第6章 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制《新能源汽車整車控制技術(shù)》教學(xué)課件

6.1電動(dòng)機(jī)及其控制6.2直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)6.3交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)6.4永磁同步電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)6.5開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)第6章

驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制

新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制技術(shù)主要包括：直流電機(jī)及控制技術(shù)、直流無刷電機(jī)及控制技術(shù)、交流異步電機(jī)及控制技術(shù)和永磁同步電機(jī)及控制技術(shù)。電動(dòng)汽車運(yùn)行過程中遇到各種工況，比如頻繁啟動(dòng)，低速平穩(wěn)運(yùn)行，高速高效率運(yùn)行，制動(dòng)能量回收等，而且運(yùn)行環(huán)境苛刻，這樣對電機(jī)的要求很高，驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力來源，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制至關(guān)重要。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制器體現(xiàn)了多功能的集合，不僅可以完成電機(jī)基本性能，比如轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和位置控制等；還可以接收上位機(jī)給的命令獨(dú)立完成轉(zhuǎn)動(dòng)任務(wù)，比如按照指定的轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡運(yùn)行；實(shí)時(shí)的向上位機(jī)反饋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，比如電壓、電流、力矩、轉(zhuǎn)速、溫度、振動(dòng)等信息；還具有一定的故障診斷和排除的能力，比如當(dāng)過溫、過流和過壓等情況發(fā)生事，可以自行采取相應(yīng)措施進(jìn)行排除等6.1驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及其控制

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是新能源汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，電動(dòng)機(jī)的特性與發(fā)動(dòng)機(jī)有著很大的不同。而不同種類的電動(dòng)機(jī)之間，同種電動(dòng)機(jī)采用不同的控制方法，其輸出特性也有著較大的差異。新能源汽車上使用的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)種類主要為直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(異步電動(dòng)機(jī))、永磁同步電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等。6.2直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

6.2.1直流電動(dòng)機(jī)的工作原理與分類上下是兩個(gè)固定的磁鐵，上面為N極，下面是S極。在兩極之間安裝一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱體稱為電樞。電樞表面的槽里安裝著兩段導(dǎo)體ab和cd，兩段導(dǎo)體的一端(b端與c端)相互連接成一個(gè)線圈，稱之為電樞繞組。電樞繞組的兩端(a端與b端)分別與一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的半圓形導(dǎo)體相互連接，兩個(gè)半圓形導(dǎo)體稱為換向片，兩個(gè)換向片相互絕緣，與電樞繞組同軸旋轉(zhuǎn)。換向器上面壓緊兩個(gè)固定不動(dòng)的電刷A、B，它們分別連接一個(gè)直流電源的正極和負(fù)極。直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組的供電方式稱為勵(lì)磁方式，按照直流電動(dòng)機(jī)勱磁方式不同，直流電動(dòng)機(jī)又可劃分為他勵(lì)式和自勵(lì)式兩種。他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流由其他的獨(dú)立直流電源供給，勵(lì)磁繞組與電樞繞組在電路上互相獨(dú)立.圖6-2直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式(a)他勵(lì)；(b)并勵(lì)；(c)串勵(lì)；(d)復(fù)勵(lì)6.2.2直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)方程與特性分析為了對電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行分析，可以通過建模的方法把電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的電氣關(guān)系進(jìn)行電路等效。直流電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)(穩(wěn)態(tài)運(yùn)行指電動(dòng)機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速不再發(fā)生變化).直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行等效電路他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性6.2.3直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法

由直流電動(dòng)機(jī)的自然機(jī)械特性曲線可知，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩存在著單值關(guān)系，而電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩是由負(fù)載轉(zhuǎn)矩所決定的，故直流電動(dòng)機(jī)工作在自然機(jī)械特性時(shí)的轉(zhuǎn)速是無法控制的。降低電樞電壓時(shí)的機(jī)械特性如果直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓不變，改變電動(dòng)機(jī)的磁通，也可以改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。由于電動(dòng)機(jī)的磁通不能超過其磁路飽和狀態(tài)時(shí)的磁通，故只能減小磁通進(jìn)行調(diào)速，他勵(lì)直流電動(dòng)?xùn)i弱磁調(diào)速機(jī)械特性恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速與恒功率調(diào)速的配合方式。在基速以下時(shí)，采用降低電源電壓的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，這時(shí)勵(lì)磁磁通為額定狀態(tài)；基速以上時(shí)采用降低磁場磁通的恒功率調(diào)速方式，這時(shí)電樞電壓為額定值。需要指出的是，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式與恒功率調(diào)速方式，都是用來表征電動(dòng)機(jī)采取某種調(diào)速方式時(shí)帶負(fù)載的能力，并不是指電動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸出。在電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩的大小取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小。6.2.4直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制控制

