電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制技術(shù)綜述
中國(guó)電動(dòng)車信息網(wǎng) 電動(dòng)車商情網(wǎng) 俠名 電動(dòng)車維修 2006-2-22
| 簡(jiǎn)述了電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)分析并比較了電動(dòng)車主要電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，著重介紹了一種深埋式永磁同步電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)，最后簡(jiǎn)要概述了電動(dòng)車電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。 1 概述 電動(dòng)車是一種安全、經(jīng)濟(jì)、清潔的綠色交通工具，不僅在能源、環(huán)境方面有其獨(dú)特的優(yōu)越性和競(jìng)爭(zhēng)力，而且能夠更方便地采用現(xiàn)代控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)其機(jī)電一體化的目標(biāo)，因而具有廣闊的發(fā)展前景。 現(xiàn)有電動(dòng)車大致可以分為以下幾個(gè)主要部分：蓄電池、電池管理、充電系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、整車管理系統(tǒng)及車體等。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為電動(dòng)車提供所需的動(dòng)力，負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。無(wú)論何種電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，均具有基本相同的結(jié)構(gòu)，都可以分成能源供給子系統(tǒng)、電氣驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)子系統(tǒng)三部分，其中電氣驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)是電動(dòng)車的心臟，主要包括電動(dòng)機(jī)、功率電子元器件及控制部分。如圖1所示。 其中，電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均具有相同或相似的功能模塊，如圖2所示。 2 電動(dòng)車電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比較 電動(dòng)機(jī)的類型對(duì)電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及電動(dòng)車整體性能影響非常大，評(píng)價(jià)電動(dòng)車的電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上主要就是對(duì)不同電動(dòng)機(jī)及其控制方式進(jìn)行比較和分析。目前正在應(yīng)用或開發(fā)的電動(dòng)車電動(dòng)機(jī)主要有直流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)四類。由這四類電動(dòng)機(jī)所組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其總體比較如下表所示。 電動(dòng)車電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用電動(dòng)機(jī)比較表 下面分別對(duì)這幾種電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行較為詳細(xì)地分析和闡述。 2.1 直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性，所以直到20世紀(jì)80年代中期，它仍是國(guó)內(nèi)外的主要研發(fā)對(duì)象。而且，目前國(guó)內(nèi)用于電動(dòng)車的絕大多數(shù)是直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 但普通直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生電火花，不宜在多塵、潮濕、易燃易爆環(huán)境中使用，其換向器維護(hù)困難，很難向大容量、高速(High Speed)度發(fā)展。此外，電火花產(chǎn)生的電磁干擾，對(duì)高度電子化的電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)將是致命的。此外，直流電動(dòng)機(jī)價(jià)格高、體積和重量大。隨著控制理論和電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與其它驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，已大大處于劣勢(shì)。因此，目前國(guó)外各大公司研制的電動(dòng)車電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已逐漸淘汰了直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 2.2 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 2.2.1 感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)車感應(yīng)電動(dòng)機(jī)與一般感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比較具有以下特征： （1）穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，與一般感應(yīng)電動(dòng)機(jī)工況相似。 （2）驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)沒有一般感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程，轉(zhuǎn)差率小，轉(zhuǎn)子上的集膚效應(yīng)不明顯。 （3）運(yùn)行頻率不是50Hz，而是遠(yuǎn)遠(yuǎn)在此之上。 （4）采用變頻調(diào)速方式時(shí)，轉(zhuǎn)速與極數(shù)之間沒有嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系。 