【文章內(nèi)容簡介】 電機(jī)性能相媲美。美國以及歐洲國家研制的電動汽車多采用交流感應(yīng)電機(jī)作為其驅(qū)動電機(jī)，如美國Solectric公司配套生產(chǎn)的電動轎車和電動大巴車，通用汽車公司生產(chǎn)的Impact和EVI電動汽車，Chrysler公司生產(chǎn)的EpicVan以及Ford公司生產(chǎn)的 Ranger EV 等。異步電機(jī)其特點是結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、成本低廉、運行可靠，基本免維護(hù)。異步電機(jī)同時具有低轉(zhuǎn)矩脈動，低噪聲，不需要位置傳感器，轉(zhuǎn)速極限高等優(yōu)點。目前其在美國仍然是電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的主流產(chǎn)品[1]。 永磁電動機(jī)永磁電機(jī)是一種高性能的電機(jī)。具有高的“功率/質(zhì)量”比，比其它類型的電機(jī)有更高的效率和轉(zhuǎn)矩，而且極限轉(zhuǎn)速和制動性能優(yōu)于其它類型的電機(jī)，更加適合作為電動汽車的驅(qū)動電機(jī)。但是永磁材料受溫度影響大，在大電流負(fù)載時可導(dǎo)致材料磁性能下降，恒功率控制困難。電動汽車用永磁電機(jī)主要有永磁無刷直流電機(jī)和永磁交流同步電機(jī)兩大類。無刷永磁電機(jī)由于具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調(diào)速范發(fā)展前景十分廣闊，在電動車輛牽引電機(jī)中是強有力的競爭者，已在國內(nèi)外多種電動車輛中獲得應(yīng)用。無刷永磁電機(jī)可采用圓柱形徑向磁場結(jié)構(gòu)或盤式軸向磁場結(jié)構(gòu)，從磁鋼在電機(jī)中的安放方式又可內(nèi)置式無刷永磁電機(jī)和表貼式無刷永磁電機(jī)。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)也稱為混合式永磁磁阻電機(jī)。該電機(jī)在永磁轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上迭加了磁阻轉(zhuǎn)矩，磁阻轉(zhuǎn)矩的存在有助于提高電機(jī)的過載能力和功率密度，而且易于弱磁調(diào)速，擴(kuò)大恒功率范圍運行。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的設(shè)計理論正在不斷完善和繼續(xù)深入，該電機(jī)結(jié)構(gòu)靈活，設(shè)計自由度大，有望得到高性能，適合用作電動汽車高效、高密度、寬調(diào)速牽引驅(qū)動。這些引起了各大汽車公司同行們的關(guān)注，特別是獲得了日本汽車公司同行的青睞，特別是在混合動力轎車上獲得了廣泛的應(yīng)用。如本田Insight、Civic電動汽車，豐田Prius、Crown、Estima EV電動汽車，日產(chǎn)R’nessa EV電動汽車等。當(dāng)前，美國汽車公司同行在新車型設(shè)計中主要采用無刷永磁電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，如美國UQM公司為美國軍方機(jī)動車輛配套生產(chǎn)30 100kW系列的驅(qū)動電機(jī)均采用無刷永磁電機(jī)等。 磁阻電動機(jī)開關(guān)磁阻電動機(jī)具有簡單可靠、在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運行、制動靈活、可四象限運行、響應(yīng)速度快、成本較低等優(yōu)點。由于其磁極端部的磁路嚴(yán)重飽和以及磁極和溝槽的邊緣效應(yīng)，使其在設(shè)計和控制中要求十分精確。實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，開關(guān)磁阻存在轉(zhuǎn)矩波動大、噪聲大、需要位置檢測器等缺點，所以應(yīng)用還受到一定限制。最近，用于電動汽車的開關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計方法考慮到極弧、高度及最大磁通密度的限制，采用有限元分析的方法使得整個調(diào)速區(qū)域損耗最小；采用模糊控制策略時的電機(jī)的非線性和噪聲都不同程度的減小。國內(nèi)有部分研究機(jī)構(gòu)研制的電動汽車采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，如東風(fēng)汽車股份有限公司聯(lián)合重慶電機(jī)廠、武漢華中數(shù)控股份有限公司研制的EV6110HEV混合動力城市公交車、天津清源電動車輛有限公司聯(lián)合北方交通大學(xué)聯(lián)合研制的XL純電動轎車中均采用開關(guān)磁阻電機(jī)作為其驅(qū)動電機(jī)。 現(xiàn)代電動汽車是融合了電力、電子、機(jī)械控制、材料科學(xué)以及化工技術(shù)等多種高新技術(shù)的綜合產(chǎn)品。整體的運行性能、經(jīng)濟(jì)性等首先取決于電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)。電動汽車的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)一般用四個主要部分組成，即控制器、功率變換器、電動機(jī)及傳感器。