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1、电动汽车电机驱动系统及其控制技术的研究2 电动汽车电机驱动系统分类与选择 电动汽车驱动系统可以按照驱动电机的种类进行划分，可分为直流电机驱动系统、交流感应电机驱动系统、永磁同步电机驱动系统和开关磁阻电机驱动系统等2.1直流电机驱动系统 直流电动驱动系统是以直流电动机为驱动电机的电动汽车驱动系统。与直流驱动电机相匹配的变流器是斩波器，它将固定的直流电压变成可调的直流电压；调速方法主要是调压调速和调磁调速。 直流电动机是最早应用于电动汽车驱动系统上的电动机。它结构简单，具有优良的电磁转矩控制特性。目前，直流电机驱动系统仍然在城市无轨电车上广泛应用。由于直流电动机使用电刷结构，使得它的转速、功率密度
2、、使用寿命都受到了限制，同时它的重量和体积也较大。随着现代交流电动机调速方法的改进，交流电动机的调速性能已经赶上了直流电动机。作为驱动电机，直流电动机最终将被交流电动机所取代.2.2交流感应电机驱动系统 交流感应电机又称异步电动机。最初由于电力电子技术以及调速方法的限制，它在电动汽车驱动系统中的应用并不被看好。随着现代电力电子技术的发展，大功率电力电子器件的出现，以及调速方法的改进，使得交流感应电机的调速性能逐渐赶上并超过了直流电动机。目前交流感应电动机已经成为在工业应用中使用最为广泛的拖动电机。现在，虽然交流感应电机调速系统比较复杂，成本较高，但是由于电机本身具有体积小、成本低、调速范围宽、
3、响应快等优点，目前国内大部分电动汽车还是采用了交流感应电机驱动系统. 相对于直流电动机而言，交流感应电动机的调速系统比较复杂。它的变流器又称逆变器。由于蓄电池以直流的形式输出能量，所以要用蓄电池输出的能量来驱动交流感应电机，就必须将蓄电池输出的直流电进行变流处理，将其逆变为交流电。逆变器的工作原理是通过电力电子器件的开关及合理的交流电路来将直流电逆变成交流电。现代电力电子技术的发展，为交流感应电机调速性能的改善提供了硬件条件。2.3永磁同步电机驱动系统 永磁同步电机又分为无刷直流电动机和无刷交流电动机。永磁同步电动机的转子磁链是不可控的，可以控制的只有定子绕组的电流。所以永磁同步电动机的控制方
4、式一般是电流控制，它包括三部分：电流指令的生成、定子电流检测和电流的闭环控制。不同的是无刷直流电动机的定子电流是三相方波电流，无刷交流电动机的定子电流是三相正弦电流。 永磁同步电动机由于转子无导条，无铜耗，所以转子惯量可以做得很小。与普通直流电机和异步电机相比，它的功率密度大，体积小，转矩、惯量比大，传动系统动态响应快。但目前由于永磁同步电动机价格较贵，调速范围也没有交流感应电机宽，所以应用范围还比较有限。国外对这两类电动机在电动汽车上的应用都有研究，而在国内，这类研究则相对较少。2.4开关磁阻电动机驱动系统 开关磁阻电动机与直流电动机和交流电动机在结构上有很大的不同，它与反应式步进电动机相似
5、，为双凸极可变磁阻电动机。其工作原理是基于电子绕组通电后，其磁路选择最小磁阻路线的趋势而产生转矩的。 开关磁阻电动机驱动系统的核心是开关磁阻电动机（SRM），随着新技术的不断更新和进步，开关磁阻电动机的潜力已经得到了越来越多人的认同。意大利的FIAT公司研制开发的电动轿车，以及中国第二汽车制造厂研制的电动客车都是采用开关磁阻电动机。SRM的显著优点主要有：结构简单，运行速度范围宽，运行十分可靠；在较宽的转速和转矩范围内效率很高，并且速度灵活可控；具有很高的起动转矩和较低的起动功率；容易维护，成本低。 但是SRM的缺点同样明显，开关磁阻电动机的噪声和振动比一般的电动机大，并且它涉及到电动机，电力
6、电子，微机，控制，光电转换，角度测量等等多学科知识，结构比较复杂，控制系统要求也比较独特，感应电动机和永磁同步电动机的控制方法通常难以满足系统的控制要求。3 电机驱动系统的控制策略3.1 直流电机控制策略 直流电机驱动系统采用有刷直流电机，电机控制器一般采 用斩波控制器控制。斩波器既可用于控制电机的电枢电压，实现电机恒转矩调速，也可用于控制励磁绕组电压，改变励磁电流，实现恒功率弱磁调速控制。在电机恒转矩特性区，根据速度关系式，通常保持励磁电流不变，通过控制电枢电压来实现对电机转速控制；在恒功率区，据转矩表达式，保持电枢电压不变，通过控制励磁电流实现对电机转矩和转速控制3.2交流感应电机控制策略
