电机驱动系统

电 动 汽 车电 机 及 其 控 制 系 统 主 要 内 容1、 概 述2、 四 种 常 用 电 机 及 控 制 系 统3、 存 在 的 问 题 与 研 究 方 向 一 、 电 机 控 制 系 统 的 构 成 功 率变 换 器电 池 控 制 电 路 电 动 机控 制 器 电 动 机控 制 器 交 流 电 机 控 制 器控 制 电 路 主 电 路 控 制 器 中 的 CPU主 控 制 板 二 、 电 动 汽 车 对 电 机 控 制 系 统 的 要 求 1、 优 良 的 转 矩 控 制 性 能 ； 2、 宽 广 的 调 速 范 围 ； 3、 宽 范 围 的 高 效 率 运 行 区 域 ； 4、 高 功 率 密 度 ； 5. 优 良 的 环 境 适 应 性 和 环 保 性 ； 6. 高 可 靠 性 ； 7. 有 竞 争 力 的 价 格 。 三 、 电 动 汽 车 电 机 控 制 系 统 的 主 要 类 型 直 流 电 机 控 制 系 统 ； 无 刷 直 流 电 机 控 制 系 统 ； 异 步 电 机 控 制 系 统 ； 开 关 磁 阻 电 机 控 制 系 统 。 电 机 性 能 直 流 电 机 永 磁 同 步 电机 异 步 电 机 开 关 磁 阻 电机最 大 效 率 （ ） 85 89 95 97 94 95 90 效 率 （ 10 负 载 ） 80 87 90 92 79 85 78 86最 高 转 速 （ rpm) 40006000 400010000 900015000 15000电 机 费 用 /kW($) 10 1015 812 610控 制 器 成 本 1 2.5 3.5 4.5坚 固 性 良 良 优 良信 赖 性 普 通 良 优 良表 .1 各 种 电 机 的 特 性 比 较（ 摘 自 日 本 电 气 学 会 技 术 报 告 ） 永 磁 同 步 电 机 异 步 电 机适 性 容 量 数 十 W 数 十 kW 数 百 W以 上尺 寸 、 重 量 小 中 小 结 构 相 当 简 单 非 常 简 单 环 境 适 应 性 相 当 好 非 常 好 维 护 有 点 必 要 不 要 生 产 性 好 非 常 好 位 置 传 感 器 要 不 要 速 度 传 感 器 不 要 要 表 2 永 磁 同 步 电 机 与 异 步 电 机 的 特 性 比 较 表 2 永 磁 同 步 电 机 与 异 步 电 机 的 特 性 比 较 (续 ） 永 磁 同 步 电 机 异 步 电 机寿 命 轴 寿 命 轴 寿 命弱 磁 高 速 困 难 可 能 回 馈 制 动 容 易 可 以 永 久 失 磁 有 无 温 度 特 性 无 有 控 制 器 控 制 一 台 控 制 多 台 四 、 直 流 电 机 及 其 控 制 系 统1.直 流 电 机 的 结 构 和 原 理 （ 并 联 ） If MnI f 0aia 特 点 ：1、 励 磁 电 流 和 电 枢 电 流 可 分 别 控 制 ， 转 矩 控 制 性 能 好 。2、 控 制 简 单 。 2. 直 流 电 机 功 率 控 制 器 斩 波 器 T2、 D1电 动 运 行 ； T 1、 D2 制 动 运 行 。E C T1T2 MD1D2斩 波 器 主 电 路 PI PWM+ -给定电流 Ia*反馈电流 Ia3. 斩 波 器 的 PWM控 制n Mn1n2 MZ M1*( Ia1* )AB M 2*( Ia2* )0 控 制 框 图调 速 原 理 4. 直 流 电 机 及 其 控 制 系 统 的 优 缺 点 优 点 ： 1. 直 流 电 机 转 矩 控 制 性 能 优 良 。 2. 控 制 简 单 ， 回 馈 控 制 容 易 。 3. 功 率 变 换 器 结 构 简 单 ， 使 用 功 率 器 件 少 。 