置傳感器傳感器+A-A+B-B+C-C驅動信號驅動信號 輸出輸出電動電動“1”回饋制動回饋制動“0”Page 41電動汽

36、車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術6.6.無刷直流電機及其控制系統的優缺點無刷直流電機及其控制系統的優缺點 優點：優點：1.1.具有直流電機的控制特性。具有直流電機的控制特性。2.2.控制相對簡單?？刂葡鄬唵?。3.3.電機效率高，體積小。電機效率高，體積小。缺點：缺點：1.1.由于永磁材料貴，電機價格較貴。由于永磁材料貴，電機價格較貴。2.2.過熱容易導致永久性失磁。過熱容易導致永久性失磁。3.3.弱磁運行較困難。弱磁運行較困難。4.4.需要轉子位置傳感器。需要轉子位置傳感器。Page 42電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術異步電機及其控制系統異步電機及其控制系統1.1

37、.異步電機變頻調速原理異步電機變頻調速原理 轉子繞組中的電壓、電流靠感應產生。轉子繞組中的電壓、電流靠感應產生。正常運行時，電機轉速接近旋轉磁場轉速正常運行時，電機轉速接近旋轉磁場轉速。0nT01n02nAB不同頻率下的異步電機機械特性pfn600)1(0snnPage 43電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術2.2.變頻調速的主要控制方法變頻調速的主要控制方法 基于穩態的控制基于穩態的控制 變壓變頻控制（變壓變頻控制（Variable Voltage Variable Frequency)Variable Voltage Variable Frequency)簡稱簡稱VVVFVV

38、VF控制；控制；脈寬調節控制（脈寬調節控制（Pulse Width Modulation)Pulse Width Modulation)簡稱簡稱PWMPWM控制?？刂?。1.SPWM;1.SPWM;2.2.電壓空間矢量電壓空間矢量PWMPWM；3.3.優化優化PWM;PWM;4.4.隨機隨機PWM;PWM;Page 44電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術 基于動態的控制：高性能的控制方法基于動態的控制：高性能的控制方法 轉子磁場定向矢量控制（等效直流電機控制）轉子磁場定向矢量控制（等效直流電機控制）（2020世紀世紀7070年代，由德國西門子公司的年代，由德國西門子公司的F.Bla

39、schkeF.Blaschke提出。）提出。）1.1.直接矢量控制；直接矢量控制；2.2.間接矢量控制。間接矢量控制。直接轉矩控制直接轉矩控制 直接對轉矩和磁鏈閉環控制。直接對轉矩和磁鏈閉環控制。（19851985年德國學者年德國學者 M.Depenbrock M.Depenbrock 首次提出。）首次提出。）Page 45電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術3.3.異步電機滑差頻率控制框圖異步電機滑差頻率控制框圖s*r*P IFG+rs*r+1I1*cos1tcos(1t-120o)cos(1t-240o)乘法器ia*iaib*icic*ib+PIPWMPIPWMPIPWM三角波

40、驅動信號產生a-ab-bc-cI1=f(s)+基本原理：在機械特性的線性段，電磁轉矩基本原理：在機械特性的線性段，電磁轉矩 正比于滑差頻率。正比于滑差頻率。函數發生器函數發生器Page 46電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術4.4.異步電機矢量控制異步電機矢量控制矢量控制原理矢量控制原理 經經3/23/2變化、旋轉變換后，異步電機變成了直流電機模型。變化、旋轉變換后，異步電機變成了直流電機模型。將將M-TM-T坐標的坐標的MM軸定在異步電機轉子磁鏈的方向上，可得軸定在異步電機轉子磁鏈的方向上，可得 到最簡單的方程形式。到最簡單的方程形式。TM2+I1TI1MI2TI2M1(a)直

41、流電機直流電機 模型模型2I1MI1TI2TI1F0F2F1(b)(b)電流、磁勢向量圖電流、磁勢向量圖Page 47電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術 等效直流機模型的方程等效直流機模型的方程2T21TM0I LI L2M21MM2ILIL轉子磁鏈方程22 M2d/d0tR I22 TS20R I轉子電壓方程穩態時穩態時2d/d0t所以所以2M0IM1M2L IPage 48電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術 矢量控制思路矢量控制思路2T2TpI 轉矩轉矩M2T1T2LIIL M1M2L I控制如何控制如何實現？實現？2211M1TIIISr)d(t和22TI和1

