電機驅(qū)動系統(tǒng)第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日主要內(nèi)容1、概述2、四種常用電機及控制系統(tǒng)3、存在的問題與研究方向第二頁，共四十八頁，2022年，8月28日一、電機控制系統(tǒng)的構(gòu)成

功率變換器電池控制電路電動機控制器第三頁，共四十八頁，2022年，8月28日電動機控制器第四頁，共四十八頁，2022年，8月28日交流電機控制器控制電路主電路第五頁，共四十八頁，2022年，8月28日控制器中的CPU主控制板第六頁，共四十八頁，2022年，8月28日二、電動汽車對電機控制系統(tǒng)的要求

1、優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制性能；

2、寬廣的調(diào)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(yīng)性和環(huán)保性；

6.高可靠性；

7.有競爭力的價格。第七頁，共四十八頁，2022年，8月28日三、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)；無刷直流電機控制系統(tǒng)；異步電機控制系統(tǒng)；開關(guān)磁阻電機控制系統(tǒng)。第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日

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

<90

效率（10％負(fù)載）80～8790～9279～8578～86最高轉(zhuǎn)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)良表.1各種電機的特性比較

（摘自日本電氣學(xué)會技術(shù)報告）第九頁，共四十八頁，2022年，8月28日永磁同步電機

異步電機適性容量數(shù)十W～數(shù)十kW數(shù)百W以上尺寸、重量小☆中～小◎結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡單◎非常簡單☆環(huán)境適應(yīng)性相當(dāng)好◎非常好☆維護(hù)有點必要△不要☆生產(chǎn)性好△非常好◎位置傳感器要△不要◎速度傳感器不要◎要△表2永磁同步電機與異步電機的特性比較第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日表2永磁同步電機與異步電機的特性比較(續(xù)）

永磁同步電機

異步電機壽命軸壽命軸壽命弱磁高速困難△可能◎回饋制動容易◎可以△永久失磁有△無◎溫度特性無◎有△控制器控制一臺△控制多臺◎第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日四、直流電機及其控制系統(tǒng)1.直流電機的結(jié)構(gòu)和原理（并聯(lián)）IfMnIf

特點：1、勵磁電流和電樞電流可分別控制，轉(zhuǎn)矩控制性能好。2、控制簡單。第十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.直流電機功率控制器－斬波器T2、D1電動運行；T1、D2制動運行。ECT1T2MD1D2斬波器主電路第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日3.斬波器的PWM控制nMn1n2MZM1*(Ia1*)ABM2*(Ia2*)0控制框圖調(diào)速原理第十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日4.直流電機及其控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點優(yōu)點：

1.直流電機轉(zhuǎn)矩控制性能優(yōu)良。

2.控制簡單，回饋控制容易。

3.功率變換器結(jié)構(gòu)簡單，使用功率器件少。

4.控制器效率高；功率密度高。

5.控制器體積小，重量輕。

6.控制器價格便宜。缺點：

1.由于機械換向器和電刷的存在導(dǎo)致的缺點：電機轉(zhuǎn)速低、體積大；需要維護(hù)；成本高。第十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日五、交流電機及其控制系統(tǒng)1.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(yīng)電機）轉(zhuǎn)子永磁轉(zhuǎn)子勵磁永磁同步電機

(自控式）無刷直流電機轉(zhuǎn)子繞線式轉(zhuǎn)子籠型第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.交流電機的定子結(jié)構(gòu)三相電樞繞組第十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日3.三相交流電機功率變換器主電路構(gòu)成功率變換器主電路交流電機電樞繞組第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日六、無刷直流電機控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)子位置傳感器

永磁同步電機三相功率變換器控制電路自控式永磁同步電機控制器1.系統(tǒng)構(gòu)成第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日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第二十頁，共四十八頁，2022年，8月28日3.無刷直流電機工作原理iAABiBCiCSNFABFACFBCFBAFCAFCBXYZF0有6個定子空間磁勢。

根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測到的轉(zhuǎn)子位置和要求轉(zhuǎn)向來決定產(chǎn)生哪一個磁勢。

產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩最大。第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日定子磁勢拉轉(zhuǎn)子磁勢旋轉(zhuǎn)，為了使平均轉(zhuǎn)矩最大。兩者的平均空間電角度為900。SNF0nFABFAC60o60o第二十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日4.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(qū)動信號第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日PS邏輯變換++++A-A+B-B+C-CPWM

輸入電動“1”回饋制動“0”+a-a+b-b+c-c驅(qū)動信號輸出5.無刷直流電機的電動、回饋制動控制邏輯控制轉(zhuǎn)子位置傳感器第二十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日6.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(dǎo)致永久性失磁。