目前電動汽車中使用的電動機(jī)一般有直流電動機(jī)、感應(yīng)電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)以及永磁無刷電動機(jī)等。各種電動機(jī)各有其優(yōu)缺點。 電動汽車的運行，與一般的工業(yè)應(yīng)用不同，不但要求電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)具有高轉(zhuǎn)矩重量發(fā)。比、寬調(diào)速范圍、高可靠性，而且由于電源功率的限制等，其轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性應(yīng)根據(jù)電動汽車起動、爬坡和行駛等不同階段分為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)或恒功率區(qū)。由于城市用電動汽車頻繁起停工作區(qū)域?qū)?，?jīng)常運行于低速高轉(zhuǎn)矩或高速低轉(zhuǎn)矩區(qū)域，不但要求電動機(jī)系統(tǒng)在額定運行時效率要高，而且要求電動機(jī)系統(tǒng)具有盡可能寬廣的高效率區(qū)。在過去幾十年中，直流電動機(jī)曾普遍應(yīng)用于電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)之中。近幾年來，雖然直流電動機(jī)在電動汽車中的應(yīng)用逐漸減少，但依然有一些電動汽車的驅(qū)動電機(jī)為直流電動機(jī)，例如日本大發(fā)公司的“H IJET”電動汽車中使用了直流串勵電動機(jī)，日本馬自達(dá)公司的“BANGO”使用的是直流并勵電動機(jī)，意大利菲亞特公司的900E/E2電動汽車中則為直流它勵電動機(jī)。 有刷直流電動機(jī)的主要優(yōu)點是控制簡單，技術(shù)成熟，具有交流電動機(jī)所不可比擬的優(yōu)良控制特性。目前直流電動機(jī)一般采用斬波器控制。它勵直流電動機(jī)的驅(qū)動控制最為典型，一般采用電樞電壓調(diào)節(jié)與弱磁控制相結(jié)合的方法。主電路中采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，弱磁過程的完成則采用非獨立勵磁結(jié)構(gòu)?？梢允孪却_定磁鏈模型，由轉(zhuǎn)速反饋信號通過查表的方法確定勵磁信號的給定值。也可以取消磁鏈模型，增加恒定的反電動勢給定及反電動勢閉環(huán)。增加反電動勢閉環(huán)的目的是為了在弱磁過程中維持反電動勢E基本不變。在轉(zhuǎn)速低于基速時，反電動勢給定應(yīng)使得反電動勢調(diào)節(jié)器AER飽和以提供最大恒定勵磁。反電動勢調(diào)節(jié)器AER及勵磁電流調(diào)節(jié)器AFR均可采用PI調(diào)節(jié)器消除靜差。無論采用上述哪一種結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速控制均由以下兩個步驟完成： （1）基速以下改變電樞電壓調(diào)節(jié)，同時保持勵磁為額定值不變； （2）以上弱磁升速，保持電樞反電動勢恒定。直流電動機(jī)的效率調(diào)節(jié)的原理是在電機(jī)過程中保持電機(jī)的損耗最小。針對直流電動機(jī)提出的恒定電流比控制(Constant Current Ratio Control)就是基于此思想。其推導(dǎo)了勵磁與電樞電流的最佳比例關(guān)系，使得電機(jī)在運行中維持效率最高。直流電動機(jī)盡管存在控制簡單的特點，但由于存在電刷及機(jī)械換向器，不但限制了電機(jī)的過載能力與速度的進(jìn)一步提高，而且如果長期運行，勢必需要經(jīng)常維持電刷與換向器。另外，由于損耗存在于轉(zhuǎn)子上，使得散熱困難，溫升增高，限制了電機(jī)轉(zhuǎn)矩重量比的進(jìn)一步提高。由于直流電動機(jī)存在上述缺陷，因而在現(xiàn)代電動汽車中應(yīng)用越來越少。 與直流電動機(jī)不同，由于現(xiàn)代電子技術(shù)與電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，交流感應(yīng)電動機(jī)已大量應(yīng)用于電動汽車之中，例如日本尼桑公司的“FEV”電動汽車、美國通用汽車公司的“IM PACT”電動汽車等均使用感應(yīng)電動機(jī)做為其驅(qū)動電機(jī)。其中，鼠籠式感應(yīng)電動應(yīng)用最廣。 感應(yīng)電動機(jī)的控制一般采用VVVF、磁場定向以及直接轉(zhuǎn)矩控制。VVVF在基速以下能夠維持反電動勢E與頻率f 之比恒定，但在基速以上，磁通T必須與f 成反比降低，相當(dāng)于直流電機(jī)的弱磁升速。但VVVF 控制性能較差，不適于電動汽車的運行。磁場定向矢量控制應(yīng)用最廣，基本思想是以轉(zhuǎn)子磁鏈定向為控制目標(biāo)，通過矢量運算，做到分別控制dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的磁場電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量，實現(xiàn)類似直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。具體實現(xiàn)時一般采用間接法測轉(zhuǎn)子磁鏈，常用的有定子電流、轉(zhuǎn)速磁鏈模型法以及定子電壓、電流磁鏈模型法。