42、MI1TI和21TS21MRILI其中其中 最終控制定子磁場的幅值與空間位置來實現。最終控制定子磁場的幅值與空間位置來實現。Page 49電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術磁鏈觀測算法轉速檢測驅動電路三相逆變器IM蓄電池PG電容3/2變換轉矩計算Isr控制算法(PI,空間電壓矢量計算等)轉矩和磁鏈設定算法*1ti*rr1ti1mi1mi1tiTrIs*Va*Vr給定異步電機直接矢量控制框圖異步電機直接矢量控制框圖Page 50電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術轉子磁鏈準確定向方法控制框圖控制框圖uua,b,cia,b,cn轉子磁鏈觀測R坐標變換iq*iq+-PIUq

43、*id*id+-PIUd*坐標變換ua,b,cu*+PI-+-Page 51電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術轉子磁鏈準確定向方法觀測磁鏈觀測磁鏈領先實際領先實際磁鏈時磁鏈時dqi1R0idid實際勵磁分量實際勵磁分量i id d 要比觀測值要比觀測值i id d小。小。實際電壓小于觀實際電壓小于觀測電壓。測電壓。觀測磁鏈觀測磁鏈落后實際落后實際磁鏈時磁鏈時dqi1R0ididi id d 大于大于i id d實際實際電壓大于觀電壓大于觀測電壓。測電壓。Page 52電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術5.5.異步電機直接轉矩控制異步電機直接轉矩控制 控制原理：控制原

44、理：通過檢測電機定子電壓、電流，借助瞬時空間通過檢測電機定子電壓、電流，借助瞬時空間 矢量理論來計算電機的磁鏈和轉矩。矢量理論來計算電機的磁鏈和轉矩。給定的磁鏈和轉矩分別與計算值比較，對差值給定的磁鏈和轉矩分別與計算值比較，對差值 進行滯環調節（也稱砰砰控制）。進行滯環調節（也稱砰砰控制）。再根據定子磁鏈的空間位置、磁鏈與轉矩的調再根據定子磁鏈的空間位置、磁鏈與轉矩的調 節結果，來確定逆變器的開關信號。節結果，來確定逆變器的開關信號。Page 53電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術 直接轉矩控制框圖直接轉矩控制框圖Page 54電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術由上

45、圖可知，由上圖可知，直接轉矩控制系統的基本組成主要有以下幾個部分直接轉矩控制系統的基本組成主要有以下幾個部分:(l)磁鏈自控制磁鏈自控制:它的任務是選擇正確的區段，以形成六邊形磁鏈。它的任務是選擇正確的區段，以形成六邊形磁鏈。(2)轉矩調節轉矩調節:轉矩調節環節實現轉矩直接自控制。轉矩調節環節實現轉矩直接自控制。(3)磁鏈調節磁鏈調節:磁鏈調節環節實現對磁鏈幅值的直接自控制。由于定子電阻磁鏈調節環節實現對磁鏈幅值的直接自控制。由于定子電阻壓降增大時會引起磁幅值減少。引入該環節，是為了實現對磁鏈幅值的閉環控制，壓降增大時會引起磁幅值減少。引入該環節，是為了實現對磁鏈幅值的閉環控制，維持外在允許的

46、范圍內波動。維持外在允許的范圍內波動。(4)開關信號選擇開關信號選擇:開關信號選擇單元綜合來自磁鏈自控制環節、轉矩調節開關信號選擇單元綜合來自磁鏈自控制環節、轉矩調節環節和磁鏈調節環節的三個開關控制信號，形成正確的電壓開關信號，以實現對環節和磁鏈調節環節的三個開關控制信號，形成正確的電壓開關信號，以實現對電壓空間矢量的正確選擇。電壓空間矢量的正確選擇。(5)開關頻率調節開關頻率調節:該環節控制逆變器的開關頻率及轉矩容差的大小。該環節控制逆變器的開關頻率及轉矩容差的大小。(6)異步電動機數學模型異步電動機數學模型:異步電動機的數學模型包括磁鏈模型和轉矩模型。異步電動機的數學模型包括磁鏈模型和轉矩

47、模型。其中磁鏈模型可以選用低速時其中磁鏈模型可以選用低速時i一一n模型和高速時模型和高速時u一一i模型相結合的方案，也可以模型相結合的方案，也可以選用在全速度范圍內采用選用在全速度范圍內采用u一一n模型的方案。模型的方案。直接轉矩控制通過轉矩兩點式調節器直接調節轉矩。轉矩兩點式調節器將轉直接轉矩控制通過轉矩兩點式調節器直接調節轉矩。轉矩兩點式調節器將轉矩檢測值和轉矩設定值進行比較，將轉矩波動控制在一定容差范圍內，即在直接矩檢測值和轉矩設定值進行比較，將轉矩波動控制在一定容差范圍內，即在直接轉矩控制下，電動機的輸出轉矩總是圍繞轉矩設定值在一定容差范圍內波動轉矩控制下，電動機的輸出轉矩總是圍繞轉矩

