動力總成研究報告第二部分：電控原理及電機特性擬制：朱堂群主要內容一、電控原理二、電機特性比較三、控制器控制方式動力總成研究報告擬制：朱堂群主要內容電控原理圖電機齒輪箱主減速器動力電池控制器充電器～電控原理圖電機齒輪箱主減速器動力控充～電控原理之示意圖電控原理之示意圖電控原理電動汽車對電機控制系統(tǒng)的要求

1、優(yōu)良的轉矩控制性能；

2、寬廣的調速范圍；

3、寬范圍的高效率運行區(qū)域；

4、高功率密度；

5.優(yōu)良的環(huán)境適應性和環(huán)保性；

6.高可靠性；

7.有競爭力的價格。電控原理電動汽車對電機控制系統(tǒng)的要求電動汽車電機控制系統(tǒng)的主要類型

直流電機控制系統(tǒng)（內容略）；

無刷直流電機控制系統(tǒng)；

異步電機控制系統(tǒng)；

開關磁阻電機控制系統(tǒng)（內容略）。電控原理電動汽車電機控制系統(tǒng)的主要類型直流電機控制系統(tǒng)（內容略）電機特性比較交流電機的主要類型交流電機1.同步電機2.異步電機（感應電機）轉子永磁轉子勵磁永磁同步電機

(自控式）無刷直流電機轉子繞線式轉子籠型電機特性比較交流電機的主要類型交流1.同步電機2.異步電0恒轉矩區(qū)恒功率區(qū)降功區(qū)要求異步電機的輸出特性：1、低速大扭矩；2、高速大功率。電機特性比較0恒轉矩區(qū)恒功率區(qū)降功區(qū)要求異步電機的輸出特性：電機特性比較

電機性能直流電機永磁同步電機異步電機開關磁阻電機最大效率（％）85～8995～9794～95

<90

效率（10％負載）80～8790～9279～8578～86最高轉速（rpm)4000~60004000~100009000~1500015000電機費用/kW($)1010~158~126~10控制器成本12.53.54.5堅固性良良優(yōu)良信賴性普通良優(yōu)良電機的特性比較

（摘自日本電氣學會技術報告）電機直流電機永磁同步電永磁同步電機

異步電機適性容量數十W～數十kW數百W以上尺寸、重量小☆中～小◎結構相當簡單◎非常簡單☆環(huán)境適應性相當好◎非常好☆維護有點必要△不要☆生產性好△非常好◎位置傳感器要△不要◎速度傳感器不要◎要△永磁同步電機與異步電機的特性比較永磁同步電機異步電機適性容量數十W～數十kW數百W以上尺三相交流電機功率變換器主電路構成功率變換器主電路交流電機電樞繞組三相交流電機功率變換器主電路構成功率變換器主電路交流電機電樞無刷直流電機控制系統(tǒng)轉子位置傳感器

三相功率變換器控制電路無刷直流電機控制器1.系統(tǒng)構成無刷直流電機控制系統(tǒng)轉子位置三相功率控制電路無刷直流電2.無刷直流電機與永磁同步電機差別ωt2π0B0(e0)永磁同步電機無刷直流電機一對極下不同的氣隙磁密分布圖2.無刷直流電機與永磁同步電機差別ωt2π0B0(e0)永磁三相無刷直流電機的無載電勢eAeBeC0t1354266三相無刷直流電機的無載電勢eAeBeC0t1354266無刷直流電機工作原理iAABiBCiCSNFABFACFBCFBAFCAFCBXYZF0

有6個定子空間磁勢。

根據轉子位置傳感器檢測到的轉子位置和要求轉向來決定產生哪一個磁勢。

產生的平均轉矩最大。無刷直流電機工作原理iAABiBCiCSNFABFACFBC

定子磁勢拉轉子磁勢旋轉，為了使平均轉矩最大。兩者的平均空間電角度為900。SNF0nFABFAC60o60o定子磁勢拉轉子磁勢旋轉，為了使平均轉矩最大。SNF0nF無刷直流電機控制框圖-A+÷2∑iaibiciaibicIREFPIPWM邏輯變換PS+A+B+C-B-CIFPositionSensor三相反饋電流輸出6路驅動信號無刷直流電機控制框圖-A+÷2∑iaibiciaibicIR電動狀態(tài)：＋A管導通，－B管PWM。－B管導通時電流上升，－B管關斷時電流下降。Ud++A-AC+B-B+C-C轉子位置傳感器狀態(tài)：+A、－B相導通?；仞仩顟B(tài)：轉子位置傳感器狀態(tài)：+A、－B相導通。+A管、－B管均關斷，＋B管子PWM。Ud++A-AC+B-B+C-C電流產生拖動轉矩電流產生制動轉矩電動狀態(tài)：＋A管導通，－B管PWM。Ud++A-AC+B-B無刷直流電機的電動、回饋制動控制邏輯控制PS邏輯變換PWM

