电动车异步电机驱动技术的应用和发展

吴峻　1973年11月生,

1994年6月、1997年3

月于国防科技大学机电工程系机械电子工程专业分别获学士、硕士学位,现为该专业博士研究生。研究方向为大功率电机驱动技术及电动车控制器。

控制与保护

电动车异步电机驱动技术的应用和发展

国防科技大学(长沙,410073)　吴　峻　李圣怡　潘孟春

摘要　本文讨论了电动车异步电机驱动技术的应用和发展,提出了需解决的几个方面问题。

叙词　交流　驱动　异步电动机

Appl ica tion s and D evelopm en ts of

A synchronous M otor D r ives to

Electr ic Veh icles

N ati onal U n iversity of D efen se T echno logy

W u Jun ,L i Shengy i ,Pan M engchun

Abstract :T he p ap er discu sses the developm en t and app licati on of

asynch ronou s m o to r drives to electric veh icles

.It also p u ts up several p rob lem s that shou ld be reso lved .

Key words :A .C .　D rive A synch ronou s m o to r 电动车由于能够实现零排放,所以能有效地避免空气污染,同时它直接利用电能驱动,摆脱了对石油的依赖,与燃油车相比,它具有明显的优点,是人类今后大力发展的主流交通工具。

早期的电动车由于功率器件和计算机技术发展有限,大多采用直流驱动,80年代以来因为电力电子技术、计算机技术以及控制理论的发展,交流驱动的电动车已经成为主流。与直流驱动相比,交流驱动具有功率密度大、易维护、效率高等明显优点,而在不同种类的交流电机中,异步电机具有价格低、维护简单、结构体积小等优点,所以异步电机成为了目前大多数交流驱动的电动车的首选[1][2][3]。

1　控制方法

异步电机是一强耦合的非线性模型,在控制方法上主要是在基于空间矢量的概念下的磁场定向的矢量控制、直接转矩控制、空间电压矢量PWM

等三方面之间展开的,它们的共同点就是力求实现

转矩、励磁控制量解耦,使交流电机的输出控制特性接近或达到直流电机的水平。磁场定向的矢量变换控制(FO C )发展得较早,1971年就由德国F 1B laschke

[4]

提出,技术发展较为成熟,目前许多

交流驱动产品上都采用此技术[5],但是它仍存在着缺点:繁复的坐标变换、复杂的计算、电机参数的依赖性大,不能实现完全的参数解耦;直接转矩控制技术(D TC )由德国M .D ep enb rock 和日本I .

T akahash i 以及ABB 公司等的完善与发展,在80

年代后期、90年代初期开始兴起,它直接抓住电机输出特性,直接控制输出转矩,控制思路新颖、简洁明了,克服了矢量变换控制的复杂运算缺点,是研究的热点;基于空间矢量的概念,近年来又发展的空间电压矢量PWM 技术(SV PWM ),考虑利用电压矢量合成期望电压矢量值去控制电机,结构简单、特别适合数字化实现,开关频率低、效率高,与常规的SPWM 比较,在减少电机电流谐波损耗、提

03 电动车异步电机驱动技术的应用和发展《中小型电机》2001,28(1)

高母线电压利用率上具有明显的优势。

因为FO C发展得比较早,相对比较成熟,所以在目前的大多数电动车异步电机驱动系统中,大多采用此类方法[3]。因为D SP器件、功率器件的发展,SV PWM比较适宜数字化实现,提高DC2 L I N K的电压效率,FO C底层的PWM方式已经由原先的SPWM方式替换为SV PWM方式。因为车辆的输入指令是转矩,而且要求车辆的动态特性好,所以D TC技术也逐渐被考虑应用到电动车的驱动中,以发挥D TC的优越性。

