电动汽车用电机的选择和控制

电动汽车用电机的选择和控制
前言：目前研制和开发的关键技术主要有电池、电动机、电动机控制、整车设计，以及能量管理技术等。

然而，制约电动汽车发展的瓶颈是电池和电机驱动控制系统。

电机驱动控制系统是提高汽车动力性、续驶里程和可靠性的保证。

其输出特性决定了电动汽车的动力特性，同时，它的效率对电动汽车效率的影响也非常大。

目前，在电池技术未取得突破的背景下，电机的选择和驱动控制策略的完善成为电动汽车技术研究的主要热点，也是提高续驶里程并使之实用化的关键，目的是提高电动汽车的驱动性能、续驶里程以及行驶方便性、可靠性等。

电机驱动子系统的研究以驱动电机的研究为中心，辅以各种新型控制技术而展开。

正文：
一．电动汽车中驱动电动机类型及选择：
1.目前，电动汽车的驱动电机主要有直流电动机、开关磁阻电动机、异步电动机、无刷直流电动机和永磁同步电动机(PMSM)等。

直流电动机、开关磁阻电动机是很早就被采用的电机，其主要特点是成本低，价格低廉，控制简单。

但是由于他们的特点不太满足当代对电动汽性能车的要求，因此已经渐渐的淡出了我们的考虑范围。

目前，主流电机主要是异步电动机，无刷直流电动机和永磁同步电动机。

2.电动汽车用电机的特点：
电动汽车驱动电机的特性曲线如图：
这条特性曲线分为两个区域：I区恒转矩区和II区恒功率区。

电机在恒转矩区运行时转矩保持恒定而功率随着转速的上升而线性增加；电机在恒功率区运行时功率保持恒定而转矩随着转速的上升而呈双曲线减小。

a.当汽车起停和加减速时，
需要克服惯性阻力，对转矩要求比较高，因此电动汽车主要运行于I区中。

b.而当汽车车速较高，汽车行驶比较平稳时，主要用来克服行驶阻力，转矩消耗比较小，因此电动汽车主要运行于II区。

为了满足电动汽车的这种特性，电动汽车驱动用电机及其控制系统的要求为：在整个运行范围内具有较高的效率；有较强的过载能力、快速的动态响应及良好的起动加速性能：调速范围宽，且低速运行时能够提供大转矩；高可靠性、高功率密度、低成本。

由此特征及供我们选择的电机的特点，我们选择永磁无刷直流电电动机作为我们的车用电机。

二．永磁无刷直流电电机及其控制系统：
永磁无刷直流电机是随着电子技术、功率半导体和高性能的磁性材料制造技术的飞速发展而出现的一种新型的直流电动机，它不仅保持了普通直流电动机的优点，而且又具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。

永磁无刷直流电电机实质上可以看作是一台用电子换向器取代机械换向的有刷直流电机。

有刷直流电机电枢绕组的导通逻辑是通过机械换向器与电刷的相互配合,使转子电枢线圈在不同磁极下的作用力保持一致，使得电机稳定运行。

在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。

要使永磁无刷直流电机的转子所受的电磁力保持一致,就必须根据每个时刻转子磁极位置来确定电枢绕组的导通逻辑,所不同的是,此时电枢绕组是安装在定子上,其本身不能旋转,要通过电子换向装置变换其导电顺序及分配导通规律。

直流无刷电动机一般由控制器、转子位置检测器和电动机本体三部分组成，控制器一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。

工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机，实现机电能量的转换。

车用永磁无刷直流电电机控制策略：
1.电压控制策略:
通常所称的调压调速特性，即属电压控制策略。

此外，采用线性的电流调节系数的电流负反馈控制系统，也属于电压控制范畴。

直流有刷电机系统和三相永磁无刷直流电机系统，在PWM 调压驱动下的机械特性为a e t R K u K T ωρ-= (a)
其中,a R —绕组相电阻; t K —转矩系数;e K —电动势系数;ω—电动机转
速;ρ为单极性PWM 控制时的占空比(设定与踏板踏位成线性关系);u 为逆变电源电压。

