電動(dòng)車的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)發(fā)展概況

  張萬(wàn)峰  扈宏杰  付承倫(哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海分校山東264．200)

    【摘  要】概述電動(dòng)車的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不同特點(diǎn)，介紹應(yīng)用于電動(dòng)車的異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制、永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制的進(jìn)展。

1  引  言

    20世紀(jì)60年代興起的對(duì)電動(dòng)車的研究與開(kāi)發(fā)在80年代末引起了研究與生產(chǎn)部門(mén)的極大興趣，世界上的各大汽車公司、科研機(jī)構(gòu)競(jìng)相開(kāi)發(fā)新一代電動(dòng)車。基于對(duì)環(huán)境保護(hù)、能源利用、資源消耗的綜合考慮，電動(dòng)車作為一種現(xiàn)代化的新型交通工具，其研究與開(kāi)發(fā)進(jìn)入實(shí)用化階段，并顯示巨大的生命力。

    在電動(dòng)車的研究中，開(kāi)發(fā)一種高效率、高可靠性和高性能的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是諸多技術(shù)問(wèn)題的關(guān)鍵，電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由蓄電池、逆變器和電動(dòng)機(jī)三部分組成。目前電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要采用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三種交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

    電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有多種，從驅(qū)動(dòng)控制方式可分為集中式與分布式兩種，從傳動(dòng)方式又可分為直接驅(qū)動(dòng)與變速器傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩種。本文就應(yīng)用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)及控制技術(shù)作一綜述。

2  電動(dòng)車的異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系

  統(tǒng)及控制

  過(guò)去開(kāi)發(fā)的電動(dòng)車主要采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)調(diào)速方便，改變其輸入電壓或勵(lì)磁電流就可對(duì)其轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的控制，進(jìn)行平滑地調(diào)速，所以直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性和調(diào)速品質(zhì)，但是直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)由于電刷和換向的存在而導(dǎo)致以下兩方面的缺點(diǎn)，第一，必須進(jìn)行經(jīng)常性的維修和保養(yǎng)。第二，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速大容量。這兩方面的缺點(diǎn)使其在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了限制。

    與直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同的是，異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是一種強(qiáng)耦合、非線性、多變量的系統(tǒng)，所以異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要復(fù)雜的控制規(guī)則和快速的信號(hào)處理技術(shù)。隨著控制理論、微處理技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和效率已達(dá)到了與直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相媲美的水平，而其成本、可靠性、制造工藝等方面已顯示了比直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)更優(yōu)越，所以異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)中將占有重要的位置。

    電動(dòng)車的異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能和較高的效率，這是因?yàn)橐环矫嬉獫M足電動(dòng)車加減速時(shí)間的要求，另一方面要使電池組一次充電的行駛距離達(dá)到最遠(yuǎn)。

    目前異步電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)已逐漸完善和成熟，恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、自適應(yīng)控制等都已在異步電動(dòng)機(jī)的控制中得以應(yīng)用，而電動(dòng)車的異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制主要采用矢量控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)各參量之間的解耦，通過(guò)矢量控制將異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量i1沿著氣隙磁鏈方向及其垂直方向而建立的m、t坐標(biāo)系分解為兩個(gè)互相垂直的分量im1和lt1其中im1是定子電流的勵(lì)磁分量，it1是定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，通過(guò)這一坐標(biāo)變換可以將異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為一個(gè)線性系統(tǒng)，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量進(jìn)行獨(dú)立控制可以使異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)獲得與直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相似的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性，應(yīng)用于電動(dòng)車的矢量控制的異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

    在圖1的控制系統(tǒng)中，傳感器獲得異步電動(dòng)機(jī)的電樞電流信號(hào)與角速度信號(hào)，并通過(guò)電流磁通數(shù)字變換器計(jì)算轉(zhuǎn)子磁通位置信號(hào)θ和電流im2，定子電流的轉(zhuǎn)矩分量是由轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器根據(jù)轉(zhuǎn)矩的給定量和反饋量產(chǎn)生的，定子電流的磁通分量是由磁通函數(shù)發(fā)生器的輸出和轉(zhuǎn)子磁通的反饋量產(chǎn)生的，定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量通過(guò)坐標(biāo)變換而產(chǎn)生定子三相電樞電流給定量，并通過(guò)電流型逆變器實(shí)現(xiàn)定子電樞電流跟蹤給定電流。

    在異步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，磁通函數(shù)發(fā)生器保證了電動(dòng)機(jī)在低速區(qū)以恒磁通控制，高速區(qū)以弱磁控制，從而使得電動(dòng)車的運(yùn)行狀態(tài)與普通汽車相一致，整個(gè)控制系統(tǒng)要滿足異步電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行要求，而且要具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。

    電動(dòng)車的異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的功率驅(qū)動(dòng)單元的主回路結(jié)構(gòu)與普通的逆變器的結(jié)構(gòu)基本相同，所不同的是由于電動(dòng)車在實(shí)際行駛過(guò)程中，需要進(jìn)行頻繁的正反向加減速，所以逆變器的主回路結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較大的裕量和可靠的過(guò)流保護(hù)單元。

圖2是異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主回路結(jié)構(gòu)，該主回路結(jié)構(gòu)采用電流型逆變器結(jié)構(gòu)，目的在于使電動(dòng)車具有快速的響應(yīng)特性，并在電動(dòng)車加減速時(shí)防止過(guò)流。對(duì)于分立元件的mosfet或igbt組成的逆變回路，應(yīng)使每一功率開(kāi)關(guān)元件反并聯(lián)快恢復(fù)二極管，以給電樞繞組的電流構(gòu)成續(xù)流回路，對(duì)于功率模塊，因?yàn)槠鋬?nèi)