為此，電動(dòng)車感應(yīng)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方面如下特點(diǎn)： （1）盡力擴(kuò)大恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，使電動(dòng)機(jī)在高速(High Speed)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也能有較高轉(zhuǎn)矩。而要提高轉(zhuǎn)矩，則需盡量減小定轉(zhuǎn)子之間的氣隙，同時(shí)減小漏抗。 （2）更注重電動(dòng)機(jī)的電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)，使轉(zhuǎn)矩、功率和效率等因素達(dá)到綜合最優(yōu)。 （3）減少重量、體積，以增加與車體的適配性。 2.2.2 控制技術(shù) 應(yīng)用于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的變頻控制技術(shù)主要有三種：V/F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制。20世紀(jì)90年代以前主要以PWM方式實(shí)現(xiàn)V/F控制和轉(zhuǎn)差頻率控制，但這兩種控制技術(shù)因轉(zhuǎn)速控制范圍小，轉(zhuǎn)矩特性不理想，而對(duì)于需頻繁起動(dòng)、加減速的電動(dòng)車不太適宜。近幾年來(lái)，研制的電動(dòng)車感應(yīng)電動(dòng)機(jī)幾乎都采用矢量控制技術(shù)。矢量控制按其側(cè)重點(diǎn)不同，主要有兩種控制策略：提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率的最大效率控制與簡(jiǎn)化系統(tǒng)、降低成本的無(wú)速度(Tempo)傳感器矢量控制。 最大效率控制技術(shù)是通過(guò)使勵(lì)磁電流Io隨電動(dòng)機(jī)參數(shù)和負(fù)載條件而變化來(lái)實(shí)現(xiàn)在任何負(fù)載條件下都使電動(dòng)機(jī)的損耗最小，效率最大的目標(biāo)。 矢量控制離不開速度(Tempo)的控制，而無(wú)速度(Tempo)傳感器是利用電動(dòng)機(jī)電壓、電流和電動(dòng)機(jī)參數(shù)來(lái)估算出速度(Tempo)，從而無(wú)需一般矢量控制中的速度(Tempo)傳感器，達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)、降低成本、提高可靠性的目的。 2.3 永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 2.3.1 永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī) 永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可以分為兩類，一類是方波驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（BDCM），另一類是永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（PMSM），也稱之為正弦波驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。BDCM系統(tǒng)不需要絕對(duì)位置傳感器，一般采用霍爾元件或增量式碼盤，也可以通過(guò)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)波形換相。PMSM系統(tǒng)一般需要絕對(duì)式碼盤或旋轉(zhuǎn)變壓器等轉(zhuǎn)子位置傳感器。從磁鐵所處不同位置的結(jié)構(gòu)上看，永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)可以分成表面型、鑲嵌型、深埋式等結(jié)構(gòu)型式，在電動(dòng)汽車中也有采用盤式結(jié)構(gòu)或外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的。 深埋式永磁同步電動(dòng)機(jī)因其有高的功率密度、有效的弱磁控制及方便的最大效率控制而在電動(dòng)車應(yīng)用領(lǐng)域倍受青睞，是當(dāng)前電動(dòng)車電動(dòng)機(jī)研發(fā)的熱點(diǎn)。用在電動(dòng)車上的永磁同步電動(dòng)機(jī)是將磁鐵插入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，得到同步旋轉(zhuǎn)的磁極深埋式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖3所示，這種電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面主要有兩個(gè)特征：①轉(zhuǎn)子磁鐵使用埋入式；②采用多極化設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)： （1）與將永磁體貼在轉(zhuǎn)子表面的情況相比，將永磁體植入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，則即使高速(High Speed)旋轉(zhuǎn)，永磁體也不會(huì)飛散，為此就使設(shè)計(jì)10000r/min以上的超高速(High Speed)電動(dòng)機(jī)成為可能。 （2）對(duì)于要求的最大轉(zhuǎn)矩而言，采用圖3所示的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁電動(dòng)機(jī)能做得更小。 （3）電機(jī)多極化設(shè)計(jì)也是降低成本的有效手段。圖4表示了電動(dòng)機(jī)永久磁鐵用量占電動(dòng)機(jī)總重量的百分比隨電動(dòng)機(jī)極數(shù)增加而減少的變化曲線。 2.3.2 深埋式永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù) 深埋式永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖5所示。與一般電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)多為速度(Tempo)控制系統(tǒng)或位置控制系統(tǒng)不同，電動(dòng)車是由加速器與控制器共同決定的轉(zhuǎn)矩指令來(lái)控制電機(jī)。