在限制最大输出电流的条件下，其机械特性如图1所示:
图1 PWM 调压控制下的机械特性 如果采用线性调节系数的电流负反馈控制，控制框图如图2所示。

其输出 特性为i f a e in i t K K R K V K K T +-=ω=f e in i T R K V K K ω- (b)
其中,i f a f k K R R +=踏板对应的电流控制指令。

该机械特性图示于
图2 采用线性调节系数的电流负反馈控制框图
该机械特性示由图1和图3表明，电压控制策略下的无刷直流电机系统具有线性控制特性，即对应于一定的输出转矩，输入指令和速度呈线性关系;对应于一定的速度，输入指令和输出转矩呈线性关系。

此与内燃机汽车的踏板控制比较类似，有与传统汽车类似的驾驶感觉。

图3 线性电流负反馈控制下的机械特性
此外，采用电压控制策略除了具有与内燃机车辆相一致的驱动特性，要达到驾驶者期望的车速，是通过驾驶者相应的控制反应实现的。

由式b 可得:)(ωω
e in i
f K V K J R Kt
dt d -= （c ）
这表明电压控制策略对应于车辆的加速度控制，并随着车速的提高，同一指令控制下所产生的加速度相应减小。

当in V 为阶跃输入时，转速响应为
in e i f t
e V K K t J R K K )]exp(1[--=ω (d) 即对输入指令而言，转速是一个以J R K K
f t
e 为时间常数的大惯性环节。

因此，当
车辆寸进、点动行驶时，由于大惯性环节的积分作用，对驾驶者反应速度的要求大大下降，同时，电压控制策略下，随着车速的增加，驱动能力则相应下降，符合车辆稳定性和安全性的要求。

2.转矩闭环控制策略:
转矩控制策略包括直接输入转矩(电流)指令的电流滞环控制，采用积分作用(如PI规律)的调节系数的电流控制，以及基于转矩控制的空间电压矢量控制。

相应于这类控制的电机系统的机械特性类同。

在理想电源条件下，这类机械特性为平行于转速坐标轴的直线。

对实际容量有限的电源，机械特性如图4所示。

图4 电流滞环控制下的机械特性
对于三相永磁无刷直流电机，其外廓斜线的方程为：
a e
t R K
U
K
T
ω-
=m ax
其中，
m ax
U—驱动桥臂可加的最高电压;a R—绕组相电阻;t K—转矩系
数;K—电动势系数; ω—电动机转速。

在电池组的有限电压供电条件下，电动汽车采用此控制策略，虽具有很好的加速性，但在不同的输入指令下，机械特性的下降段却近乎重合。

这样，当车辆运行处于这一区域时，对应于一定范围内输入指令的变化，车辆稳定的行驶速度却近乎相等。

这表明，控制踏板踏位与车辆运行状态的对应关系与传统内燃机汽车相异，驾驶控制的感觉将明显不同。

因此，转矩控制策略不适用于轮式电动汽车控制系统。

3.转速闭环控制策略:
转速控制策略是对电机转速输入指令与转速反馈信号的差值V
∆，进行PI或PID
规律调节的闭环控制。

以下分析表明，电动汽车在转速闭环控制下，驾驶感觉与内燃机车辆相异。

设在理想条件下，对速度输入指令为：v v V K =ω (e)
v v K dV d =ω
(f)
其中v K 为转速调节系数；v V 为控制踏板所对应的速度指令。

由于在实际的转速闭环控制设计中，为保证输出转速快速跟踪转速输入指令，通过系统校正，大惯性环节被零、极点对消，因此在电机正常工作区域内，转速调节对输入指令而言为小惯性环节。

此时，如在狭小的转速变动范围内行驶或实现寸进、点动运行时，就要求驾驶者实现气在零值附近的微小调节。

然而，受驾驶者反应速度和现有操作方式的限制，事实上，速度闭环控制难以完成期望的运动。

参考资料：
《电机与控制》 温照方 北京理工大学出版社
《电机技术与应用》 孙忠献 福建科学技术出版社
《电机学》 辜承林 华中科技大学出版社
《电动汽车用电机控制器的设计方法与实践》 徐性逸博士
《电动汽车用电机控制策略分析》 百度文库
《电动汽车驱动电机选配方法》 百度文库。