电动汽车驱动控制原理

3/2变换
r 转速
检测
r
r
T
i m1
转矩计算
转子磁链准确定向方法
控制框图
ia,b,c ua,b,c n
转子 磁链 观测
R
坐标 变换
+ -
-
id * + iq * + u* + -
id
PI
Ud* Uq*
坐标 变换
ua,b,c
iq
PI PI
u
异步电机直接转矩控制
控制原理： 通过检测电机定子电压、电流，借助瞬时空间 矢量理论来计算电机的磁链和转矩。
三相无刷直流电机的无载电势
eA
1
eB
3
eC
5
t
0
6
2
4
6
无刷直流电机工作原理
有6个定子空间磁势。 根据转子位置传感器检 测到的转子位置和要求 转向来决定产生哪一个 磁势。 产生的平均转矩最大。 F BC
iC C
FAC iA FBA X A FCA
F0
S N Y FAB
FCB iB
Z
良
控制器成本 坚固性
信赖性
永磁同步电机与异步电机的特性比较
永磁同步电机 适性容量 数十W～数十kW
异步电机 数百W以上
尺寸、重量
结构 环境适应性 维护 生产性
小
相当简单 相当好 有点必要 好
☆
◎ ◎ △ △
中～小
非常简单 非常好 不要 非常好
◎
☆ ☆ ☆ ◎
位置传感器
速度传感器
要
不要
△
◎
不要
要
◎
△
d / dt 0
2
所以
I
0

2
L M I 1M
矢量控制思路 转矩
T pI
2T


2
2
L M I 1M
L M I 2T I 1T L
2
控制如何实现？

2
和
和
I
I
2T
I
1M
1T
I1
其中
I
2 1M
I 1T
2 2
2
和 ( S)dt r
开关磁阻电 机 < 90
最大效率（％） 85～89
效率（10％负载） 80～87
90～92
79～85
78～86
最高转速（rpm) 4000~6000 4000~10000 9000~15000 15000
电机费用/kW($)
10 1 良
普通
10~15 2.5 良
良
8~12 3.5 优
优
6~10 4.5 良
异步电机及其控制系统
1. 异步电机变频调速原理
转子绕组中的电压、电流靠感应产生。 正常运行时，电机转速接近旋转磁场转速。
n
n
01
A
n
02

B
n
T
0
60 f p
0
n n0 (1 s)
不同频率下的异步电机机械特性
变频调速的主要控制方法
基于稳态的控制
变压变频控制（Variable Voltage Variable Frequency) 简称VVVF控制； 脉宽调节控制（Pulse Width Modulation) 简称PWM控制。 1. SPWM; 2. 电压空间矢量PWM； 3. 优化PWM; 4. 随机PWM; 5.
交流 电机
(自控式）
无刷直流电机
转子励磁 转子绕线式
2. 异步电机（感应电机） 转子笼型
电机特性比较
要求异步电机的输出特性：
1、低速大扭矩；
2、高速大功率。
T f ( n)
P T
恒转矩区
P f (n)
恒功率区 降功区 0
n
电机 性能
直流电机
永磁同步电 异步电机 机 95～97 94～95
B
定子磁势拉转子磁势旋转，为了使平均转矩最大。 两者的平均空间电角度为900。
S
N
F0
60o
FAC
n
60o
FAB
无刷直流电机控制框图
I REF ia ib ic ia ib ∑
+
IF
PI
PWM
+A ÷2 PS 逻 辑 变 换 +B +C
-A
-B -C
ic
三相反馈电流
Position Sensor
PWM PWM
ωr
ωr
ic
驱 动 信 号 产 生
a -a b -b c -c
函数发生器
三角波
异步电机矢量控制
矢量控制原理 经3/2变化、旋转变换后，异步电机变成了直流电机模型。 将M-T坐标的M轴定在异步电机转子磁链的方向上，可得 到最简单的方程形式。
T
I2T ψ + + I2M + + I1M I1T
给定的磁链和转矩分别与计算值比较，对差值
进行滞环调节（也称砰砰控制）。 再根据定子磁链的空间位置、磁链与转矩的调 节结果，来确定逆变器的开关信号。
直接转矩控制的优缺点
优点：
1. 电机模型在定子坐标系下，只需3/2变换。 2. 观测的是定子磁链，受电机参数影响小。
3. 强调对转矩的直接控制，所以转矩响应迅速。
5. 优良的环境适应性和环保性；
6. 高可靠性；
7. 有竞争力的价格。
电控原理
电动汽车电机控制系统的主要类型
直流电机控制系统（内容略）； 无刷直流电机控制系统；
异步电机控制系统；
开关磁阻电机控制系统（内容略）。
电机特性比较
交流电机的主要类型 永磁同步电机 转子永磁 1. 同步电机
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高性能的控制方法
转子磁场定向矢量控制（等效直流电机控制） （20世纪70年代，由德国西门子公司的F.Blaschke提出。） 1. 直接矢量控制； 2. 间接矢量控制。 直接转矩控制 直接对转矩和磁链闭环控制。 （1985年德国学者 M.Depenbrock 首次提出。）
异步电机滑差频率控制框图
动力总成研究报告
第二部分：
电控原理及电机特性
拟制：朱堂群
主要内容
一、电控原理 二、电机特性比较
三、控制器控制方式
电控原理图
动力 电池
～
充 电 器
控 制 器
电机
主减速器
齿轮箱
电控原理之示意图
电控原理
电动汽车对电机控制系统的要求
1、优良的转矩控制性能； 2、宽广的调速范围； 3、宽范围的高效率运行区域； 4、高功率密度；