7、 目前，采用交流感应电机驱动系统的电动汽车主要有：美 国通用公司的EV-1型电动轿车；美国福特公司生产的电动车大都采用交流感应电动机，如福特RANGEREV，福特HANKCITY，福特Focus四门车等等。 交流感应电机的调速方法主要包括改变转差率调速、调压调速、变频调速、变极对数调速等，其中以变频调速应用最为广泛。现代研究较多的调速方法有PWM调速、变频变压控制（VVVF）、矢量控制（VC）和直接转矩控制（DTC）。后两项技术自20世纪末问世以来，在短短20年时间里已经得到了很大的发展和改进。文中仅对后两项技术进行介绍。矢量控制（VC）的基本原理是根据磁场定向原理分别对交流感应电动机的励磁电
8、流和转矩电流进行控制，从而达到控制电机转矩的目的具体是将电机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位。矢量控制方式又有最大效率矢量控制方式和无速度传感器矢量控制方式。对于一般的矢量控制系统，不管何种运行条件，其励磁电流都保持常数，结果在轻载时增加了铁耗，率，这在轻载，水平路面的效率尤为重要。 直接转矩控制（DTC）的蓬勃发展始于80年代后期、90年代初期，一般文献认为它由德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi于1985年首先分别提出的。它直接抓住电机输出特性，直接控制输出转矩
9、，在控制思想上与矢量控制不同的是直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不需要复杂的坐标变换，因此克服了矢量变换控制的复杂运算缺点，具有结构简单、转矩响应快、计算简单以及对参数鲁棒性好等优点。但是它却是建立在单一矢量、转矩和磁链的Bang-Bang控制基础之上的控制方法，并且由于电流的畸变不可消除，含有6倍谐波成分，不可避免地造成了低速特性差、开关频率不固定以及转矩脉动大，限制了直接转矩控制在 低速区的应用。尽管如此，直接转矩控制技术依然是目前为止最有发展潜力的交流感应电动机控制技术。3.3开关磁阻电动机控制策略 开关磁阻电动机转矩转速特性曲线如图2所示。由曲线可以看出当电机转速低于
10、基速wb时，电感L很小，此时保持开通角on和关断角off不变，电机工作在恒转矩区，这时采用电流斩波控制，如图1中第1段曲线。所谓电流斩波控制是指：在=on时，功率电路开关元件接通（称相导通）绕组电流I从零开始上升，当电流达到峰值（斩波电流上限值）it时，切断绕组电流（称斩波关断）绕组承受反压，电流快速下降。经时间t1，或电流降至规定值（斩波电流下限值）时，重新导通（称斩波导通），重复上述过程，则形成斩波电流波形，直至=off时实行相关断，电流斩波控制的实质就是控制绕组电流的上下极限值，从而实现对电机转矩和转速的控制。其主要特点是：比较适用于低速和制动运行，转矩相对平稳，但是系统在负载扰动下的动
11、态响应十分缓慢4 结论 通过对电动汽车的各种驱动系统的分析比较，可以看出交流感应电动机由于结构坚固，体积小，质量轻，效率较高等优点已经得到了广泛的应用；而随着电子，通信技术的不断进步，永磁无刷直流电动机以其多方面的优点，必将获得越来越多的使用空间。可以预见，未来电动汽车驱动系统是以系统性能可靠，结构紧凑，效率高为基础，向高集成化和全数字化方向发展参考文献：【1】陈清泉，孙逢春，祝嘉光，等现代电动汽车技术M 北京：北京理工大学出版社， 2002【2】谭建成电动汽车及其电驱动技术J电机电器技术，1998. 【3】曹秉刚，张传伟，白志峰，等电动汽车技术进展和发展趋势 J西安交通大学学报，2004.【
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