前者的特點是轉(zhuǎn)子磁鏈模型經(jīng)過電壓模型的校正給出，通過電流模型及速度確定及；后者是通過檢測電動機(jī)端電壓及電流，經(jīng)過模型運算，得到轉(zhuǎn)子磁鏈。直接轉(zhuǎn)矩控制不需要磁場定向矢量控制那樣復(fù)雜的坐標(biāo)變換技術(shù)，只需直接在電動機(jī)定子坐標(biāo)上計算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，直接控制電機(jī)電壓以達(dá)到電機(jī)系統(tǒng)的高性能。 由于感應(yīng)電動機(jī)存在轉(zhuǎn)差損耗，效率調(diào)節(jié)應(yīng)包括轉(zhuǎn)差損耗。繞線式感應(yīng)電動機(jī)雙饋調(diào)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)差功率的回饋，效率較高，但控制復(fù)雜，一般電動汽車中很少采用當(dāng)感應(yīng)電動機(jī)采用磁場定向控制時，在輕載情況下電機(jī)效率尤其低下，G1Junge等人采用了準(zhǔn)最佳勵磁控制，即勵磁與轉(zhuǎn)矩電流分量比恒定，收到了較好效果。與此相似，A1K1Adnanes提出的恒轉(zhuǎn)差頻率控制同樣可以達(dá)到調(diào)節(jié)效率的目的。感應(yīng)電動機(jī)用于電動汽車主要是由于它具有價格低，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，免于維修等優(yōu)點，其中矢量控制的應(yīng)用可以得到類似于直流電動機(jī)的優(yōu)良特性，故在當(dāng)今社會被廣泛應(yīng)用。本文將以矢量控制，對電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。 開關(guān)磁阻電動機(jī)系統(tǒng) 開關(guān)磁阻電動機(jī)系統(tǒng)是近年來逐漸完善起來的一種新型動力系統(tǒng)。許多文獻(xiàn)都曾探討過開關(guān)磁阻電動機(jī)系統(tǒng)在電動汽車中應(yīng)用的可能性，但目前應(yīng)用開關(guān)磁阻電機(jī)的電動汽車仍然很少，這類電動汽車有克勞瑞得公司的“Lucas”電動汽車 。開關(guān)磁阻電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，是一種雙凸極磁阻電動機(jī)，基于磁阻最小原理工作。開關(guān)磁阻電機(jī)一般采用三相以上的結(jié)構(gòu)，隨著相數(shù)增多，步距角減小，轉(zhuǎn)矩脈動隨之減小，但結(jié)構(gòu)、控制趨于復(fù)雜。目前應(yīng)用較多的是三相(64 極)、四相(86 極)結(jié)構(gòu)。 開關(guān)磁阻電動機(jī)的運行具有嚴(yán)重非線性的特點，因而許多工作集中于非線性基礎(chǔ)上的電磁轉(zhuǎn)矩和鐵耗的精確求解上。對于開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速控制，一般在低速時采用電流斬波控制，或稱之為電流滯環(huán)控制，以獲得恒轉(zhuǎn)矩特性； 在高速時采用角度位置控制。當(dāng)電機(jī)運行于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域時，電機(jī)的開通角固定在電機(jī)效率最高，或轉(zhuǎn)矩脈動最小位置。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過基速時，調(diào)整每相電流的開通角，使電機(jī)提前開通，使電機(jī)具有恒功率特性，此時電機(jī)效率等會有所下降。當(dāng)導(dǎo)通角增大到最大值時，電動機(jī)就具有類似于串勵直流電動機(jī)的特性。 關(guān)磁阻電動機(jī)系統(tǒng)的主要優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，堅固，既具有異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)的高效率、高可靠性，又具有直流調(diào)速系統(tǒng)的良好控制特性。雖然其運行時存在電機(jī)噪聲，轉(zhuǎn)矩脈動嚴(yán)重等缺點，但隨著科技的進(jìn)步，同樣具有廣闊的發(fā)展前景。 永磁無刷電動機(jī)系統(tǒng) 永磁無刷電動機(jī)系統(tǒng)具有較上述電機(jī)系統(tǒng)更高的能量密度和更高的效率，在電動汽車中具有極好的應(yīng)用前景。永磁無刷電動機(jī)系統(tǒng)可以分為兩類，一類是方波驅(qū)動的無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)(BDCM )，另一類是永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)(PM SM )，也稱之為正弦波驅(qū)動的無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)。 在永磁無刷直流電動機(jī)中，反電勢波形設(shè)計為梯波形，以期獲得更大更平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩。因而定子繞組常采用集中繞組，轉(zhuǎn)子上的磁鋼常采用表面磁鋼結(jié)構(gòu)。