電動汽車驅動控制原理

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 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 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 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 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 0 )(nfP )(nfT TP n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 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 89 95 97 94 95 90 效 率 （ 10 負 載 ） 80 87 90 92 79 85 78 86最 高 轉 速 （ rpm) 40006000 400010000 900015000 15000電 機 費 用 /kW($) 10 1015 812 610控 制 器 成 本 1 2.5 3.5 4.5堅 固 性 良 良 優(yōu) 良信 賴 性 普 通 良 優(yōu) 良 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 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 A B C +A -A +B -B +C -CUd + C 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 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 2.無 刷 直 流 電 機 與 永 磁 同 步 電 機 差 別t20B0(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 三 相 無 刷 直 流 電 機 的 無 載 電 勢eA eB eC0 t1 3 542 66 無 刷 直 流 電 機 工 作 原 理 iA A Bi BCiC S N FABFACFBC FBA FCA FCBX YZ F0 有 6個 定 子 空 間 磁 勢 。 根 據(jù) 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 。 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。S N F0nFABFAC 60o 60o 無 刷 直 流 電 機 控 制 框 圖 -A+ 2iaibiciaibic IREF PI PWM邏輯變換PS +A+B+C -B-CIFPosition Sensor三 相 反 饋 電 流 輸 出 6路 驅 動 信 號 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 。回 饋 狀 態(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 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 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 。 異 步 電 機 及 其 控 制 系 統(tǒng)1. 異 步 電 機 變 頻 調 速 原 理 )1( 0 sn n p fn 600 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 。0n T01n02n AB不 同 頻 率 下 的 異 步 電 機 機 械 特 性 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 （ Variable Voltage Variable Frequency) 簡 稱 VVVF控 制 ； 脈 寬 調 節(jié) 控 制 （ Pulse Width Modulation) 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. 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 。 ） 異 步 電 機 滑 差 頻 率 控 制 框 圖s*r* P I FG+r s*r+ 1 I1*cos1tcos(1t -120o)cos(1t -240o) 乘法器 ia* iaib* icic* ib+ PI PWMPI PWMPI PWM三 角 波 驅動信號產生 a-ab-bc-cI1 =f (s) + 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(shù) 發(fā) 生 器 T M 2+ + I1TI1MI2TI2M 1(a ) 直 流 電 機 模 型 2I1MI1TI2T I1 F0F2 F1(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 。 2T 2 1T M 0I L I L 2M 2 1M M 2I L I L 轉 子 磁 鏈 方 程 2 2M 2d /d 0tR I 2 2T S 2 0R I 轉 子 電 壓 方 程穩(wěn) 態(tài) 時 2d /d 0t 所 以 2M 0I M 1M2 L I 等 效 直 流 機 模 型 的 方 程 M2T 1T2LI IL M 1M2 L I 2T 2T pI 轉 矩控 制 如 何 實 現(xiàn) ？ 2 2TI和1MI 1TI和 2 21 1M 1TI I I Sr )d( t 和2 1TS 2 1MR IL I 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) 。 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Is r控 制 算 法(PI,空 間 電 壓矢 量 計 算 等 )轉 矩 和 磁 鏈設 定 算 法 *1ti*r r1ti1mi 1mi1tiTr Is*Va*V r給 定 異 步 電 機 直 接 矢 量 控 制 框 圖 uua,b,cia,b,cn 轉 子磁 鏈觀 測 R 坐 標變 換iq* iq+- PI Uq*id* id+- PI Ud* 坐 標變 換 ua,b,cu* + PI- + - - 控 制 框 圖 轉 子 磁 鏈 準 確 定 向 方 法 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(jù) 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 。 直 接 轉 矩 控 制 的 優(yōu) 缺 點 優(yōu) 點 ：1. 電 機 模 型 在 定 子 坐 標 系 下 ， 只 需 3/2變 換 。2. 觀 測 的 是 定 子 磁 鏈 ， 受 電 機 參 數(shù) 影 響 小 。3. 強 調 對 轉 矩 的 直 接 控 制 ， 所 以 轉 矩 響 應 迅 速 。 缺 點 ：1. 低 速 時 的 轉 矩 脈 動 。2. 由 于 沒 有 電 流 閉 環(huán) ， 容 易 產 生 過 流 。 開 關 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 構 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 矩 較 大 。 2. 需 要 轉 子 位 置 傳 感 器 。 感謝聆聽！THANK YOU FOR WATCHING!放映結束歡迎批評指導！ 演 示 結 束 ！ ！歡 迎 提 出 寶 貴 意 見 ！ ！