新能源汽车电机控制入门

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,电机控制,1,、分类,1,、电机总认识,2,、共性,3,、特点,1,、基本知识,2,、直流电机,2,、控制,电机总认识,电动机分为两大类：有转向器（直流电动机）和无转向器电动机,无转向器电动机：感应电动机、永磁同步电动机、永磁无刷直流电动机、开关磁阻电动机,A.与直流电动机相比，效率高，功率密度大，运行成本低，可靠性好,B.控制方法复杂,直流电动机（励磁）：电励磁（串励、并励、复励）、永磁电动机,A.技术成熟、控制简单：通过调节气隙磁通（0）和电枢电流Ia，可以独立控制电动机转速Wr和转矩Te,B.电刷和转向器需要经常维护，可靠性低,第一部分 直流电机基本知识,一、直流电机的基本结构,二、直流电机的工作原理,三、直流电机的励磁方式,四、直流电机电枢绕组的构成及特点,五、电枢电动势和电磁转矩的计算,六、直流电机的特点,七、直流电机的总结,一、直流电机的基本结构,二、直流电机的工作原理,1,、直流发电机三步驱,原动件的外力使转子做,n/min,的旋转,电机内部存在磁场,电枢导体切割磁力线，产生感应电动势,E=BLV,（右手定则,),注：导体电势为交流电势，经过换向器整流出直流电势,2,、直流电动机四步驱,电枢导体通电流,电机内部有磁场,载流转子（电枢）导体将受到电池力,F,的作用,F=BLI(,左手定则）,所有导体产生的电磁力作用于转子产生电磁转矩,三、直流电机的励磁方式,直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场,1,、他励磁：电励磁式他励永久磁铁式他励,2,、自励磁：并励串励复励（长复励、短复励）又可分为（差复励，积复励）,四、直流电机电枢绕组的构成及特点,电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。,电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。,当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网），对外供电，此时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极N.S.产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行。,五、电枢电动势和电磁转矩的计算,直流电动机基本方程,Va=E+Ra.Ia,Pe=E.Ia,注：0=0(If),是一个线性函数（电励磁）或常数（永磁）,a、对于永磁直流电动机，励磁磁通0不可控,b、对于绕组直流电动机，励磁磁通0和励磁电流If线性相关,他励 If独立可控,串励 If取决于Ia,并励 If取决于Va,复励 If取决于Ia和Va,E为反电动势，Va为电枢电压，Ra为电枢内阻，Ke为反电动势常数或转矩常数,六、直流电机的特点,直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。,直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，启动和制动转矩较大。,易于控制，可靠性较高,由于存在换向器，其制造复杂，价格较高,七、直流电机总结,一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机远行，只是约束的条件不同而已。,在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入电枢，机械能从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机；,如用原动机拖动直流电机的电枢，而电刷上不加直流电压，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机。,同一台电机既能作电动机又能作发电机运行的这种原理，在电机理论中称为可逆原理。,第二部分 直流电机控制方法,一、电阻控制法,1、电动机与电阻串联或者并联后，连接在电路上,2、应用：适用于电动机工作在额定速度的场合,3、改进：起动时平稳加速,4、缺点：a.