在永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)中，氣隙磁場常設(shè)計為正弦波，定子采用分布式、分?jǐn)?shù)槽繞組，轉(zhuǎn)子可以采用表面磁鋼、嵌入式、埋藏式結(jié)構(gòu)。在電動汽車中，永磁無刷電動機(jī)也有采用盤式結(jié)構(gòu)或外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的。另外，方波無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)不需要絕對位置傳感器，一般采用霍爾元件或增量式碼盤，也可以通過檢測反電動勢波形換相。永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)一般需要絕對式碼盤或旋轉(zhuǎn)變壓器等轉(zhuǎn)子位置傳感器。 永磁無刷電動機(jī)能量密度高于電磁式、磁阻式電機(jī)，目前的研究多集中于提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩/重量比方面。一般認(rèn)為，嵌入式結(jié)構(gòu)出力要高于表面磁鋼結(jié)構(gòu)。多相化可以進(jìn)一步提高電機(jī)出力。CCChan等人開發(fā)的五相方波無刷電動機(jī)，采用了多極少槽結(jié)構(gòu)，具有能量密度高等優(yōu)點。但該電機(jī)還存在電感較大等問題。典型的永磁無刷電動機(jī)系統(tǒng)是一種準(zhǔn)解耦矢量控制系統(tǒng)。 由于永磁體只能產(chǎn)生固定幅值磁場，因而永磁無刷電動機(jī)系統(tǒng)非常適于運行于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，一般采用電流滯環(huán)控制或電流反饋型SPWM法來完成。為進(jìn)一步擴(kuò)充轉(zhuǎn)速，永磁電機(jī)也可以采用弱磁控制。永磁同步電動機(jī)弱磁控制的實質(zhì)是使相電流相位角超前，提供直軸去磁磁勢來減弱定子繞組中磁鏈。方波無刷電動機(jī)的弱磁控制與開關(guān)磁阻電機(jī)相仿，通過調(diào)節(jié)開通角來達(dá)到弱磁效果。 近年來開始的電動汽車，應(yīng)用方波無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)的越來越多，而采用永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)的電動汽車也為數(shù)不少。在電動汽車的直接驅(qū)動方面，這兩種電機(jī)較上述各種電機(jī)具有更明顯的優(yōu)勢。但其成本較高，故應(yīng)用不是很廣泛。 本章小結(jié)：通過對電動汽車幾種常用控制方法的對比，可以看出在當(dāng)今社會中，交流感應(yīng)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、運行可靠、效率較高、制造容易、成本低廉的優(yōu)點，在電動汽車驅(qū)動中得到廣泛的應(yīng)用，針對現(xiàn)實的使用情況，本文選擇交流異步電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)對電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，同時并對該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗證其可行性。第3章 異步電機(jī)矢量控制原理在電動汽車控制系統(tǒng)中，異步電機(jī)的矢量控制實現(xiàn)了交流電動機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，使其系統(tǒng)的動態(tài)特性有了顯著的改善。本章首先闡述異步電動機(jī)在三相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)坐標(biāo)變換理論，得到了其在兩相靜止坐標(biāo)系下和兩相同步坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)方程，并介紹了異步電機(jī)的矢量控制原理。 三相異步電動機(jī)的多變量非線性數(shù)學(xué)模型 由于異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，故在研究異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型時，常常做出如下假設(shè)： 1） 忽略鐵耗對電機(jī)的影響； 2） 在頻率和溫度變化，忽略其對繞組電阻的影響； 3） 認(rèn)為各繞組的互感和自感都是線性的，即忽略磁路飽和的影響； 4） 設(shè)三相繞組對稱，在空間中互差1200電角度，產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙按正弦分布，忽略空間諧波[3]。三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組分為繞線型和籠型型，其均可以等效為三相繞線轉(zhuǎn)子，折算到定子側(cè)后，其定子和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)都相等。電機(jī)繞組等效后的三相異步電動機(jī)的物理模型如圖31所示。