电机调速控制技术发展现状及对比分析

电机调速控制技术发展现状及对比分析

目录

1不同电动机调速系统发展及对比 (2)

1.1 异步电机驱动系统 (2)

1.2无刷永磁同步电机驱动系统 (3)

1.3 新一代电机驱动系统 (4)

1.4 不同电机调速系统性能对比 (6)

2 永磁同步电机控制策略的发展现状 (7)

2.1 交流电机调速原理 (7)

2.2 电机调速方式 (8)

3 DTC技术的发展现状 (20)

电机调速控制是电机技术、电力电子技术、传感器技术、微电子技术、自动控制技术等多学科的交叉应用技术。这些学科的发展促进了运动控制技术的发展。其构成结构如图1所示。近十年来，主要发展交流异步电机和无刷永磁电机系统。与原有的直流牵引电机系统相比，具有明显优势，其突出优点是体积小，质量轻（其比质量为

0.5-1.0kg/Kw）、效率高、基本免维护、调速范围广。其研究开发现状和发展趋势如下。

图1.电机运动控制构成要素结构图

1不同电动机调速系统发展及对比

1.1 异步电机驱动系统

异步电机其特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，低转矩脉动，低噪声，不需要位置传感器，转速极限高。异步电机矢

量控制调速技术比较成熟，使得异步电机驱动系统具有明显的优势，因此被较早应用于电动汽车的驱动系统，目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品（尤其在美国），但已被其它新型无刷永磁牵引电机驱动系统逐步取代。

最大缺点是驱动电路复杂，成本高；相对永磁电机而言，异步电机效率和功率密度偏低。

1.2无刷永磁同步电机驱动系统

无刷永磁同步电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场

结构，由于具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围，发展前景十分广阔，在电动车辆牵引电机中是强有力的竞争者，已在国内外多种电动车辆中获得应用。

1)、内置式永磁同步电机

内置式永磁同步电机也称为混合式永磁磁阻电机。该电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩，磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁调速，扩大恒功率范围运行。内置式永磁同步电机驱动系统的设计理论正在不断完善和继续深入，该机结构灵活，设计自由度大，有望得到高性能，适合用作电动汽车高效、高密度、宽调速牵引驱动。这些引起了各大汽车公司同行们的关注，特别是获得了日本汽车公司同行的青睐。当前，美国汽车公司同行在新车型设计中主要采用内置式永磁同步电机。

2)、表面凸出式永磁同步电机

表面凸出式永磁同步电机也称为永磁转矩电机，相对内置式永磁同步电机而言，其弱磁调速范围小，功率密度低。该结构电机动态响应快，并可望得到低转矩脉动，适合用作汽车的电子伺服驱动，如汽车电子动力方向盘的伺服电机。

3)、无位置传感器永磁同步电机

无位置传感器永磁同步电机驱动系统也是当前永磁同步电机驱动系统研究的一个热点，将成为永磁同步电机驱动系统的发展趋势之一，具有潜在的竞争优势。

1.3 新一代电机驱动系统

从20世纪80年代开关磁阻电机驱动系统问世后，打破了传统的电机设计理论和正弦波电压源供电方式；并随着磁阻电机，永磁电机、电力电子技术和计算机技术的发展，交流电机驱动系统设计进入一个新的黄金时代；新的电机拓朴结构与控制方式层出不究，推出了新一代机电一体化电机驱动系统迅猛发展。高密度、高效率、轻量化、低成本、宽调速牵引电机驱动系统已成为各国研究和开发的主要热点之一。

1)、SRD开关磁阻电机驱动系统

SRD开关磁阻电机驱动系统的主要特点是电机结构紧凑牢固，适

合于高速运行，并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制。这些特点使SRD开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行，是电动车辆中极具有潜力的机种。SRD的最大特点是转矩脉动大，噪声大；此外，相对永磁电机而言，功率密度和效率偏低；比同功率的感应电机体积也要大；另一个缺点是要使用位置传感器，增加了结构复杂性，降低了可靠性。因此无传感器的SRD也是未来的发展趋势之一。

2)、永磁式开关磁阻电机

永磁式开关磁阻电机也称为双凸极永磁电机，永磁式开关磁阻电机可采用圆柱形径向磁场结构、盘式轴向磁场结构和环形横向磁场结构。该电机在磁阻转矩的基础上迭加了永磁转矩，永磁转矩的存在有助于提高电机的功率密度和减小转矩脉动，以利于它在电动车辆驱动系统中应用。

3)、转子磁极分割型混合励磁

转子磁极分割型混合励磁结构同步电机这一概念一提出就引起

国际电工界和各大汽车公司研发中心的极大关注。转子磁极分割型混合励磁结构同步电机具有磁场控制能力，类似直流电机的低速助磁控制和高速弱磁控制，符合电动车辆牵引电机低速大力矩和恒功率宽调速的需求。目前该电机的研究处于探索阶段，电机的机理和设计理论有待于进一步深入研究与完善，作为假选的电动车辆牵引电机具有较

强的潜在的竞争优势。

此外，正在研发的热点课题还有：具有磁场控制能力的永磁同步电机驱动系统；车轮电机驱动系统；动力传动一体化部件（电机、减速齿轮、传动轴）；双馈电异步电机驱动系统和双馈电永磁同步电机驱动系统。

1.4 不同电机调速系统性能对比

现对这几类电动机所组成的驱动系统总体进行比较如表1所示。

表1.各电机调速系统性能比较

通过上述分析以及翻阅大量资料显示：永磁电动机驱动系统以转速更高（已研制出转速达50000r/min、功率达1.5kW的无刷电动机）、效率更高、用磁更省、可以实现转子轻小紧凑、低成本化设计而成为研究与应用的热点。但永磁电动机也有制成后难以调节磁场以控制功率因素和无功功率的缺点，这将成为今后的研究方向。

2 永磁同步电机控制策略的发展现状

随着现代电力电子技术、交流变频调速技术的飞速发展和现代控制理论、高速微处理器的普及应用，交流调速电气传动系统的应用越来越广泛。目前国际上先进的电动汽车驱动系统多采用矢量控制和直接转矩控制（DTC），特别是直接转矩控制技术以其简单高效吸引广大学者，因此在现代交流电气传动系统中占有越来越重要的地位。2.1 交流电机调速原理

过去交流电动调速不如直流电动机，而且调速方法比较复杂，但是近年来交流调速技术得到了迅速发展和广泛应用。

电动机转速有如下公式：