控制电阻消耗了一部分能量，效率偏低；,b.,不能实现无级调速控制；转矩抖动,直流电机控制方法,二、直流斩波控制法,1、单象限型直流斩波器,2,、二象限型直流斩波器,3,、四象限型直流斩波器,功率开关控制策略,什么是直流斩波器？,电力电子电路的基本作用是进行电能的变换与控制，即将一定形式的输入电能变换成另外一种形式的电能输出，从而满足不同负载的要求。电能的形式可以分为交流和直流两种类型，因此根据输入、输出的不同形式，可将电力电子电路分为四大类型，即ACDC变换器、DCAC变换器、DCDC变换器、ACAC变换器。DCDC变换器有时也称为直流斩波器。,直流斩波器,是一种把一定形式的直流电压变换成负载所需的直流电压的变流装置。它通过周期性地快速开通、关断，把输入电压斩成一系列的脉冲电压，改变脉冲列的脉冲宽度或频率可以调节输出电压的平均值，因此直流斩波器的基本作用是进行直流电压的变换，即调压作用。,1、单象限型直流斩波器,适用于电动模式，能量从电源流向负载,开关,s,是一个带辅助控制电路的功率开关器件。假设开关,S,与二极管,VD,均为理想器件，若开关,S,闭合，电流,Is,从零开始逐渐增大到稳态。当开关,S,断开时，由于电枢是感性负载，负载电流通过二极管,VD,续流。,单象限直流斩波器是单向的，即电压,Va,和电流,Ia,只能取非负值。,功率开关控制策略,A锯齿波发生器：锯齿波产生周期为T、幅值为1的单位锯齿波,B比较器：将单位锯齿波输入到一个产生周期控制信号K（0=K=1）的比较器，两个信号调制之后，其输出信号用来控制开关S,C信号调制：当K大于锯齿波幅值时，比较器输出高电平，开关S闭合相应时间为ton，反之开关断开时间为toff,ton=KT=K/fs,fs为单象限型直流斩波器开关频率fs=1/T,toff=(1-K)T=(1-K)/fs,如果K恒为1时，开关S常闭;如果K恒为0，开关S常开,2、二象限型直流斩波器,适用于再生制动模式，能量从负载流向电源,在一个二象限型直流斩波器中，有两个功率开关器件和两个二极管，它们的连接情况如图所示。和分析单象限型直流斩波器类似，我们也假设这些器件是理想的。开关信号逻辑亦可采用图29所示比较器的输出信号。,当比较器输出为高电平时，开关Sl闭合，开关S2断开（时间段为A，见图211）。当比较器输出为低电平时，开关Sl断开，开关S2闭合（时间段为B，见图211)。需要指出的是，通常电子开关团合和断开需要一段时间，断开的时间要比闭合的时间长。因此，开关控制逻辑必须调整使闭合信号延迟一段时间，避免两个开关同时团合而导致电源短路。尽管延迟时间很短，但是设计中必须要考虑到，这个并不影响在分析时假设开关的断开和闭合没有延时的理想情况。,直流电动机速度控制（电枢控制）,通常，直流电动机驱动系统的速度控制大致分为,电枢控制和磁场控制,两种方法。当直流电动机的电枢电压减小时，电枢电流和电动机转矩也相应减小，电动机转速也因此减小。相反地，当电枢电压增加时，电动机转矩增加，电动机转速上升。由于电枢所允许的,最大电流是固定值,，磁场也是固定不变的,，电枢电压控制策略具有在所有速度时均可以,保持最大转矩,的优点。但是，由于电枢电压只能在额定电压值下调节，这种控制策略仅仅适用于系统工作在其基速以下的阶段。,直流电动机基本方程,Va=E+Ra.Ia,Te,=Ke.,0.,Ia,Pe=E.Ia,直流电动机速度控制（磁场控制）,另一方面，当励磁绕组电压减小，电枢电压保持不变时，电动机的感应电动势减小。由于电枢绕组的电阻比较小，电枢电流增加量会比磁场减小量大得多。因此，电动机转矩增加。因为电枢所允许的,最大电流是固定值,，所以当电枢电压保持不变时，,感应电动势在所有转速时均为恒定值,。,电动机最大功率因此为常量,，而最大转矩和转速成反比变化。,直流电动机基本方程,Va=E+Ra.Ia,Pe,=,E,.,Ia,直流驱动系统电枢和励磁联合控制,为了达到在较宽范围来调节电动汽车直流电动机驱动系统的转速，电枢控制必须和磁场控制结合起来。维持磁场为恒定值，调节电枢电压，可以控制电动汽车从静止到其基速的变化。维持电枢电压为额定值，磁场控制用于电动汽车工作在基速以上阶段。,现在一般用直流斩波器来控制电枢电压和励磁电压来达到调节速度的目的。,