電動車的電動機驅(qū)動及控制技術(shù)發(fā)展概況
張萬峰 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】概述電動車的直流電動機驅(qū)動系統(tǒng)與交流電動機驅(qū)動系統(tǒng)的不同特點，介紹應(yīng)用于電動車的異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)及控制、永磁同步電動機驅(qū)動系統(tǒng)及控制、開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)及控制的進展。
1 引 言
20世紀60年代興起的對電動車的研究與開發(fā)在80年代末引起了研究與生產(chǎn)部門的極大興趣，世界上的各大汽車公司、科研機構(gòu)競相開發(fā)新一代電動車�；趯Νh(huán)境保護、能源利用、資源消耗的綜合考慮，電動車作為一種現(xiàn)代化的新型交通工具，其研究與開發(fā)進入實用化階段，并顯示巨大的生命力。
在電動車的研究中，開發(fā)一種高效率、高可靠性和高性能的驅(qū)動系統(tǒng)是諸多技術(shù)問題的關(guān)鍵，電動車的驅(qū)動系統(tǒng)主要由蓄電池、逆變器和電動機三部分組成。目前電動車的驅(qū)動系統(tǒng)主要采用異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)、永磁同步電動機驅(qū)動系統(tǒng)和開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)三種交流驅(qū)動系統(tǒng)。
電動車驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有多種，從驅(qū)動控制方式可分為集中式與分布式兩種，從傳動方式又可分為直接驅(qū)動與變速器傳動驅(qū)動兩種。本文就應(yīng)用于電動車驅(qū)動的電動機系統(tǒng)及控制技術(shù)作一綜述。
2 電動車的異步電動機驅(qū)動系
統(tǒng)及控制
過去開發(fā)的電動車主要采用直流電動機驅(qū)動系統(tǒng)，直流電動機系統(tǒng)調(diào)速方便，改變其輸入電壓或勵磁電流就可對其轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)獨立的控制，進行平滑地調(diào)速，所以直流電動機調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性和調(diào)速品質(zhì)，但是直流電動機系統(tǒng)由于電刷和換向的存在而導(dǎo)致以下兩方面的缺點，第一，必須進行經(jīng)常性的維修和保養(yǎng)。第二，無法實現(xiàn)高速大容量。這兩方面的缺點使其在電動車驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了限制。
與直流電動機驅(qū)動系統(tǒng)不同的是，異步電動機系統(tǒng)是一種強耦合、非線性、多變量的系統(tǒng)，所以異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)需要復(fù)雜的控制規(guī)則和快速的信號處理技術(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，異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)特性和效率已達到了與直流電動機系統(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機系統(tǒng)更優(yōu)越，所以異步電動機調(diào)速系統(tǒng)在電動車的驅(qū)動中將占有重要的位置。
電動車的異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)需要有優(yōu)良的動態(tài)性能和較高的效率，這是因為一方面要滿足電動車加減速時間的要求，另一方面要使電池組一次充電的行駛距離達到最遠。
目前異步電動機控制技術(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機的控制中得以應(yīng)用，而電動車的異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)的控制主要采用矢量控制技術(shù)，以實現(xiàn)對異步電動機各參量之間的解耦，通過矢量控制將異步電動機定子電流矢量i1沿著氣隙磁鏈方向及其垂直方向而建立的m、t坐標系分解為兩個互相垂直的分量im1和lt1其中im1是定子電流的勵磁分量，it1是定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，通過這一坐標變換可以將異步電動機轉(zhuǎn)化為一個線性系統(tǒng)，對異步電動機勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量進行獨立控制可以使異步電動機系統(tǒng)獲得與直流電動機系統(tǒng)相似的靜態(tài)與動態(tài)特性，應(yīng)用于電動車的矢量控制的異步電動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。
在圖1的控制系統(tǒng)中，傳感器獲得異步電動機的電樞電流信號與角速度信號，并通過電流磁通數(shù)字變換器計算轉(zhuǎn)子磁通位置信號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坐標變換而產(chǎn)生定子三相電樞電流給定量，并通過電流型逆變器實現(xiàn)定子電樞電流跟蹤給定電流。
在異步電動機控制系統(tǒng)中，磁通函數(shù)發(fā)生器保證了電動機在低速區(qū)以恒磁通控制，高速區(qū)以弱磁控制，從而使得電動車的運行狀態(tài)與普通汽車相一致，整個控制系統(tǒng)要滿足異步電動機四象限運行要求，而且要具有優(yōu)良的動態(tài)性能。
電動車的異步電動機系統(tǒng)的功率驅(qū)動單元的主回路結(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車在實際行駛過程中，需要進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流保護單元。
圖2是異步電動機驅(qū)動系統(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)，目的在于使電動車具有快速的響應(yīng)特性，并在電動車加減速時防止過流。對于分立元件的mosfet或igbt組成的逆變回路，應(yīng)使每一功率開關(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，對于功率模塊，因為其內(nèi) |