48、設定值在一定容差范圍內波動。Page 55電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術 直接轉矩控制的優缺點直接轉矩控制的優缺點 優點：優點：1.1.電機模型在定子坐標系下，只需電機模型在定子坐標系下，只需3/23/2變換。變換。2.2.觀測的是定子磁鏈，受電機參數影響小。觀測的是定子磁鏈，受電機參數影響小。3.3.強調對轉矩的直接控制，所以轉矩響應迅速。強調對轉矩的直接控制，所以轉矩響應迅速。缺點：缺點：1.1.低速時的轉矩脈動。低速時的轉矩脈動。2.2.由于沒有電流閉環，容易產生過流。由于沒有電流閉環，容易產生過流。Page 56電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術開關磁阻

49、電機控制系統開關磁阻電機控制系統1.1.開關磁阻電機結構開關磁阻電機結構 定、轉子為結構雙凸結構。定、轉子為結構雙凸結構。定、轉子齒滿足錯位原理，定、轉子齒滿足錯位原理，即錯開即錯開1/m1/m轉子齒距。轉子齒距。通電一周，轉過一個轉子齒。通電一周，轉過一個轉子齒。需要轉子位置傳感器需要轉子位置傳感器。AABBCCPage 57電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術2.2.開關磁阻電動機工作原理開關磁阻電動機工作原理 靠磁通收縮產生轉矩靠磁通收縮產生轉矩21d2dLTi轉矩：轉矩：開關磁阻電機的轉矩瞬時值正比于開關磁阻電機的轉矩瞬時值正比于 電流的平方，也正比于電感對轉電流的平方，也

50、正比于電感對轉 子位置角的變化率。子位置角的變化率。Page 58電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術3.3.開關磁阻電機功率變換器主電路開關磁阻電機功率變換器主電路AXBYCZ123456Page 59電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術4.4.開關磁阻電機及其控制系統的優缺點開關磁阻電機及其控制系統的優缺點 主要優點：主要優點：1.1.電機結構簡單，制造容易。電機結構簡單，制造容易。2.2.控制相對簡單?？刂葡鄬唵?。3.3.控制器主電路不會出現直通現象?？刂破髦麟娐凡粫霈F直通現象。缺點：缺點：1.1.起動時的噪聲脈動轉矩較大。起動時的噪聲脈動轉矩較大。2.2.需

51、要轉子位置傳感器需要轉子位置傳感器。Page 60電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術 電機及其控制系統的主要研究方向電機及其控制系統的主要研究方向 電機與控制器一體化的優化設計研究電機與控制器一體化的優化設計研究電機設計要考慮逆變器供電的特點：電機設計要考慮逆變器供電的特點：du/dt,du/dt,諧波。諧波。逆變器設計要考慮電動汽車電機的特點：大過載。逆變器設計要考慮電動汽車電機的特點：大過載。安裝空間有限，運行環境惡劣。安裝空間有限，運行環境惡劣。新的控制策略研究新的控制策略研究更理想的轉矩控制性能；更低的輸出諧波含量，更理想的轉矩控制性能；更低的輸出諧波含量，更低的電機諧波

52、損耗。更低的電機諧波損耗。Page 61電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術 高頻軟開關應用技術研究高頻軟開關應用技術研究用高頻減小低速下的轉矩脈動電磁噪聲；用高頻減小低速下的轉矩脈動電磁噪聲；用軟開關解決功率開關器件的開關損耗，用軟開關解決功率開關器件的開關損耗，減小電磁干擾。減小電磁干擾。電機的新材料、新結構、新工藝電機的新材料、新結構、新工藝例如：永磁材料、非晶鐵心、多極高頻電機。例如：永磁材料、非晶鐵心、多極高頻電機。數字化控制技術和網絡化通訊技術研究數字化控制技術和網絡化通訊技術研究 系統的電磁兼容技術研究系統的電磁兼容技術研究Page 62電動汽車驅動系統控制技術電動汽

53、車驅動系統控制技術電機及其控制系統追求的目標：1、高性能；2、高可靠；3、低成本。實現產業化！Page 63電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術燃料電池客車用電機及其控制器風冷的電機與控制器Page 64電動汽車驅動系統控制技術電動汽車驅動系統控制技術燃料電池客車用電機及其控制器水冷電機與控制器感謝您的關注感謝您的關注 MOMODA POWERPOINTLorem ipsum dolor sit amet,consectetur adipiscing elit.Fusce id urna blandit,eleifend nulla ac,fringilla purus.Nulla iaculis tempor felis ut cursus.感 謝 您 的 下 載 觀 看感 謝 您 的 下 載 觀 看專家告訴