4. 控 制 器 效 率 高 ； 功 率 密 度 高 。 5. 控 制 器 体 积 小 ， 重 量 轻 。 6. 控 制 器 价 格 便 宜 。 缺 点 ： 1. 由 于 机 械 换 向 器 和 电 刷 的 存 在 导 致 的 缺 点 ： 电 机 转 速 低 、 体 积 大 ； 需 要 维 护 ； 成 本 高 。 五 、 交 流 电 机 及 其 控 制 系 统1. 交 流 电 机 的 主 要 类 型交 流电 机 1. 同 步 电 机2. 异 步 电 机 （ 感 应 电 机 ）转 子 永 磁转 子 励 磁 永 磁 同 步 电 机 (自 控 式 ）无 刷 直 流 电 机转 子 绕 线 式转 子 笼 型 2. 交 流 电 机的 定 子 结 构三 相 电 枢 绕 组 A B C +A -A +B -B +C -CUd + C 3.三 相 交 流 电 机 功 率 变 换 器 主 电 路 构 成功 率 变 换 器 主 电 路 交 流 电 机 电 枢 绕 组 六 、 无 刷 直 流 电 机 控 制 系 统 转 子 位 置 传 感 器 永 磁同 步 电 机三 相 功 率 变 换 器控 制 电 路 自 控 式 永 磁 同 步 电 机控 制 器1. 系 统 构 成 2.无 刷 直 流 电 机 与 永 磁 同 步 电 机 差 别 t20B0(e0) 永 磁 同 步 电 机无 刷 直 流 电 机一 对 极 下 不 同 的 气 隙 磁 密 分 布 图 3.无 刷 直 流 电 机 工 作 原 理 iA A Bi BCiC S N FABFACFBC FBA FCA FCBX YZ F0 有 6个 定 子 空 间 磁 势 。 根 据 转 子 位 置 传 感 器 检 测 到 的 转 子 位 置 和 要 求 转 向 来 决 定 产 生 哪 一 个 磁 势 。 产 生 的 平 均 转 矩 最 大 。 定 子 磁 势 拉 转 子 磁 势 旋 转 ， 为 了 使 平 均 转 矩 最 大 。 两 者 的 平 均 空 间 电 角 度 为 900。S N F0nFABFAC 60o 60o 4.无 刷 直 流 电 机 控 制 框 图 -A+ 2iaibiciaibic IREF PI PWM逻辑变换PS +A+B+C -B-CIFPosition Sensor三 相 反 馈 电 流 输 出 6路 驱 动 信 号 PS 逻辑变换 + +A-A+B-B+C-CPWM 输 入 电 动 “ 1”回 馈 制 动 “ 0”+a-a+b-b+c-c 驱 动 信 号 输 出5. 无 刷 直 流 电 机 的 电 动 、 回 馈 制 动 控 制 逻 辑 控 制转 子 位 置 传 感 器 6. 无 刷 直 流 电 机 及 其 控 制 系 统 的 优 缺 点 优 点 ： 1. 具 有 直 流 电 机 的 控 制 特 性 。 2. 控 制 相 对 简 单 。 3. 电 机 效 率 高 ， 体 积 小 。 缺 点 ： 1. 由 于 永 磁 材 料 贵 ， 电 机 价 格 较 贵 。 2. 过 热 容 易 导 致 永 久 性 失 磁 。 3. 弱 磁 运 行 较 困 难 。 4. 需 要 转 子 位 置 传 感 器 。 七 、 异 步 电 机 及 其 控 制 系 统1. 异 步 电 机 变 频 调 速 原 理 )1( 0 sn n p fn 600 转 子 绕 组 中 的 电 压 、 电 流 靠 感 应 产 生 。 正 常 运 行 时 ， 电 机 转 速 接 近 旋 转 磁 场 转 速 。0n T01n02n AB不 同 频 率 下 的 异 步 电 机 机 械 特 性 2. 