因?yàn)檗D(zhuǎn)矩由電流決定，所以實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)電流控制系統(tǒng)。應(yīng)用轉(zhuǎn)矩指令和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)獨(dú)立增減d軸電流和q軸電流進(jìn)行電流控制，就能使電動(dòng)機(jī)和逆變器的綜合損失最小，進(jìn)而提高電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。d軸電流指令為負(fù)，就意味著進(jìn)行弱磁調(diào)節(jié)，所以，弱磁控制也是有效的。以上設(shè)計(jì)不僅考慮了電動(dòng)機(jī)的特性，還考慮了電動(dòng)機(jī)的控制方法及使用方法，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定，是目前電動(dòng)車的優(yōu)選驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 2.4 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 2.4.1 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) 目前，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（SRM）已投入實(shí)際使用，法國(guó)F1AT公司研制的電動(dòng)車和中國(guó)第二汽車制造廠研制的電動(dòng)客車都曾采用了開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。SRM是沒有任何形式的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和永久磁鐵的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，它的定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極都是凸的。由于SRM具有集中的定子繞組和脈沖電流，其功率變換器可以采用更可靠的電路拓?fù)湫问健RM具有簡(jiǎn)單可靠、在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運(yùn)行、控制靈活、可四象限運(yùn)行、響應(yīng)速度(Tempo)快、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。但SRM有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大、噪聲大、需要位置檢測(cè)器、系統(tǒng)非線性特性等缺點(diǎn)，所以，目前應(yīng)用還受到限制。針對(duì)傳統(tǒng)SRM的缺點(diǎn)，研制了永磁式開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（PMSRD），通過(guò)高性能永磁鋼的引入，克服了傳統(tǒng)SRM存在的換流相對(duì)較慢、能量利用率較低的缺點(diǎn)，增加了電機(jī)的比功率密度。 2.4.2 控制技術(shù) 由于SRM系統(tǒng)具有明顯的非線性特性，系統(tǒng)難于建模，一般的線性控制方式不適于SRM系統(tǒng)。目前主要利用模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。香港大學(xué)開發(fā)的模糊滑模控制具有減少控制振蕩等優(yōu)點(diǎn)，是SRM系統(tǒng)控制研究的一個(gè)新的突破。 3 結(jié)速語(yǔ) 20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)折控制變得比較容易了。為此，電動(dòng)車的電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向交流電動(dòng)機(jī)，特別是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于電動(dòng)車來(lái)說(shuō)是特別可貴的。但永磁電動(dòng)機(jī)除有以上優(yōu)點(diǎn)外，還在轉(zhuǎn)換效率方面又較感應(yīng)電動(dòng)機(jī)稍勝一疇。 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、可四象限運(yùn)動(dòng)、可靠性高、能在較寬的速度(Tempo)和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運(yùn)行等特點(diǎn)，作為具有潛力的電動(dòng)車電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)日益受到重視。但其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，噪聲大等缺點(diǎn)一直未得到很好解決，如何從電機(jī)設(shè)計(jì)和控制策略兩方面加以改進(jìn)是現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)。 永磁電動(dòng)機(jī)電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速更高（德國(guó)KOVO電技術(shù)公司已研制出轉(zhuǎn)速達(dá)50000r/min、功率達(dá)1.5kW的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)）、用磁更省、可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子輕小緊湊、低成本化設(shè)計(jì)而成為研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。但永磁電動(dòng)機(jī)也有制成后難以調(diào)節(jié)磁場(chǎng)以控制功率因素和無(wú)功功率的缺點(diǎn)，這將成為今后的研究方向。 在控制器件方面，應(yīng)用新一代功率電子器件，可使變頻器有更高的功率密度和效率，結(jié)構(gòu)也更牢固，更適于電動(dòng)車所用。 在控制策略方面，變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及專家系統(tǒng)等新的控制方法正逐漸應(yīng)用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，并取得越來(lái)越好的效果。 |
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