電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

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1、 電 動(dòng) 汽 車電 機(jī) 及 其 控 制 系 統(tǒng) 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(wèn) 題 與 研 究 方 向 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 電 動(dòng) 機(jī)控 制 器 交 流 電 機(jī) 控 制 器控 制 電 路 主 電 路 控 制 器 中 的 CPU主 控 制 板 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、

2、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(jìng) 爭(zhēng) 力 的 價(jià) 格 。 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(wú) 刷 直 流 電 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) ； 異 步 電 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) ； 開(kāi) 關(guān) 磁 阻 電 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 。 電 機(jī) 性 能 直 流 電 機(jī) 永 磁 同 步 電機(jī) 異 步 電 機(jī) 開(kāi) 關(guān) 磁 阻 電機(jī)最 大 效 率 （ ） 85 89 95 97 94 95 90 效 率 （ 10 負(fù) 載 ） 80 87 90 92 79 85 78

3、 86最 高 轉(zhuǎn) 速 （ rpm) 40006000 400010000 900015000 15000電 機(jī) 費(fèi) 用 /kW($) 10 1015 812 610控 制 器 成 本 1 2.5 3.5 4.5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 ） 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(jiǎn) 單 非 常 簡(jiǎn) 單 環(huán) 境 適 應(yīng) 性 相 當(dāng) 好 非 常 好 維 護(hù) 有 點(diǎn) 必 要

4、 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 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(wú) 溫 度 特 性 無(wú) 有 控 制 器 控 制 一 臺(tái) 控 制 多 臺(tái) 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) ） If MnI

5、f 0aia 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(jiǎn) 單 。 2. 直 流 電 機(jī) 功 率 控 制 器 斬 波 器 T2、 D1電 動(dòng) 運(yùn) 行 ； T 1、 D2 制 動(dòng) 運(yùn) 行 。E C T1T2 MD1D2斬 波 器 主 電 路 PI PWM+ -給定電流 Ia*反饋電流 Ia3. 斬 波 器 的 PWM控 制n Mn1n2 MZ M1*( Ia1* )AB M 2*( Ia2* )0 控 制 框 圖調(diào) 速 原 理 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

6、機(jī) 轉(zhuǎn) 矩 控 制 性 能 優(yōu) 良 。 2. 控 制 簡(jiǎn) 單 ， 回 饋 控 制 容 易 。 3. 功 率 變 換 器 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 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 。 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

7、 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(wú) 刷 直 流 電 機(jī)轉(zhuǎn) 子 繞 線 式轉(zhuǎn) 子 籠 型 2. 交 流 電 機(jī)的 定 子 結(jié) 構(gòu)三 相 電 樞 繞 組 A B C +A -A +B -B +C -CUd + C 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 六 、 無(wú) 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

8、機(jī)控 制 器1. 系 統(tǒng) 構(gòu) 成 2.無(wú) 刷 直 流 電 機(jī) 與 永 磁 同 步 電 機(jī) 差 別 t20B0(e0) 永 磁 同 步 電 機(jī)無(wú) 刷 直 流 電 機(jī)一 對(duì) 極 下 不 同 的 氣 隙 磁 密 分 布 圖 3.無(wú) 刷 直 流 電 機(jī) 工 作 原 理 iA A Bi BCiC S N FABFACFBC FBA FCA FCBX YZ F0 有 6個(gè) 定 子 空 間 磁 勢(shì) 。 根 據(jù) 轉(zhuǎn) 子 位 置 傳 感 器 檢 測(cè) 到 的 轉(zhuǎn) 子 位 置 和 要 求 轉(zhuǎn) 向 來(lái) 決 定 產(chǎn) 生 哪 一 個(gè) 磁 勢(shì) 。 產(chǎn) 生 的 平 均 轉(zhuǎn) 矩 最 大 。 定 子 磁 勢(shì) 拉 轉(zhuǎn) 子 磁 勢(shì)

