电动汽车驱动控制原理

动力总成研究报告第二部分：电控原理及电机特性拟制：朱堂群主要内容一、电控原理二、电机特性比较三、控制器控制方式电控原理图电机齿轮箱主减速器动力电池控制器充电器～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。电动汽车电机控制系统的主要类型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）。电控原理电机特性比较交流电机的主要类型交流电机1.同步电机2.异步电机（感应电机）转子永磁转子励磁永磁同步电机(自控式）无刷直流电机转子绕线式转子笼型0)(nfP)(nfTTPn恒转矩区恒功率区降功区要求异步电机的输出特性：1、低速大扭矩；2、高速大功率。电机特性比较电机性能直流电机永磁同步电机异步电机开关磁阻电机最大效率（％）85～8995～9794～9590效率（10％负载）80～8790～9279～8578～86最高转速（rpm)4000~60004000~100009000~1500015000电机费用/kW($)1010~158~126~10控制器成本12.53.54.5坚固性良良优良信赖性普通良优良永磁同步电机异步电机适性容量数十W～数十kW数百W以上尺寸、重量小☆中～小◎结构相当简单◎非常简单☆环境适应性相当好◎非常好☆维护有点必要△不要☆生产性好△非常好◎位置传感器要△不要◎速度传感器不要◎要△永磁同步电机与异步电机的特性比较ABC+A-A+B-B+C-CUd+C三相交流电机功率变换器主电路构成功率变换器主电路交流电机电枢绕组无刷直流电机控制系统转子位置传感器三相功率变换器控制电路无刷直流电机控制器1.系统构成2.无刷直流电机与永磁同步电机差别ωt2π0B0(e0)永磁同步电机无刷直流电机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eAeBeC0t1354266无刷直流电机工作原理iAABiBCiCSNFABFACFBCFBAFCAFCBXYZF0有6个定子空间磁势。根据转子位置传感器检测到的转子位置和要求转向来决定产生哪一个磁势。产生的平均转矩最大。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。SNF0nFABFAC60o60o无刷直流电机控制框图-A+÷2∑iaibiciaibicIREFPIPWM逻辑变换PS+A+B+C-B-CIFPositionSensor三相反馈电流输出6路驱动信号电动状态：＋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。Ud++A-AC+B-B+C-C转子位置传感器状态：+A、－B相导通。回馈状态：转子位置传感器状态：+A、－B相导通。+A管、－B管均关断，＋B管子PWM。Ud++A-AC+B-B+C-C电流产生拖动转矩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PS逻辑变换PWM输入+a-a+b-b+c-c转子位置传感器+++A-A+B-B++C-C驱动信号输出电动“1”回馈制动“0”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。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)1(0snnpfn600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。0nT01n02nAB不同频率下的异步电机机械特性变频调速的主要控制方法基于稳态的控制变压变频控制（VariableVoltageVariableFrequency)简称VVVF控制；脉宽调节控制（PulseWidthModulation)简称PWM控制。1.SPWM;2.电压空间矢量PWM；3.优化PWM;4.随机PWM;5.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ωs*ωr*PIFG+ωrωs*ωr++ω1I1*cosω1tcos(ω1t-120o)cos(ω1t-240o)乘法器ia*iaib*icic*ib+PIPWMPIPWMPIPWM三角波驱动信号产生a-ab-bc-cI1=f(ωs)++基本原理：在机械特性的线性段，电磁转矩正比于滑差频率。函数发生器TMψ2++++I1TI1MI2TI2Mω1(a)直流电机模型ψ2I1MI1TI2TI1βF0F2F1(b)电流、磁势向量图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。2T21TM0ILIL2M21MM2ILIL转子磁链方程22M2d/d0tRI22TS20RI转子电压方程稳态时2d/d0t所以2M0IM1M2LI等效直流机模型的方程M2T1T2LIILM1M2LI2T2TpI转矩控制如何实现？22TI和1MI1TI和2211M1TIIISr)d(t和21TS21MRILI其中矢量控制思路最终控制定子磁场的幅值与空间位置来实现。磁链观测算法转速检测驱动电路三相逆变器IM蓄电池PG电容3/2变换转矩计算Isr控制算法(PI,空间电压矢量计算等)转矩和磁链设定算法*1ti*rr1ti1mi1mi1tiTrIs*Va*Vr给定异步电机直接矢量控制框图uua,b,cia,b,cn转子磁链观测R坐标变换iq*iq+-PIUq*id*id+-PIUd*坐标变换ua,b,cu*+PI-+--控制框图转子磁链准确定向方法异步电机直接转矩控制控制原理：通过检测电机定子电压、电流，借助瞬时空间矢量理论来计算电机的磁链和转矩。给定的磁链和转矩分别与计算值比较，对差值进行滞环调节（也称砰砰控制）。再根据定子磁链的空间位置、磁链与转矩的调节结果，来确定逆变器的开关信号。直接转矩控制的优缺点优点：1.电机模型在定子坐标系下，只需3/2变换。2.观测的是定子磁链，受电机参数影响小。3.强调对转矩的直接控制，所以转矩响应迅速。缺点：1.低速时的转矩脉动。2.由于没有电流闭环，容易产生过流。开关磁阻电机及其控制系统的优缺点主要优点：1.电机结构简单，制造容易。2.控制相对简单。3.控制器主电路不会出现直通现象。缺点：1.起动时的噪声脉动转矩较大。2.需要转子位置传感器。