电动汽车感应电动机及其控制技术简析

电动汽车感应电动机及其控制技术简析

摘要：感应电动机由于具有结构简单，运行可靠，性价比高等优点，逐渐成为电动汽车用主要驱动电机，但由于感应电机的电磁关系复杂，控制困难，矢量控制和直接转矩控制逐渐成为研究的热点。

关键词：电动汽车 感应电电动机 矢量控制 直接转矩控制

一、电动汽车概述

电动汽车是由电动机驱动的机动车辆，包括电池电动车、混合电动车和燃料电池电动车。电动车由于能够实现零排放，所以能有效地避免空气污染，同时它直接利用电能驱动，摆脱了对石油的依赖。随着人们对环境和资源问题的关注，这种古老的运输工具再次成为研究和发展的重点。

电气驱动系统是电动车的心脏，其核心由电动机、功率变换器和控制器构成。 早期的电动车由于功率器件和计算机技术发展有限，大多采用直流驱动，80年代以来因为电力电子技术、计算机技术以及控制理论的发展，交流驱动的电动车已经成为主流。与直流驱动相比，交流驱动具有功率密度大、易维护、效率高等明显优点。

感应电机是较早用于电动车驱动的一种电机，由于感应电机结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，低转矩脉动，低噪声，不用位置传感器，转速极限高，最重要的是由于感应电机调速控制技术成熟，这使它有比较明显的优势，所以感应电动机成为了目前大多数交流驱动的电动车的首选。美国通用公司EV-1轿车、福特公司RANGEREV、日本Nissan公司FEV等都采用感应电机驱动。

1

二、感应电动机控制方法

1 感应电动机调速简介

感应电动机的转速可表示为

60f1(1s)pN （1）

nn1(1s)式中 n1——同步转速（r/min）；

f——定子电源频率（Hz）；

pN——极对数；

s——转差率。

式（1）表明，感应电动机调速可以通过以下三条途径进行：改变电源频率、改变极对数以及改变转差率，即传统意义上的变频调速、变极调速和变转差率调速。由于变频调速范围宽、平滑性好、效率最高、具有优良的静态和动态特性，是应用最广泛的一种高性能交流调速方法。

感应电动机变频调速要求的变压变频（VVVF）电源由变频器提供，电动汽车用变频器是将蓄电池输出的直流电转换成电动机所需的三相交流电，与一般的交直交变频器和交交变频器有一定的区别。

2

目前，电动汽车交流电机及驱动控制系统通常采用两种控制方法：转子磁场定向矢量控制(RFOC)和直接转矩控制(DCT)。下面对这两种控制方式作一简单讨论。

2 三相感应电动机数学模型

（1）电压矩阵方程：

uAr1PL1PM1PM1PM12cosPM12cos1PM12cos2iAuBPM1r1PL1PM1PM12cos2PM12cosPM12cos1iuBCPM1PM1r1PL1PM12cos1PMu12cos2PM12cosaPMiC12cosPMcosPMcosrPLPMPM1221212222iaubPM12cos1PM12cosPM12cos2PM2r2PL2PM2iucPMPM12cos212cos1PM12cosPMPLb2PM2r22ic 式中 ——定子A相轴线与转子a相轴线之间的角度；

r1，r2——定、转子一相的电阻；

L1，L2——定、转子一相的电感；

M1

，M2——定子两相间电感和转子两相间电感；

M12——定、转子相间互感最大值。

（2）转矩方程：

3

2） （

TpNM12[(iAiaiBibiCic)sin(iAiaiBibiCic)sin(2/3) (iAiaiBibiCic)sin(4/3)] （3）

（3）运动方程：

JdpNdt （4）

TTL式中 ——转子角频率；

TL——负载转矩；

J——机组转动惯量。

3 矢量控制

矢量控制理论最早由德国西门子公司的F.Blaschke提出，是一种基于坐标变换的技术，矢量控制技术的应用使得交流交流调速真正获得了如同直流调速同样优良的理想性能，经过30多年工业实践的考验、改进和提高，目前已达到成熟阶段。

由于感应电动机内部的电磁关系相当复杂，定子电压、电流、频率与电机磁通和转矩之间没有简单的对应关系。感应电动机矢量控制的基本思想是： 将电机的定、转子电压、电流、磁势、磁链瞬时值所产生的效应用空间矢量来表示，以转子磁链矢量为参考坐标，通过三相到两相的坐标变换，实现定子电流转矩分量和励磁分量的解耦。既然这两个分量互不影响，互不耦合，可以进行独立的控制和调节，把这两个分量作为被控参数，异步电机就具有和直流电动机一样优良的转矩、转速调节特性，即借助于