变 频 调 速 的 主 要 控 制 方 法基 于 稳 态 的 控 制 变 压 变 频 控 制 （ Variable Voltage Variable Frequency) 简 称 VVVF控 制 ； 脉 宽 调 节 控 制 （ Pulse Width Modulation) 简 称 PWM控 制 。 1. SPWM; 2. 电 压 空 间 矢 量 PWM； 3. 优 化 PWM; 4. 随 机 PWM; 5. 基 于 动 态 的 控 制 ： 高 性 能 的 控 制 方 法 转 子 磁 场 定 向 矢 量 控 制 （ 等 效 直 流 电 机 控 制 ）（ 20世 纪 70年 代 ， 由 德 国 西 门 子 公 司 的 F.Blaschke提 出 。 ） 1. 直 接 矢 量 控 制 ； 2. 间 接 矢 量 控 制 。 直 接 转 矩 控 制 直 接 对 转 矩 和 磁 链 闭 环 控 制 。 （ 1985年 德 国 学 者 M.Depenbrock 首 次 提 出 。 ） 3. 异 步 电 机 滑 差 频 率 控 制 框 图s*r* P I FG+ r s*r+ 1 I1*cos1tcos(1t -120o)cos(1t -240o) 乘法器 ia* iaib* icic* ib+ PI PWMPI PWMPI PWM三 角 波 驱动信号产生 a-ab-bc-cI1 =f (s) + 基 本 原 理 ： 在 机 械 特 性 的 线 性 段 ， 电 磁 转 矩 正 比 于 滑 差 频 率 。函 数 发 生 器 T M 2+ + I1TI1MI2TI2M 1(a ) 直 流 电 机 模 型 2I1MI1TI2T I1 F0F2 F1(b )电 流 、 磁 势 向 量 图4. 异 步 电 机 矢 量 控 制矢 量 控 制 原 理 经 3/2变 化 、 旋 转 变 换 后 ， 异 步 电 机 变 成 了 直 流 电 机 模 型 。 将 M-T坐 标 的 M轴 定 在 异 步 电 机 转 子 磁 链 的 方 向 上 ， 可 得 到 最 简 单 的 方 程 形 式 。 2T 2 1T M 0I L I L 2M 2 1M M 2I L I L 转 子 磁 链 方 程 2 2M 2d /d 0tR I 2 2T S 2 0R I 转 子 电 压 方 程稳 态 时 2d /d 0t 所 以 2M 0I M 1M2 L I 等 效 直 流 机 模 型 的 方 程 M2T 1T2LI IL M 1M2 L I 2T 2T pI 转 矩控 制 如 何 实 现 ？ 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 终 控 制 定 子 磁 场 的 幅 值 与 空 间 位 置 来 实 现 。 5. 异 步 电 机 直 接 转 矩 控 制 控 制 原 理 ： 通 过 检 测 电 机 定 子 电 压 、 电 流 ， 借 助 瞬 时 空 间 矢 量 理 论 来 计 算 电 机 的 磁 链 和 转 矩 。 给 定 的 磁 链 和 转 矩 分 别 与 计 算 值 比 较 ， 对 差 值 进 行 滞 环 调 节 （ 也 称 砰 砰 控 制 ） 。 再 根 据 定 子 磁 链 的 空 间 位 置 、 磁 链 与 转 矩 的 调 节 结 果 ， 来 确 定 逆 变 器 的 开 关 信 号 。 逆 变 器 IM3/2 3/2id iq ud uq观 察 器 q dT计 算DTT 1计 算D 1 + N + 开 关 表 6*Ud +* 1 T 1 r 速 度传 感 器 直 接 转 矩 控 制 框 图 直 接 转 矩 控 制 的 优 缺 点 优 点 ： 电 机 模 型 在 定 子 坐 标 系 下 ， 只 需 3/2变 换 。 观 测 的 是 定 子 磁 链 ， 受 电 机 参 数 影 响 小 。1. 