9、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。S N F0nFABFAC 60o 60o 4.無(wú) 刷 直 流 電 機(jī) 控 制 框 圖 -A+ 2iaibiciaibic IREF PI PWM邏輯變換PS +A+B+C -B-CIFPosition Sensor三 相 反 饋 電 流 輸 出 6路 驅(qū) 動(dòng) 信 號(hào) 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(wú) 刷 直 流 電 機(jī) 的 電 動(dòng) 、 回 饋 制 動(dòng) 控 制 邏 輯

10、控 制轉(zhuǎn) 子 位 置 傳 感 器 6. 無(wú) 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(jiǎn) 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(guò) 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 。 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 )1( 0 sn n p fn 600 轉(zhuǎn)

11、 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(chǎng) 轉(zhuǎn) 速 。0n T01n02n AB不 同 頻 率 下 的 異 步 電 機(jī) 機(jī) 械 特 性 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 （ Variable Voltage Variable Frequency) 簡(jiǎn) 稱 VVVF控 制 ； 脈 寬 調(diào) 節(jié) 控 制 （ Pulse Width Modulation) 簡(jiǎn) 稱 PWM控 制 。 1. SPWM; 2. 電 壓 空 間 矢 量 PWM； 3. 優(yōu) 化

12、 PWM; 4. 隨 機(jī) PWM; 5. 基 于 動(dòng) 態(tài) 的 控 制 ： 高 性 能 的 控 制 方 法 轉(zhuǎn) 子 磁 場(chǎng) 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(guó) 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(guó) 學(xué) 者 M.Depenbrock 首 次 提 出 。 ） 3. 異 步 電 機(jī) 滑 差 頻 率 控 制 框 圖s*r* P I FG+ r s*

13、r+ 1 I1*cos1tcos(1t -120o)cos(1t -240o) 乘法器 ia* iaib* icic* ib+ PI PWMPI PWMPI PWM三 角 波 驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生 a-ab-bc-cI1 =f (s) + 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 T M 2+ + I1TI1MI2TI2M 1(a ) 直 流 電 機(jī) 模 型 2I1MI1TI2T I1 F0F2 F1(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 、

14、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(jiǎn) 單 的 方 程 形 式 。 2T 2 1T M 0I L I L 2M 2 1M M 2I L I L 轉(zhuǎn) 子 磁 鏈 方 程 2 2M 2d /d 0tR I 2 2T S 2 0R I 轉(zhuǎn) 子 電 壓 方 程穩(wěn) 態(tài) 時(shí) 2d /d 0t 所 以 2M 0I M 1M2 L I 等 效 直 流 機(jī) 模 型 的 方 程 M2T 1T2LI IL M 1M2 L I 2T 2T pI 轉(zhuǎn) 矩控 制 如 何 實(shí)

15、現(xiàn) ？ 2 2TI和1MI 1TI和 2 21 1M 1TI I I Sr )d( t 和2 1TS 2 1MR IL I 其 中 矢 量 控 制 思 路 最 終 控 制 定 子 磁 場(chǎng) 的 幅 值 與 空 間 位 置 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 。 5. 異 步 電 機(jī) 直 接 轉(zhuǎn) 矩 控 制 控 制 原 理 ： 通 過(guò) 檢 測(cè) 電 機(jī) 定 子 電 壓 、 電 流 ， 借 助 瞬 時(shí) 空 間 矢 量 理 論 來(lái) 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

16、 子 磁 鏈 的 空 間 位 置 、 磁 鏈 與 轉(zhuǎn) 矩 的 調(diào) 節(jié) 結(jié) 果 ， 來(lái) 確 定 逆 變 器 的 開(kāi) 關(guān) 信 號(hào) 。 逆 變 器 IM3/2 3/2id iq ud uq觀 察 器 q dT計(jì) 算DTT 1計(jì) 算D 1 + N + 開(kāi) 關(guān) 表 6*Ud +* 1 T 1 r 速 度傳 感 器 直 接 轉(zhuǎn) 矩 控 制 框 圖 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(cè) 的 是 定 子 磁 鏈 ， 受 電 機(jī) 參 數(shù) 影 響 小 。1. 強(qiáng) 調(diào) 對(duì) 轉(zhuǎn) 矩 的 直 接 控 制 ， 所 以 轉(zhuǎn) 矩