S
R I L I
1T 1M
最终控制定子磁场的幅值与空间位置来实现。
异步电机直接矢量控制框图
电容 蓄电池
三相 逆变器
IM
驱动电路
* Va
Is
磁链观测 算法
PG
给定 转矩和磁链 设定算法
* r i
* t1
V
*
r 控制算法 (PI,空间电压 矢量计算等)
i m1 i t1
Is i t1
2
ω
1
F1 I1 M I2T β F0 I1M F2 I1T
ψ2
(a ) 直流电机 模型
(b )电流、磁势向量图
等效直流机模型的方程
转子磁链方程
I L I L
2M 2 1M
M


2
I L I L
2T 2 1T
M
0
转子电压方程
RI
2
2M
d

2
/ dt 0
RI
2
2T


S
2M
2
0
稳态时
三相交流电机功率变换器主电路构成
+ +A +B +C
A
Ud
C -A -B -C
B C
功率变换器主电路
交流电机电枢绕组
无刷直流电机控制系统
1. 系统构成
三相功率 变换器
转子位置 传感器
控制电路 控制器
无刷直流电机
2.无刷直流电机与永磁同步电机差别
B0(e0) 永磁同步电机
0
无刷直流电机
2π
ωt
一对极下不同的气隙磁密分布图
基本原理：在机械特性的线性段，电磁转矩 正比于滑差频率。
ω r*
+
PI
ω s*
I1 =f ( ω s)
I1*
ia*+
PI
PWM
乘 * ia ib cosω1t + * 法 ωs + ω1 o) 器 cos(ω t -120 1 FG ib o * + cos(ω ) ic + 1t -240
PI PI
缺点： 1. 低速时的转矩脉动。
2. 由于没有电流闭环，容易产生过流。
开关磁阻电机及其控制系统的优缺点
主要优点： 1. 电机结构简单，制造容易。 2. 控制相对简单。 3. 控制器主电路不会出现直通现象。
缺点：
1. 起动时的噪声脉动转矩较大。 2. 需要转子位置传感器。
欢迎批评指导！！
输出6路驱动信号
电动状态： 转子位置传感器状态： +A、－B相导通。 ＋A管导通，－B管PWM。 －B管导通时电流上升， －B管关断时电流下降。
+
+A C -A
+B
+C
Ud
-B
-C
电流产生拖动转矩
回馈状态：
+
+A C -A
+B
+C
转子位置传感器状态： +A、－B相导通。
+A管、－B管均关断， ＋B管子PWM。
Ud
-B
-C
电流产生制动转矩
无刷直流电机的电动、 回馈制动控制逻辑控制
+
+a -a +b -b +c -c
+A -A
PS
转子位置 传感器
逻 辑 变 换
+
+B -B
+
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+C
-C
PWM 输入
电动 “1” 回馈制动 “0”
驱动信号 输出
无刷直流电机及其控制系统的优缺点
优点： 1. 具有直流电机的控制特性。 2. 控制相对简单。 3. 电机效率高，体积小。 缺点： 1. 由于永磁材料贵，电机价格较贵。 2. 过热容易导致永久性失磁。 3. 弱磁运行较困难。 4. 需要转子位置传感器。