3.弱磁運行較困難。

4.需要轉(zhuǎn)子位置傳感器。第二十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日七、異步電機及其控制系統(tǒng)1.異步電機變頻調(diào)速原理轉(zhuǎn)子繞組中的電壓、電流靠感應(yīng)產(chǎn)生。正常運行時，電機轉(zhuǎn)速接近旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速。0AB不同頻率下的異步電機機械特性第二十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日2.變頻調(diào)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(diào)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.第二十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日基于動態(tài)的控制：高性能的控制方法轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制（等效直流電機控制）（20世紀(jì)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(zhuǎn)矩控制直接對轉(zhuǎn)矩和磁鏈閉環(huán)控制。

（1985年德國學(xué)者M(jìn).Depenbrock首次提出。）

第二十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日3.

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(qū)動信號產(chǎn)生a-ab-bc-cI1

=f(ωs)++基本原理：在機械特性的線性段，電磁轉(zhuǎn)矩正比于滑差頻率。函數(shù)發(fā)生器第二十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日TMψ2++++I1TI1MI2TI2Mω1(a)直流電機模型ψ2I1MI1TI2TI1βF0F2F1(b)電流、磁勢向量圖4.異步電機矢量控制矢量控制原理經(jīng)3/2變化、旋轉(zhuǎn)變換后，異步電機變成了直流電機模型。將M-T坐標(biāo)的M軸定在異步電機轉(zhuǎn)子磁鏈的方向上，可得到最簡單的方程形式。第三十頁，共四十八頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)子磁鏈方程轉(zhuǎn)子電壓方程穩(wěn)態(tài)時所以等效直流機模型的方程第三十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日轉(zhuǎn)矩控制如何實現(xiàn)？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(xiàn)。第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日5.異步電機直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩。

給定的磁鏈和轉(zhuǎn)矩分別與計算值比較，對差值進(jìn)行滯環(huán)調(diào)節(jié)（也稱砰砰控制）。

再根據(jù)定子磁鏈的空間位置、磁鏈與轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)結(jié)果，來確定逆變器的開關(guān)信號。第三十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日逆變器IM3/23/2idiquduqψ觀察器ψqψdT計算DTTψ1計算Dψψ1+θN+

開關(guān)表6*Ud+*ψ1Tψ1ωr

速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制框圖第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)缺點優(yōu)點：電機模型在定子坐標(biāo)系下，只需3/2變換。觀測的是定子磁鏈，受電機參數(shù)影響小。強調(diào)對轉(zhuǎn)矩的直接控制，所以轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速。缺點：低速時的轉(zhuǎn)矩脈動。由于沒有電流閉環(huán)，容易產(chǎn)生過流。第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日八、開關(guān)磁阻電機控制系統(tǒng)6/4極的開關(guān)磁阻電動機1.開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)定、轉(zhuǎn)子為結(jié)構(gòu)雙凸結(jié)構(gòu)。

定、轉(zhuǎn)子齒滿足錯位原理，即錯開1/m轉(zhuǎn)子齒距。通電一周，轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子齒。需要轉(zhuǎn)子位置傳感器。第三十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日

開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)矩瞬時值正比于電流的平方，也正比于電感對轉(zhuǎn)子位置角的變化率。

2.開關(guān)磁阻電動機工作原理轉(zhuǎn)矩：靠磁通收縮產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩第三十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日AXBYCZ1234563.開關(guān)磁阻電機功率變換器主電路A相第三十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日4.開關(guān)磁阻電機及其控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點主要優(yōu)點：

1.電機結(jié)構(gòu)簡單，制造容易。

2.控制相對簡單。

3.控制器主電路不會出現(xiàn)直通現(xiàn)象。缺點：

1.起動時的噪聲脈動轉(zhuǎn)矩較大。

2.需要轉(zhuǎn)子位置傳感器。第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日九、電機及其控制系統(tǒng)的主要研究方向電機與控制器一體化的優(yōu)化設(shè)計研究電機設(shè)計要考慮逆變器供電的特點：du/dt,諧波。逆變器設(shè)計要考慮電動汽車電機的特點：大過載。安裝空間有限，運行環(huán)境惡劣。新的控制策略研究更理想的轉(zhuǎn)矩控制性能；更低的輸出諧波含量，更低的電機諧波損耗。第四十頁，共四十八頁，2022年，8月28日高頻軟開關(guān)應(yīng)用技術(shù)研究用高頻減小低速下的轉(zhuǎn)矩脈動