强 调 对 转 矩 的 直 接 控 制 ， 所 以 转 矩 响 应 迅 速 。 缺 点 ： 低 速 时 的 转 矩 脉 动 。1. 由 于 没 有 电 流 闭 环 ， 容 易 产 生 过 流 。 八 、 开 关 磁 阻 电 机 控 制 系 统 A A B BC C6/4极 的 开 关 磁 阻 电 动 机 1. 开 关 磁 阻 电 机 结 构 定 、 转 子 为 结 构 双 凸 结 构 。 定 、 转 子 齿 满 足 错 位 原 理 ， 即 错 开 1/m转 子 齿 距 。 通 电 一 周 ， 转 过 一 个 转 子 齿 。 需 要 转 子 位 置 传 感 器 。 开 关 磁 阻 电 机 的 转 矩 瞬 时 值 正 比 于 电 流 的 平 方 ， 也 正 比 于 电 感 对 转 子 位 置 角 的 变 化 率 。 2. 开 关 磁 阻 电 动 机 工 作 原 理21 d2 dLT i 转 矩 ： 靠 磁 通 收 缩 产 生 转 矩 A X B Y C Z1 2 3 4 5 63. 开 关 磁 阻 电 机 功 率 变 换 器 主 电 路A相 4. 开 关 磁 阻 电 机 及 其 控 制 系 统 的 优 缺 点主 要 优 点 ： 1. 电 机 结 构 简 单 ， 制 造 容 易 。 2. 控 制 相 对 简 单 。 3. 控 制 器 主 电 路 不 会 出 现 直 通 现 象 。 缺 点 ： 1. 起 动 时 的 噪 声 脉 动 转 矩 较 大 。 2. 需 要 转 子 位 置 传 感 器 。 九 、 电 机 及 其 控 制 系 统 的 主 要 研 究 方 向 电 机 与 控 制 器 一 体 化 的 优 化 设 计 研 究电 机 设 计 要 考 虑 逆 变 器 供 电 的 特 点 ： du/dt, 谐 波 。逆 变 器 设 计 要 考 虑 电 动 汽 车 电 机 的 特 点 ： 大 过 载 。安 装 空 间 有 限 ， 运 行 环 境 恶 劣 。 新 的 控 制 策 略 研 究更 理 想 的 转 矩 控 制 性 能 ； 更 低 的 输 出 谐 波 含 量 ，更 低 的 电 机 谐 波 损 耗 。 高 频 软 开 关 应 用 技 术 研 究用 高 频 减 小 低 速 下 的 转 矩 脉 动 电 磁 噪 声 ；用 软 开 关 解 决 功 率 开 关 器 件 的 开 关 损 耗 ，减 小 电 磁 干 扰 。 电 机 的 新 材 料 、 新 结 构 、 新 工 艺例 如 ： 永 磁 材 料 、 非 晶 铁 心 、 多 极 高 频 电 机 。 数 字 化 控 制 技 术 和 网 络 化 通 讯 技 术 研 究 系 统 的 电 磁 兼 容 技 术 研 究 十 、 一 点 国 外 的 研 究 动 态 尽 管 交 流 电 机 驱 动 是 主 流 ， 每 一 种 电 机 驱 动 系 统 都 有 其 生 存 的 空 间 ， 并 都 在 研 究 与 发 展 。减 小 电 刷 压 降 。 提 高 效 率 ； 减 少 维 护 。取 代 高 成 本 的 逆 变 器 和 DC/D变 换 器用 于 大 功 率 低 压 直 流 电 机 ， 用 廉 价 的 斩 波 器1、 先 进 的 电 刷 技 术 2、 软 换 向 技 术 换 向 能 量 回 收 ； 不 要 换 向 极 ； 无 换 向 火 花 ； 长 寿 命 。3、 高 效 率 、 低 价 格 异 步 电 机 转 子 采 用 铜 导 条 、 铝 端 环 先 进 电 刷直 流 电 机 软 换 向直 流 电 机 高 效 异步 电 机 ：转 子 为 铜条 和 铝 环 。低 成 本 的生 产 工 艺 。 电 机 及 其 控 制 系 统 追 求 的 目 标 ：1、 高 性 能 ；2、 高 可 靠 ；3、 低 成 本 。实 现 产 业 化 ！ 谢 谢 大 家