當(dāng)需要對電動(dòng)機(jī)的電樞電壓大小進(jìn)行控制時(shí)，脈寬調(diào)制(Pulsewidthmodulation，PWM)控制方法已經(jīng)成為主流控制方法。新能源汽車的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通常需要進(jìn)行四象限運(yùn)行，通過采取如圖6-11所示的H橋電路即可實(shí)現(xiàn)對直流電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行控制及制動(dòng)方式的控制。其中V1~Ⅴ4為開關(guān)管，D1~D4為續(xù)流二極管。(1)電動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)V1、V4導(dǎo)通，V2、V3關(guān)斷時(shí)，電動(dòng)機(jī)電樞繞組通過正向電流，電動(dòng)機(jī)工作在正向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。(2)電動(dòng)續(xù)流狀態(tài)。當(dāng)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，若V1的PWM信號變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，V1管將關(guān)斷，Ⅴ4繼續(xù)導(dǎo)通。此時(shí)電動(dòng)機(jī)電樞的電壓為零，由于電樞繞組存在感性，其電流不能突變，電樞繞組的自感電動(dòng)勢將克服反電動(dòng)勢Ea通過V4與D2進(jìn)行續(xù)流，電動(dòng)機(jī)消耗存儲在電感中的能量進(jìn)入電動(dòng)續(xù)流狀態(tài)，此時(shí)電流將持續(xù)衰減。(3)能耗制動(dòng)狀態(tài)。如果電動(dòng)機(jī)續(xù)流結(jié)束時(shí)，將V2管打開，V4管關(guān)斷，此時(shí)因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)繼續(xù)正向旋轉(zhuǎn)，反電動(dòng)勢Ea方向不變，電動(dòng)機(jī)在反電動(dòng)勢的作用下將通過V2、D4產(chǎn)生一個(gè)反向的電流，電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于工作在能耗制動(dòng)的狀態(tài)。(4)再生制動(dòng)狀態(tài)。在能耗制動(dòng)時(shí)，如果使Ⅴ2關(guān)斷，電流失去續(xù)流通路將會(huì)迅速減小，電流的減小會(huì)感生出與電源電動(dòng)勢方向相反的感生電動(dòng)勢，通過二極管D1、D4對電源饋電，實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。6.2.5直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速控制

如果想對電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行精確的控制，那么必須能夠?qū)﹄妱?dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。因?yàn)樽饔迷陔妱?dòng)機(jī)上的合轉(zhuǎn)矩為電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩之差，而轉(zhuǎn)速為轉(zhuǎn)矩的積分，位置為速度的積分，只要控制了電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，就可以控制電動(dòng)機(jī)的速度或是位置，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性的控制。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩在主磁極勱磁磁通保持恒定的情況下與電樞電流呈線性關(guān)系，通過對電樞電流閉環(huán)控制就可以實(shí)現(xiàn)快速而準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)矩控制6.3交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

6.3.1交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作原理交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子主要由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座3部分組成。定子鐵芯為主磁路的一部分，由硅鋼片疊壓而成，在其內(nèi)圓周上沖滿槽，槽內(nèi)安放三相對稱繞組，三相繞組常按星形方式連接。轉(zhuǎn)子是由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組和軸承組成。轉(zhuǎn)子鐵芯也是主磁路的一部分，也由硅鋼片疊壓而成。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的額定值也有額定功率PN(kW)、額定電壓UN(V)、額定電流IN(A)、額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)和額定頻率(Hz)等參數(shù)。其中額定功率指電動(dòng)機(jī)的輸出功率，額定電壓、額定電流是指額定運(yùn)行時(shí)定子的線電壓和線電流額定轉(zhuǎn)速指額定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，額定頻率指通入定子三相交流電的頻率。6.3.2交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的特性分析

A點(diǎn)為同步運(yùn)行點(diǎn)，該點(diǎn)T=0，n=n1，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。B點(diǎn)為額定運(yùn)行點(diǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)為額定運(yùn)行狀態(tài)。C點(diǎn)為最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，該點(diǎn)時(shí)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值。此時(shí)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率sm為額定轉(zhuǎn)差率。在0<s<sm時(shí)，轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的增加而減??；s>sm時(shí)，轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的減小而減小，如果電動(dòng)機(jī)在此區(qū)域內(nèi)工作，那么負(fù)載稍有擾動(dòng)，就會(huì)造成電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的不穩(wěn)定，故電動(dòng)機(jī)只能工作在區(qū)域0<s<sm區(qū)域內(nèi)。D點(diǎn)為起動(dòng)點(diǎn)，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩?？芍擖c(diǎn)的轉(zhuǎn)矩小于電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，這不符合汽車低速大轉(zhuǎn)矩的要求。6.3.3交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的矢量控制

矢量控制思想可得出交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由測得的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子三相電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，通過磁通觀測器(內(nèi)含坐標(biāo)變換)得出定子電流，再得M-T坐標(biāo)系下的分量im，iT，轉(zhuǎn)子磁通ψ

