電動汽車驅動電機性能與控制

現在全球面臨能源短缺、環境污染問題，電動汽車使用電力驅動，有助于這些問題的解決，發展前景廣闊。目前，有多種類型電機，可用于電動汽車驅動，文中比較、分析了不同類型電機，介紹了其速度控制策略。

文獻[1]介紹比較了感應電機與同步磁阻電機技術，提出同步磁阻電機技術更具優勢的結論；文獻[2]介紹了基于模糊控制方法，進行無刷直流電機電動汽車速度控制的實現方案；文獻[3]介紹了永磁同步電機驅動的磁通弱化控制策略，可以更加高效、穩定地控制電機轉速；文獻[4]對集成轉磁齒輪電機的控制進行介紹，這是一種新型電機，可高效地控制往復直線運動；文獻[5]介紹了一種感應電機速度控制的方案，并進一步介紹了應用這種電機的電動汽車驅動系統設計。

1 驅動電機性能比較[1]

電機在全球減少能源消耗中，發揮著重要作用，因為它們所消耗的電力，約占世界電力使用總量的一半。降低電機的能量消耗，可以通過使用更高效的電機和通過變頻器來實現，從而能夠根據負載變化，進行電機的精確控制。

感應電機已經并且仍然是該行業中，占主導地位的電機技術，但市場上也有更有效的電機技術。在工業電機中，感應電機兩種最重要的競爭技術，分別是永磁同步電機和同步磁阻電機。文中對感應電機和同步磁阻電機，進行了技術方面的比較。

表1 電驅動系統IES級別確定

當前，國際電工委員會（IEC）將國際效率（IE）定為四個等級：IE1-標準效率、IE2-效率高、IE3-超高效、IE4-超級效率和IE5-當前最高等級。證監會規定（EC）新的感應電機不得低于IE3能效水平。只有大中型感應電機（大于30KW）才可能達到IE5水平，而低功率的同步磁阻電機也可達到IE5的效率水平。

同步磁阻電機和感應電機都具有起動能力，但變頻器會影響著電機效率。當前，對于變頻器驅動的不同電機，性能比較還不夠深入。文中對這兩種類型電機性能，進行了比較研究（見文中表1）。得出了同步磁阻電機至少可在低至中等功率變速系統中，替代感應電機，進而可節約電能，降低能耗的結論。

2 驅動電機控制策略

2.1 電動汽車無刷直流電機速度控制 [2]

基于電流波形，永磁無刷電機可分為無刷交流電機（BLAC）和無刷直流電機（BLDC）。與BLAC和異步電機等相比，BLDC有著高效率、高功率因數、無噪音、緊湊、可靠、低維護等優點，在電力牽引、飛機、軍事裝備、工業自動化設備等行業得到了迅速的普及。模糊邏輯在機械控制中應用廣泛，包括電機控制。

“模糊”一詞指的是所涉及的邏輯，可以處理不能僅僅表示為“真”或“假”的概念，而是“部分真實”。模糊邏輯是一種基于“真度”而不是通常的“真”或“假”（1或0）布爾邏輯的計算方法。在現代計算機的基礎上，模糊邏輯可以被認為是一種結合多值邏輯、概率論的數學理論。研究表明，模糊邏輯控制器（FLC）比經典PID等控制器，有更強的魯棒性及更好的抗噪聲能力。

文中采用FLC對無刷直流電機的速度進行控制（圖1），可以控制電動汽車中的無刷直流電機，為其提供一種速度控制系統。采用模糊邏輯技術，對無刷直流電機在反電動勢變化和固定條件下的速度進行估計。最后，利用基于速度和轉子位置模糊估計的比例積分（PID）控制器來控制轉速。

為了檢驗使用這種模糊邏輯和PID控制器結合的轉速控制方法，汽車的速度響應和零穩態誤差，文中利用MATLAB/SIMULINK軟件對諧振逆變器供電的無刷直流電機驅動系統進行了仿真研究。

2.2 同步電機驅動的高效磁通弱化控制策略[3]

由于電池容量有限，汽車應用中的電機通常采用降低體積和質量的方法，來優化能效。由于永磁材料的優異性能、現代逆變器技術的進步，以及復雜的控制算法的發展，永磁同步電機廣泛用于汽車領域。

