第4章 电动汽车的驱动电动机及其调速控制方式

4.1 电动汽车的驱动电动机
图4-13 混合励磁式同步电动机
4.1 电动汽车的驱动电动机
4. PM电动机的特点 5. 永磁磁阻同步电动机的机械特性
6. 应用举例
7. 数学模型
4.1 电动汽车的驱动电动机
图4-15 SPM的等效电路
4.1 电动汽车的驱动电动机
图4-16 IPM的等效电路
4.1 电动汽车的驱动电动机
4.1 电动汽车的驱动电动机
电压控制 励磁控制 电压
转矩，电压
if 最大
转矩
if 减小
0
mb
（额定转速） 转速
（最高转速）
mt
图4-4 电动汽车所需的理想特性曲线
4.1 电动汽车的驱动电动机
4.1.3 交流异步电动机
1. 分类 2. 性能特点
3. 三相异步感应电动机的转矩与机械特性
4.1 电动汽车的驱动电动机
2. 直接转矩控制
+
U dc
_
0 +

_

速度 控制器
T + _
T
转矩 调节器
T

开关状态 选择
Vi
PWM 逆变器
30 +
_
磁通 调节
U dc
ia
Baidu Nhomakorabea
3
电动机模型
ib
PMSM 光电编码器
图4-32 PMSM直接转矩控制系统结构
3. 恒压频比开环控制
4.2 电动汽车驱动电动机调速控制方式
4.2.4 开关磁阻电动机的调速控制方式
Tmax
Tst
Te
0
ne n0
图4-5 三相异步电动机的机械特性
n
4.1 电动汽车的驱动电动机
T
U1 U 3
U3
U1
0
n
图4-6 相电压U1对转矩与转速的关系曲线的影响
4.1 电动汽车的驱动电动机
T
0
n
图4-9 不同的电压幅值和频率下的转矩与转速的关系曲线
4.1 电动汽车的驱动电动机
4. 三相异步感应电动机产品举例
车轮
图4-22 变压变频控制的异步电动机系统框图
4.2 电动汽车驱动电动机调速控制方式
2. 矢量控制
q y
vs is
x


r
ir
d
图4-24 与转子磁链同步旋转的 x y 坐标系
4.2 电动汽车驱动电动机调速控制方式
q

is


is
i s
r
d
图4-25 与转子磁链同步旋转的 坐标系
计算
ia ib
IM
转差率 计算
s1
+

_


r
速度 传感器
图4-31感应电动机的效率优化磁场定向控制系统框图
4.2 电动汽车驱动电动机调速控制方式
4.2.3 永磁同步电动机的调速控制方式
1. 矢量控制
（1）id = 0控制
（2）最大转矩/电流比控制 （3）弱磁控制
4.2 电动汽车驱动电动机调速控制方式
T
Tmax
P Pmax
0
n0
(a)
nmax n
0
n0
(b)
nmax n
图4-10 西门子公司PV系列感应电动机的机械特性曲线
4.1 电动汽车的驱动电动机
4.1.4 永磁无刷电动机
1. 永磁电动机分类 2.永磁材料及其性能
3. PM电动机（永磁电动机）的结构
4.1 电动汽车的驱动电动机
图4-11 PM电动机的各种转子结构
5. 滑模控制

* r
_ +
2 LrT 3 pMis*
T*
速度控制
*
+ is _ * is
( ) M r
* 2 r
s2 s1
u
滑模控制
* s
* us
坐标转换
*
_ +
* ua * ub * uc
PWM 逆变器
is*
s*1
*
is 和 is
计算
ia ib
IM