17、響 應(yīng) 迅 速 。 缺 點(diǎn) ： 低 速 時(shí) 的 轉(zhuǎn) 矩 脈 動(dòng) 。1. 由 于 沒(méi) 有 電 流 閉 環(huán) ， 容 易 產(chǎn) 生 過(guò) 流 。 八 、 開(kāi) 關(guān) 磁 阻 電 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) A A B BC C6/4極 的 開(kāi) 關(guān) 磁 阻 電 動(dòng) 機(jī) 1. 開(kāi) 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(kāi) 1/m轉(zhuǎn) 子 齒 距 。 通 電 一 周 ， 轉(zhuǎn) 過(guò) 一 個(gè) 轉(zhuǎn) 子 齒 。 需 要 轉(zhuǎn) 子 位 置 傳 感 器 。 開(kāi) 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

18、 比 于 電 感 對(duì) 轉(zhuǎn) 子 位 置 角 的 變 化 率 。 2. 開(kāi) 關(guān) 磁 阻 電 動(dòng) 機(jī) 工 作 原 理21 d2 dLT i 轉(zhuǎn) 矩 ： 靠 磁 通 收 縮 產(chǎn) 生 轉(zhuǎn) 矩 A X B Y C Z1 2 3 4 5 63. 開(kāi) 關(guān) 磁 阻 電 機(jī) 功 率 變 換 器 主 電 路A相 4. 開(kāi) 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(jiǎn) 單 ， 制 造 容 易 。 2. 控 制 相 對(duì) 簡(jiǎn) 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

19、。 2. 需 要 轉(zhuǎn) 子 位 置 傳 感 器 。 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(guò) 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 。 高 頻 軟 開(kāi) 關(guān) 應(yīng) 用 技 術(shù) 研

20、 究用 高 頻 減 小 低 速 下 的 轉(zhuǎn) 矩 脈 動(dòng) 電 磁 噪 聲 ；用 軟 開(kāi) 關(guān) 解 決 功 率 開(kāi) 關(guān) 器 件 的 開(kāi) 關(guān) 損 耗 ，減 小 電 磁 干 擾 。 電 機(jī) 的 新 材 料 、 新 結(jié) 構(gòu) 、 新 工 藝?yán)?如 ： 永 磁 材 料 、 非 晶 鐵 心 、 多 極 高 頻 電 機(jī) 。 數(shù) 字 化 控 制 技 術(shù) 和 網(wǎng) 絡(luò) 化 通 訊 技 術(shù) 研 究 系 統(tǒng) 的 電 磁 兼 容 技 術(shù) 研 究 十 、 一 點(diǎn) 國(guó) 外 的 研 究 動(dòng) 態(tài) 盡 管 交 流 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 是 主 流 ， 每 一 種 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 都 有 其 生 存 的 空 間 ， 并 都 在 研 究

21、 與 發(fā) 展 。減 小 電 刷 壓 降 。 提 高 效 率 ； 減 少 維 護(hù) 。取 代 高 成 本 的 逆 變 器 和 DC/D變 換 器用 于 大 功 率 低 壓 直 流 電 機(jī) ， 用 廉 價(jià) 的 斬 波 器1、 先 進(jìn) 的 電 刷 技 術(shù) 2、 軟 換 向 技 術(shù) 換 向 能 量 回 收 ； 不 要 換 向 極 ； 無(wú) 換 向 火 花 ； 長(zhǎng) 壽 命 。3、 高 效 率 、 低 價(jià) 格 異 步 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 子 采 用 銅 導(dǎo) 條 、 鋁 端 環(huán) 先 進(jìn) 電 刷直 流 電 機(jī) 軟 換 向直 流 電 機(jī) 高 效 異步 電 機(jī) ：轉(zhuǎn) 子 為 銅條 和 鋁 環(huán) 。低 成 本 的生 產(chǎn) 工 藝 。 電 機(jī) 及 其 控 制 系 統(tǒng) 追 求 的 目 標(biāo) ：1、 高 性 能 ；2、 高 可 靠 ；3、 低 成 本 。實(shí) 現(xiàn) 產(chǎn) 業(yè) 化 ！ 謝 謝 大 家