和ψ

與α軸的夾角θ。給定轉(zhuǎn)速和反饋的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器后得出給定轉(zhuǎn)矩Te*，由Te*和ψ

計(jì)算出給定的定子T軸電流iT*，它和反饋的iT進(jìn)行閉環(huán)控制。磁鏈發(fā)生器給岀轉(zhuǎn)子磁鏈的額定值，和反饋的ψ

閉環(huán)后得岀給定的定子M軸電流，i和反饋的i進(jìn)行閉環(huán)控制。由電流調(diào)節(jié)器輸出的M-T軸定子給定電流，通過定子電壓解耦得出給定的M-T軸定子給定電壓uM*、uT*。在通過旋轉(zhuǎn)變換和2/3(二相/三相)變換得出三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)-B-C下定子電壓的期望值uA*、uB*、uC*。根據(jù)定子電壓的期望值，控制逆變器向交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行輸電。圖中的四種調(diào)節(jié)器多為PI控制器。6.4永磁同步電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

6.4.1永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)電路三部分組成。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路可分為半橋式和全橋式兩種。每種方式又分為星形連接和三角形連接兩種。3.永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的PWM控制

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理與有刷直流電動(dòng)機(jī)不同，但其機(jī)械特性曲線和有刷直流電動(dòng)機(jī)非常相似，也可以采用PWM控制方法對其進(jìn)行調(diào)壓控制當(dāng)三相全橋驅(qū)動(dòng)星形連接的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)采用二二導(dǎo)通方式時(shí)，每個(gè)時(shí)刻有兩只開關(guān)管導(dǎo)通，并且一只在上橋臂，一只在下橋臂，其控制方式分為以下5種：(1)PWMON方式：每只開關(guān)管導(dǎo)通的120

電角度區(qū)間內(nèi)，前60°進(jìn)行PWM控制，后60

保持常開。(2)ONPWM方式：每只開關(guān)管導(dǎo)通的120°電角度區(qū)間內(nèi)，前60°保持常開，后60°進(jìn)行PWM控制。(3)H_PWM-LON方式：任一導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，上橋開關(guān)管始終進(jìn)行PWM控制，下橋開關(guān)管保持常開。(4)L_PWM-HN方式：任一導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，下橋開關(guān)管始終進(jìn)行PWM控制，上橋開關(guān)管保持常開。(5)H_PWM-LPWM方式：任一導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，上橋開關(guān)管和下橋開關(guān)管始終進(jìn)行PWM控制。6.4.2.永磁同步電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

永磁同步電動(dòng)機(jī)(PermanentMagnetSynchronousMotor，PMSM)由于其效率高、控制精度高、轉(zhuǎn)矩密度大等特點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用為新能源汽車的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。1.永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理永磁同步電動(dòng)機(jī)也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子由鐵芯、電樞繞組機(jī)座、端蓋等幾部分組成，鐵芯由硅鋼片疊制而成，電樞繞組也為三相對稱繞組，其結(jié)構(gòu)與交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子結(jié)構(gòu)基本相同。轉(zhuǎn)子為永久磁體，多采用稀土材料制作而成。2.永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制

通過光電編碼器或分解器檢測出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置θ

，由電流傳感器檢測出定子三相電流(由于電動(dòng)機(jī)沒有零序電流，實(shí)際檢測兩項(xiàng)就夠了)。通過Clarke變換和Park變換求出id、iq，電動(dòng)機(jī)的當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)矩T。電動(dòng)機(jī)期望轉(zhuǎn)速

*與反饋回來的電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速

比較做差后，通過轉(zhuǎn)速控制器輸出電動(dòng)機(jī)現(xiàn)在的期望轉(zhuǎn)矩T*。T*與T比較做差后，通過轉(zhuǎn)矩控制器輸出電動(dòng)機(jī)的期望q軸電流iq*。令電動(dòng)機(jī)id*=0，通過坐標(biāo)逆變換得到定子的三相電流期望值iA、iB、iC。由求得的iA、iB、iC控制電流型逆變器向電動(dòng)機(jī)三相繞組通電，由此，可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的控制。6.5開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

6.5.1開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和功率變換器以及控制器組成。定子、轉(zhuǎn)子都為硅鋼片疊壓而成，均為凸極結(jié)構(gòu)，在定子上纏繞著集中繞組，轉(zhuǎn)子上沒有繞組，裝有位置傳感器。徑向相對的兩個(gè)繞組串聯(lián)形成一對磁極，稱為“一相”。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)可以設(shè)計(jì)成多種不同的相數(shù)結(jié)構(gòu)，且定轉(zhuǎn)子的極數(shù)有多種不同的搭配。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的工作原理開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的功率變換器6.5.2開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制

開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制參數(shù)較多，如開通角θon、關(guān)斷角θoff、相平均電壓、斬波占空比等，但實(shí)質(zhì)都是通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的控制。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)主要有三種基本的控