輸入+a-a+b-b+c-c轉子位置傳感器+++A-A+B-B++C-C驅動信號輸出電動“1”回饋制動“0”無刷直流電機的電動、PS邏輯變換PWM輸入+a-a+b-b無刷直流電機及其控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點

優(yōu)點：

1.具有直流電機的控制特性。

2.控制相對簡單。

3.電機效率高，體積小。

缺點：

1.由于永磁材料貴，電機價格較貴。

2.過熱容易導致永久性失磁。

3.弱磁運行較困難。

4.需要轉子位置傳感器。無刷直流電機及其控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點優(yōu)點：缺點：異步電機及其控制系統(tǒng)1.異步電機變頻調速原理

轉子繞組中的電壓、電流靠感應產生。

正常運行時，電機轉速接近旋轉磁場轉速。0

AB不同頻率下的異步電機機械特性異步電機及其控制系統(tǒng)1.異步電機變頻調速原理轉子繞組中變頻調速的主要控制方法

基于穩(wěn)態(tài)的控制

變壓變頻控制（VariableVoltageVariableFrequency)

簡稱VVVF控制；

脈寬調節(jié)控制（PulseWidthModulation)

簡稱PWM控制。

1.SPWM;

2.電壓空間矢量PWM；

3.優(yōu)化PWM;

4.隨機PWM;5.

變頻調速的主要控制方法基于穩(wěn)態(tài)的控制高性能的控制方法

轉子磁場定向矢量控制（等效直流電機控制）（20世紀70年代，由德國西門子公司的F.Blaschke提出。）

1.直接矢量控制；

2.間接矢量控制。

直接轉矩控制直接對轉矩和磁鏈閉環(huán)控制。

（1985年德國學者M.Depenbrock首次提出。）

高性能的控制方法轉子磁場定向矢量控制（等效直流電機控制）

異步電機滑差頻率控制框圖ωs*ωr*PIFG+ωrωs*ωr++ω1I1*cosω1tcos(ω1t-120o)cos(ω1t-240o)乘法器ia*iaib*icic*ib+PIPWMPIPWMPIPWM三角波驅動信號產生a-ab-bc-cI1

=f(ωs)++

基本原理：在機械特性的線性段，電磁轉矩正比于滑差頻率。函數發(fā)生器異步電機滑差頻率控制框圖ωs*ωr*PIFG+ωrωs*TMψ2++++

I1TI1MI2TI2Mω1(a)直流電機模型ψ2I1MI1TI2TI1βF0F2F1(b)電流、磁勢向量圖異步電機矢量控制矢量控制原理

經3/2變化、旋轉變換后，異步電機變成了直流電機模型。

將M-T坐標的M軸定在異步電機轉子磁鏈的方向上，可得到最簡單的方程形式。TMψ2++++I1TI1MI2TI2Mω1(a)轉子磁鏈方程轉子電壓方程穩(wěn)態(tài)時所以

等效直流機模型的方程轉子磁鏈方程轉子電壓方程穩(wěn)態(tài)時所以等效直流機模型的方程轉矩控制如何實現？和和和其中

矢量控制思路

最終控制定子磁場的幅值與空間位置來實現。轉矩控制如何實現？和和和其中矢量控制思路最終控制定子磁鏈觀測算法轉速檢測驅動電路三相逆變器IM蓄電池PG電容3/2變換轉矩計算Isyqrw控制算法(PI,空間電壓矢量計算等)轉矩和磁鏈設定算法*1ti*ryry1ti1mi1mi1tiTrwIs*Va*Vbrw給定異步電機直接矢量控制框圖磁鏈觀測算法轉速檢測驅動電路三相逆變器IM蓄電池PG電容3/uua,b,cia,b,cn轉子磁鏈觀測

R

坐標變換iq*iq+-PIUq*id*id+-PIUd*坐標變換ua,b,cu*+PI-+-

-

控制框圖轉子磁鏈準確定向方法uua,b,cia,b,cn轉子R坐標iq*iq+-PI

異步電機直接轉矩控制

控制原理：

通過檢測電機定子電壓、電流，借助瞬時空間矢量理論來計算電機的磁鏈和轉矩。

給定的磁鏈和轉矩分別與計算值比較，對差值進行滯環(huán)調節(jié)（也稱砰砰控制）。

再根據定子磁鏈的空間位置、磁鏈與轉矩的調節(jié)結果，來確定逆變器的開關信號。異步電機直接轉矩控制控制原理：

直接轉矩控制的優(yōu)缺點

優(yōu)點：電機模型在定子坐標系下，只需3/2變換。觀測的是定子磁鏈，受電機參數影響小。強調對轉矩的直接控制，所以轉矩響應迅速。

缺點：低速時的轉矩脈動。由于沒有電流閉環(huán)，容易產生過流。直接轉矩控制的優(yōu)缺點優(yōu)點：缺點：

開關磁阻電機及其控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點

主要優(yōu)點：