4

同步旋转的d-q坐标变换，将定子电流矢量Is分解成两个垂直的电流分量ids和转矩分量iqs，分别用来产生磁通和地磁转矩。具体坐标变换步骤可参见参考文献1或教学笔记，最后的电压转矩方程为：

u1M1Mi1r1PL11L1PMu1T1L1r1PL11MPMu2MPM0r2PL20Mi1Ti2Mu2TsM0sL2r2i2T （5）

电磁转矩方程为：

T32pNM(i1Ti2Mi1Mi2T)3piiL2M2NM[i1T2M22MM(Li1T)]2 32pMNLi1T22 矢量控制系统框图如图1所示：

图1 矢量控制系统框图

5

6）

（

逆变电路如图2所示：

图2 三相感应电动机矢量控制逆变主电路

另外，由F.Blaschke提出的矢量控制称为直接法旋转矢量控制，实际上是按气隙磁场定向的矢量控制，这种方法由于电机齿槽的影响，特别是低速时很难测准，还要安装测磁元件和线路，在实际应用上有困难；因此可以考虑间接法矢量控制的方法，即利用电机电流、电压、转速的信息，通过电流模型法或者电压模型法计算出磁链和坐标转角。

4 直接转矩控制

直接转矩控制是近十年来继矢量控制技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术，最初由德国鲁尔大学的Depenbrock教授于1985年首次提出，接着1987年把它推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制技术，直接转矩控制有着自己的特点，它很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电动机参数变化的影响、实际性能难于达到理论分析结果等一些重大问题，非常适合电动汽车的控制，因此，直接转矩控制一经诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静、动态性能受到了普遍的注意和得到了迅速的发展。

直接转矩控制摒弃了矢量控制中解耦的思想，将转子磁通定向更换为定子磁通，通过

6

控制定子磁链的幅值以及该矢量相对于转子磁链的夹角，从而达到控制转矩的目的。根据SPWM控制方式和磁场加速理论，当气隙磁通维持恒幅而旋转速度可调时，所有其它矢量包括转矩均为转差的函数，这样通过适当选择6个空间非零电压矢量和作用时间，并通过适当加入一个或多个空间零矢量来调节气隙磁通的运动轨迹和速度,就能控制转矩。

为实现转矩的快速响应，直接转矩控制系统不用PI转矩调节器，而用两点式(Bang-Bang)控制，但由此产生转矩脉动,限制了系统的调速范围；而且直接转矩控制低速时易产生波动，没有电流闭环，易产生过流，不能满足电动汽车低速爬坡稳定大转矩的要求。因此，消除或减少转矩脉动，提高调速范围，加快动态响应，将是今后的工作方向，也是直接转矩控制方法与矢量控制竞争的关键。国内外研究方向是将现有的直接转矩控制系统和矢量控制系统相结合，取长补短，构成性能更优越的控制系统。

三、结论

本文结合电动汽车驱动用的感应电动机，简单研究了现在讨论得比较热的电动机的两种驱动控制方法：矢量控制和直接转矩控制，着重就三相感应电机的数学模型，推出其矢量控制的数学模型，给出了矢量控制的基本框图和变频电路。最后简要地介绍了直接驱动控制方法，并于矢量控制方法作了简单比较，对比两种控制方法的优缺点，可以看出今后研究的热点将是将两种控制方法相结合驱动控制方法。

参考文献：

[1] 胡崇岳．现代交流调速技术．机械工业出版社，2003

[2] 李夙．异步电动机直接转矩控制．机械工业出版社，2001

7

[3] 陈清泉，孙逢春，祝嘉光．现代电动汽车技术．北京理工大学出版社，2002

[4] 杜坤梅，李铁才．电机控制技术．哈尔滨工业大学出版社，2002

[5] 翟丽，孙逢春．电动汽车感应电机矢量控制系统建模仿真．驱动控制

[6] 吴峻等．电动车异步电机驱动技术的应用和发展．中小型电机，2001（28）

[7] 田海，王国军．新概念电动汽车的发展及关键技术．天津汽车

[8] 游琳娟等．电动车电机及其控制技术的发展．中小型电机，2001（28）

[9] 徐小曾等．矢量控制感应电机参数变化的影响研究．华中科技大学学报，2003（7）

[10] 赵葵银，吴俊．基于TMS320F240的SVPWM空间矢量逆变器的研究．机床电器，2003（5）

8