圖1 電驅動控制圖

理想情況下，在永磁同步電機中，永磁材料在氣隙產生磁通分布，會在定子繞組中產生正弦波形電壓。在保持逆變器電壓的弱磁區域中，已經提出了各種控制算法，以獲得期望的轉矩-速度性能。通過控制最佳直流母線電壓、最大輸入電壓和額定轉矩，電機會達到一個基本速度。

當超過這個速度時，感應電動勢將超過最大施加電壓，從而使電機的相電流不符合維持該速度的需求。為了克服這種情況，必須弱化氣隙磁通，進而減小感應電動勢。相互氣隙磁鏈是轉子磁鏈和定子磁鏈的乘積，這種磁通弱化控制的過程類似于在非永磁直流電機中進行磁通弱化。

文中設計了一種控制電路和控制策略（圖2），可以弱化氣隙磁通。仿真表明，該方法在恒轉矩角區域，顯著地控制了永磁同步電機的氣隙磁通。為了在通量減弱期間實現電機系統的期望性能，減小轉矩波動，需要保持氣隙磁通做功功率恒定。將來，文中會進一步在實車環境中，對這一控制策略進行驗證。

圖2 PMSM 速度控制的系統控制圖

2.3 電機傳動中集成轉磁齒輪電機的控制[4]

在各種各樣的應用中，電機需要以相對低的速度和大扭矩驅動負載進行往復直線運動。目前實現這種負載驅動主要有兩種解決方案。一種是使用高速旋轉電機，通過機械裝置將其旋轉運動轉化為直線運動，但是中間階段一般會降低整體效率和可靠性，需要定期維護。

為了解決這些問題，一個解決方案是使用一個線性電機，直接連接到負載的全電動系統。第二種方案是集成轉磁齒輪集成電機（MITROMAG）。MITRO?MAG是由旋轉電機和磁齒輪轉子裝置（TROMAG）通過機械連接進行工作，可作直線往復運動。TROMAG是一種磁裝置，通過磁場將其轉子的低扭矩、高速旋轉運動轉變為低速直線運動，反之亦然。在電動運行模式下，TROMAG轉子是由旋轉電機驅動的，因此其轉換器驅動往復荷載。

MITROMAG通過磁場，完成旋轉運動到往復直線運動的轉換，與可提供同樣速度和力量的直驅永磁直線電機相比，MITROMAG重量更輕、結構更加緊湊、成本更低。在機器人、航空航天、海浪波能量轉換和汽車懸架等方面，可發揮更大作用。

文中建立了TROMAG非線性動態模型，可以進行振蕩試驗，用來預測設備的動態行為。該模型首先用于預測轉子和轉子振蕩測試中的齒輪行為，并通過實際試驗，驗證了模型結果的準確性?；邶X輪的動態模型，可進一步用于研究TROMAG、旋轉電機和線性負載組成的傳動系性能。

2.4 電動汽車感應電機控制系統設計[5]

直流電機可用于驅動汽車，但直流電機結構笨重，可靠性低、效率低、維護成本高。此外，無刷直流（BLDC）電動機和感應電動機（IM）也可用于電動汽車，但BLDC電機非常昂貴且機械強度低。另一方面，IM具有結構簡單、成本低廉、維護工作量少、可靠性高、可在惡劣環境下運行的特點，因此適用于工業應用。

與直流電機相比，IM的速度控制非常復雜。IM的速度可以通過改變施加電壓的頻率來控制。變頻驅動器（VFD）可以使用空間矢量脈寬調制（SVP?WM）和正弦脈寬調制（SPWM）技術來實現電壓頻率的控制。

文中提出了一種改進的電動汽車IM驅動系統設計方案（圖3），其電驅動系統控制算法見圖4。使用VFD來驅動使用電池組的三相感應電機。采用正弦脈寬調制（SPWM）技術用于實現VFD。為了使系統更高效，使用再生制動裝置回收制動能量。另外，還使用太陽能電池板，用于輔助供能。

圖3 電動汽車電驅動系統

圖4 控制算法流程圖

3 結束語

同步磁阻電機在低至中等功率變速系統中，可以替代感應電機，有節約電能效果。

本文介紹了FLC對無刷直流電機的速度進行控制，介紹了同步電機驅動的高效磁通弱化控制策略和集成轉磁齒輪集成電機（MITROMAG）控制策略，最后總結了感應電機控制系統設計。

參考文獻

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