is

r r r 和 r
1. 角度控制法（APC）
2. 电流斩波控制法（CCC）
（1）限制电流上下幅值的控制 （2）电流上限和关断时间恒定
4.2 电动汽车驱动电动机调速控制方式
3. 电压控制法（VC） 4. 组合控制 （1）高速与低速电流斩波控制组合 （2）变角度电压PWM控制组合
思考 题
1 2
电动汽车的驱动系统对于电动机的要求有哪些？ 电动汽车用的直流电动机与其他驱动电动机相 比，具有什么优点和缺点？
3
根据永磁体在转子上安装位置不同，PM电动机
可以分为哪几种？
4
开关磁阻电动机的机械特性是什么？ 永磁同步电动机的调速控制方式有几种？
5
电枢电压控制 转矩
磁极电流控制
功率
基速 转速 n/(r/min)
图4-21 电枢电压与磁极磁通量配合调节时的电动机特性
4.2 电动汽车驱动电动机调速控制方式
4.2.2 交流异步电动机的调速控制方式
1. 变压变频控制
负载转矩 参考 速度
+ _
增益
+ +
电压 与频率
逆变器与 感应电动机 电动机 车轮速度
交流异步电动机
图4-1 电动汽车驱动电动机的分类
4.1 电动汽车的驱动电动机
3. 驱动系统电动机的选择
表4-3 电动汽车常用驱动电动机性能比较
项目 功率范围 功率密度 峰值效率/% 负荷效率/% 转速范围 转矩/电流比 质量 成本/ （美元/kW） 直流电动机 宽 低 85~89 80~87 较宽 中 重 10 感应电动机 宽 中 90~95 90~92 较宽 中 中 8~10 永磁电动机 窄 高 95~97 85~97 宽 高 轻 10~15 开关磁阻电动机 很宽 较高 <90 78~86 很宽 高 轻 8~10
计算
_ +
r
r
速度 传感器
r*
图4-30 感应电动机的滑模控制系统框图
4.2 电动汽车驱动电动机调速控制方式
6. 效率优化控制
u
* s * ua * ub * uc
* us
坐标转换
PWM 逆变器
r*
+ _
速度 控制器
T * 效率优化
控制器
i i
* s * s
电流 控制器
is is 和 is is
4.1.5 开关磁阻电动机
1. 磁阻电动机的分类
2. 开关磁阻电动机的基本结构与原理 3. 开关磁阻电动机的特点 4. 开关磁阻电动机调速控制理论基础
4.1 电动汽车的驱动电动机
图4-18 转矩产生原理
4.1 电动汽车的驱动电动机
图4-19 i 特性图
4.1 电动汽车的驱动电动机
5. 开关磁阻电动机的机械特性
1. 磁阻电动机共同的优点
（1）转子中没有磁铁和绕组，所以发热少，冷却容易； （2）材料为容易获得的硅钢板，有可能实现大批量生产；
（3）高速情况下的运转是可能的，由于有凸极性，可以用电
子的方法从电压电流等量中推定出转子的旋转角度，极低
速情况下可以实现无传感器的运转等。
4.1 电动汽车的驱动电动机
2. 磁阻电动机共同的缺点
（1）如果不减小气隙，就得不到高效率和高的功率因数； （2）当磁通量的变化剧烈时就会产生磁性噪声； （3）此外，在高振动环境中，如果气隙小就容易出问题。
4.2 电动汽车驱动电动机调速控制方式
4.2.1 直流电动机的调速控制方式
1. 直流电动机的机械特性数学方程式 2. 直流电动机的调速控制方式
转矩M/(N·m) 功率P/W
电动汽车运用技术
付主木 主编
机械工业出版社
第4章 电动汽车的驱动电动机 及其调速控制方式
4.1
电动汽车的驱动电动机
4.2 电动汽车驱动电动机调速控制方式
4.1 电动汽车的驱动电动机
4.1.1 电动汽车驱动电动机的分类及选择
1. 电动汽车驱动系统对电动机要求 2. 电动汽车驱动电动机的分类
并励电动机 绕组励磁式 直流电动机 永磁式 电动机 串励电动机 复励电动机 他励电动机 PM直流电动机（永磁直流电动机） 笼型交流异步电动机 绕线转子交流异步电动机 绕组励磁式 交流电动机 交流同步电动机 PM电动机（永磁式） 内置式PM电动机 凸极无励磁式 开关磁阻电动机 同步磁阻电动机 表面式PM电动机
转折点转速 恒转矩输出 CCC方式 T=常数 恒功率输出 APC方式 转折点转速 串励特性区
最大 转矩
T 常数
功率
c / N r T 2 常数 max c
转矩
0
fc
sc
max
图4-20 开关磁阻电动机的机械特性
4.1 电动汽车的驱动电动机
4.1.6 电动汽车驱动电动机的发展前景
外形尺寸
可靠性 调速控制性能 控制器成本
大
一般 最好 低
中
好 好 高
小
优秀 好 高
小
好 好 一般
4.1 电动汽车的驱动电动机
4.1.2 直流电动机
1. 分类 2. 特点及注意事项
3. 调速控制理论基础
4.1 电动汽车的驱动电动机
图4-2 直流他励电动机的等效电路
4.1 电动汽车的驱动电动机
图4-3 各种直流电动机的速度转矩特性
图4-27 直接转矩控制异步电动机的系统框图
4.2 电动汽车驱动电动机调速控制方式
4. 自适应控制
r*
+
KU
UM
Kλ
参考
XM
C
T
rM
+ _
e0
+
+
Kc
U P1 +
UP
解耦控制
+ U P2
三相 逆变器 IM
r
UM
e0
自适应 机制
XM
v
DT
图4-28 感应电动机的模型参考自适应控制系统框图
4.2 电动汽车驱动电动机调速控制方式
4.2 电动汽车驱动电动机调速控制方式
3. 直接转矩控制
给定磁链幅值 反馈 磁链 幅值 转矩滞环 比较器 磁链滞环 比较器

信号 开关
Vd
Sa Sb Sc
PWM逆变器
给定转速
给定转矩 P1
T
矢量选择单元 区间N
反馈 转速
反馈 转矩
磁链位置
ds qs s
磁矩计算 转矩计算
IS VS
IM