电动汽车驱动控制原理.共32页
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• 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
(自控式）
1. 同步电机
无刷直流电机
转子励磁
交流
电机
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。
• 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
ωr
PI
ω
* s
I1=f (ω s) I1*
ia*+
PI
ω s*+
+
ω1
FG
cosω1t cos(ω1t -120o)
cos(ω1t -240o)
乘
法
i
*
b+
器
ic*+
ia ib
ωr
PI PI
ic
PWM
a
驱
动 -a
PWM 信 b
号 -b
L I
2
M 1M
L I L I 2T
M 1T
2
控制如何实现？
I 和 2
2T
I I 1 M 和
1T
I I I (
2 2 和
1
1M
1T
)dt
• 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。
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
n0
60 f p
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
三相无刷直流电机的无载电势
eA
eB
eC
1
3
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。
A iA
• 根据转子位置传感器检
测到的转子位置和要求
FBA
FCA
转向来决定产生哪一个
X
磁势。 • 产生的平均转矩最大。 FBC
iC C
S Z
FAC
F0
N Y
FAB
FCB
iB 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 FAC
N
F0
60o n
60o FAB
无刷直流电机控制框图
I REF
+
PI PWM
ia
ia
ib
ib
ic
ic
IF
∑ ÷2
逻
PS
辑
变
换
三相反馈电流
Position Sensor
F2
(b )电流、磁势向量图
• 等效直流机模型的方程
转子磁链方程 转子电压方程
I LI L
2M 2 1M M
2
I LIL
0
2T 2 1T M
RI d /dt0
2 2M
2
RI
0
Leabharlann Baidu
2 2T
S2
稳态时 d /dt 0 所以 2
I 0 2M
L I
2
M 1M
• 矢量控制思路
转矩 TpI 2T 2
◎
异步电机
数百W以上
中～小 ◎
非常简单 ☆
非常好 ☆
不要
☆
非常好 ◎
不要
◎
要
△
三相交流电机功率变换器主电路构成
+
+A
+B
+C
Ud
C
-A
-B
-C
功率变换器主电路
A
B C
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
控制电路 控制器
转子位置 传感器
无刷直流电机
2.无刷直流电机与永磁同步电机差别
电控原理图
充
～
电
器
动力 电池
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； 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
PWM
产 生
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
ω1
I2T
++
ψ2 M
+
I1T
I2M
+
I1M
(a ) 直流电机 模型
F1
I1
I1T
β F0
ψ2
I1M I2T
T f (n) PT
恒转矩区
Pf(n)
恒功率区
降功区
n
0
电机的特性比较
（摘自日本电气学会技术报告）
电机 直流电机
性能
最大效率（％） 85～89
永磁同步电 异步电机 机
95～97
94～95
开关磁阻电 机
< 90
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
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
+A
-A
+B -B
+C
-C
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。
Ud
＋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
+B
+C
C
-A
-B
-C
电流产生拖动转矩
回馈状态：
+
+A
+B
+C
转子位置传感器状态：
+A、－B相导通。
Ud
C
+A管、－B管均关断，
0
T
不同频率下的异步电机机械特性
nn0(1s)
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. • • • •
电机费用/kW($) 10
10~15
8~12
6~10
控制器成本 1
2.5
3.5
4.5
坚固性
良
良
优
良
信赖性
普通
良
优
良
永磁同步电机与异步电机的特性比较
适性容量 尺寸、重量 结构 环境适应性 维护 生产性 位置传感器 速度传感器
永磁同步电机
数十W～数十kW
小
☆
相当简单 ◎
相当好 ◎
有点必要 △
好
△
要
△
不要
-A
-B
-C
＋B管子PWM。
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
+
逻
+a -a
PS
辑 +b 变 -b
+
转子位置
换
+c -c
传感器
+
PWM 输入
电动 “1” 回馈制动 “0”
+A -A +B -B
+C -C
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。
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
(自控式）
1. 同步电机
无刷直流电机
转子励磁
交流
电机
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。
• 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
ωr
PI
ω
* s
I1=f (ω s) I1*
ia*+
PI
ω s*+
+
ω1
FG
cosω1t cos(ω1t -120o)
cos(ω1t -240o)
乘
法
i
*
b+
器
ic*+
ia ib
ωr
PI PI
ic
PWM
a
驱
动 -a
PWM 信 b
号 -b
L I
2
M 1M
L I L I 2T
M 1T
2
控制如何实现？
I 和 2
2T
I I 1 M 和
1T
I I I (
2 2 和
1
1M
1T
)dt
• 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。
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
n0
60 f p
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
三相无刷直流电机的无载电势
eA
eB
eC
1
3
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。
A iA
• 根据转子位置传感器检
测到的转子位置和要求
FBA
FCA
转向来决定产生哪一个
X
磁势。 • 产生的平均转矩最大。 FBC
iC C
S Z
FAC
F0
N Y
FAB
FCB
iB 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 FAC
N
F0
60o n
60o FAB
无刷直流电机控制框图
I REF
+
PI PWM
ia
ia
ib
ib
ic
ic
IF
∑ ÷2
逻
PS
辑
变
换
三相反馈电流
Position Sensor
F2
(b )电流、磁势向量图
• 等效直流机模型的方程
转子磁链方程 转子电压方程
I LI L
2M 2 1M M
2
I LIL
0
2T 2 1T M
RI d /dt0
2 2M
2
RI
0
Leabharlann Baidu
2 2T
S2
稳态时 d /dt 0 所以 2
I 0 2M
L I
2
M 1M
• 矢量控制思路
转矩 TpI 2T 2
◎
异步电机
数百W以上
中～小 ◎
非常简单 ☆
非常好 ☆
不要
☆
非常好 ◎
不要
◎
要
△
三相交流电机功率变换器主电路构成
+
+A
+B
+C
Ud
C
-A
-B
-C
功率变换器主电路
A
B C
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
控制电路 控制器
转子位置 传感器
无刷直流电机
2.无刷直流电机与永磁同步电机差别
电控原理图
充
～
电
器
动力 电池
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； 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
PWM
产 生
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
ω1
I2T
++
ψ2 M
+
I1T
I2M
+
I1M
(a ) 直流电机 模型
F1
I1
I1T
β F0
ψ2
I1M I2T
T f (n) PT
恒转矩区
Pf(n)
恒功率区
降功区
n
0
电机的特性比较
（摘自日本电气学会技术报告）
电机 直流电机
性能
最大效率（％） 85～89
永磁同步电 异步电机 机
95～97
94～95
开关磁阻电 机
< 90
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
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
+A
-A
+B -B
+C
-C
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。
Ud
＋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
+B
+C
C
-A
-B
-C
电流产生拖动转矩
回馈状态：
+
+A
+B
+C
转子位置传感器状态：
+A、－B相导通。
Ud
C
+A管、－B管均关断，
0
T
不同频率下的异步电机机械特性
nn0(1s)
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. • • • •
电机费用/kW($) 10
10~15
8~12
6~10
控制器成本 1
2.5
3.5
4.5
坚固性
良
良
优
良
信赖性
普通
良
优
良
永磁同步电机与异步电机的特性比较
适性容量 尺寸、重量 结构 环境适应性 维护 生产性 位置传感器 速度传感器
永磁同步电机
数十W～数十kW
小
☆
相当简单 ◎
相当好 ◎
有点必要 △
好
△
要
△
不要
-A
-B
-C
＋B管子PWM。
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
+
逻
+a -a
PS
辑 +b 变 -b
+
转子位置
换
+c -c
传感器
+
PWM 输入
电动 “1” 回馈制动 “0”
+A -A +B -B
+C -C
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。