2　低速特性

低速特性最后归结到的是低速条件下的磁链观测,除了死区效应的影响,研究认为低速时定子电阻对磁链的估计影响明显,电机参数的时变恶化了磁链的观测效果。为此人们采用了不同的方法改善,比如定时调整转子定子电阻来调整定子磁链的观测值;应用在线的模糊观测器,根据定子电流、同步转速观测定子电阻的变化,改善D TC低速性能;针对低速时定子线圈电阻随温度的变化量造成控制特性变差提出应用P I调节和模糊控制的策略根据定子电流的变化估计电阻的变化,改善控制特性;建立转子时间常数与功率因数之间的关系,采用自适应控制方法解决转子时间常数的辨识。

异步电机低速下良好的控制特性比较难以实现,主要原因是低速下定转子的磁链观测误差比较大,电机参数时变性对控制影响更大。同普通交流驱动要求相比,电动车交流异步电机驱动的低速特性要求更高,电动车的转动惯量比较大,要求启动时间短,而且要求对应不同的路况都能够表现良好的动态特性,需要异步电机能够在低速下输出稳定的大转矩。

应用到电动车的一些研究有采用滑模方法实现解耦控制,解决低速稳定性问题的;有设计专门的低速混合磁链模型,调整定子电阻,解决了低速下恒定大转矩输出的问题。从目前异步电机在电动车的应用情况来看,低速特性问题还没有很好解决,是阻碍其应用发展的主要矛盾。

3　效率

电动车携带的电池能量有限,提高电机的运行效率对延长车辆的一次充电续驶里程有明显的意义。提高运行效率可以分为两个方面,一个是电动车处于牵引驱动的状态时,由于异步电机在额定负载、额定转速区域的运行效率是最高的,但是在实际中,电机往往出现小负载低速运行状况,此时大量能量消耗在铜损和铁损上,因此处于牵引状态的电机有一个最大效率控制的问题,通过建立损耗与控制量的关系,利用最优化理论,得出实现最大效率的控制律,能够实现牵引电机在最大效率的工作方式下工作,在现有的一些电动车矢量控制驱动控制系统中已经采用了最大效率控制方法,实验表明能够有效提高运行里程。另外一个方面是电机处于制动状态时,因为电机在一定的工作条件下进入第二象限运行,此时电机能够将机械能反馈回主回路转化为电能,这样能够提高电机的能量利用率,延长电动车的一次充电续驶里程,在FO C方式下的电动车交流驱动系统中已经有控制实现再生制动的研究。由于D TC发展的比较晚,应用到电动车驱动的研究正在进行,所以电动车D TC方式驱动下的最大效率控制和再生制动的研究也正在进行。

4　其他

噪音和开关损耗问题,电动车用异步电机最高速都要达到上万转,电机的电感相对比较小,使电机能够提供足够的电流以及快速的响应,同时满足感生电动势的要求。因为电感本身太小,容易引起足够大的电流尖峰,带来大量的开关损耗和噪音。电动车交流驱动系统高速运行下的噪音和开关损耗,一方面影响了用户的使用,同时也在很大程度上降低了能量的利用率,因此需要对它进行抑制,对功率开关器件开关频率进行控制,需要将逆变桥的开关状态与控制量形成数学关系来进行分析。

最大输出转矩问题。这是电动车对其交流驱动系统的一个特殊的要求,它是指当电池电压不足时,要求电机能够以最大输出转矩的方式使车辆驶回充电站,在电池容量不足和车辆不同的运行路况下,实现电机低速大转矩的输出,因为异步电机本身的低速控制特性比较难实现,所以这方面的问题还需要独立地进行研究。

5　结束语

异步电机因为价格低、维护简单、结构体积小等优点,所以它在电动车领域中被广泛采用。因为FO C方式下的矢量控制发展得比较成熟,所以现有的电动车异步电机驱动控制大多采用该种方式,同时异步电机的低速特性控制一直是一个难点,电动车异步电机驱动控制同样也面临这一问题,除此

13

《中小型电机》2001,28(1)电动车异步电机驱动技术的应用和发展