姚航迪
长城汽车股份有限公司，河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定 071000
摘要：随着科学技术的进步，我国电动汽车行业迅速崛起，纯电动汽车近几年以惊人的速度占领着全球的汽车市场，技术上也获得了飞速发展，我们的视野不能再简单的局限于对燃油汽车的发动机、底盘、车身、电气结构的认识，对纯电动汽车的各项技术应做基本了解。驱动电机及控制系统便是其中重要的一部分，是驱动纯电动汽车行驶的核心部件。
关键词：纯电动汽车；驱动电机；控制系统
引言：纯电动车电机是电力驱动系统中关键的零部件，不同类型电机表现的性能差异比较大，控制方式各有特点。针对主流的四种电机的特性，进行功能分析、数据对比，寻找电动车电机的发展方向。电机是通过将蓄电池的电能（电流）经过功率转化器转化后输送给电动机最终以动能的形式输出，当汽车在减速制动或下坡等工况下将车轮的动能经能量回收系统转化并收集存储在蓄电池中，实现能量循环利用。
1电机控制系统中电动机的应用现状
1.1感应电机
感应电机特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠、低转矩脉动、低噪声、不需要位置传感器、转速极限高。异步电机矢量控制调速技术比较成熟，因此被较早应用于电机控制的驱动系统。感应电机驱动用直接转矩控制器也已研制成功，但是感应电机驱动的最大缺点就是，相对永磁电机而言，异步电机效率和功率密度偏低，现正在逐渐被其它新型无刷永磁电机驱动系统逐步取代。
1.2永磁无刷电动机系统
交流感应式电机虽然结构简单，但是它定、转子皆有绕组，体积较大，功率密度低。70年代以来随着电力电子器件的发展，以及80年代以来各种具有高剩磁、高矫顽力、高磁能积的新型永磁材料，如NdFeB的研发成功，同时永磁材料性能不断提高、价格不断降低促使永磁电机得到迅速发展。永磁无刷电动机可以分为由方波驱动的无刷直流电动机（BLDCM）和由正弦波驱动的无刷直流电动机（PMSM），它们都具有较高的功率密度，其控制方式与感应电机基本相同。BLDCM系统不需要绝对位置传感器，一般采用霍尔元件或增量式码盘，也可以通过检测反电动势波形换相。永磁电动机电气驱动系统转速高，功率因数高节省电能，电机尺寸小、体积小，转子结构简单，稳定性好。就目前而言，纯电动汽车驱动电机大部分采用由正弦波驱动的无刷直流电动机，也就是俗称的永磁同步电机，所以下文的电机控制技术的介绍也就围绕永磁同步电机展开。
1.3VVVF控制
VVVF控制策略的控制变量为电机的外部变量，即电压和频率。控制系统将参考电压和频率输入到实现VVVF的调制器中，最后由逆变器产生一个交变的正弦电压施加在电机的定子绕组上，使之运行在指定的电压和参考频率下。这种控制方法无需从电机端部引入任何速度、位置或电压、电流反馈信号，属于开环控制。这种控制系统易于实现且价格低廉。由于系统中不引入速度、位置或其它任何反馈信号，因此无法精确控制电磁转矩，电机的响应较慢。这种驱动系统仅适用于风机、水泵之类无需精确控制的场合。
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1.4最大转矩/电流控制
最大转矩/电流控制也称单位电流输出电磁转矩最大控制，它是转矩曲线与电流圆的切点组成的一条轨迹，是凸极式PMSM使用较多的一种电流控制策略。对于隐极式PMSM最大转矩/电流控制就是id=0控制。最大转矩/电流控制充分利用了磁阻转矩，提高了单位电流的转矩输出能力，在输出相同转矩时，减小了定子电流，将电动机铜耗和逆变器的损耗降至最小，提高了逆变器的额定容量，使整个系统成本下降，但电流轨迹方程比较复杂，计算量大，实现比较困难。
2电机驱动系统的电机及控制器
2.1直流电机及其控制系统
直流电机结构简单，成本较低同时具有优秀的电磁转矩控制特性，但缺陷同样明显在机械换向结构时比较容易产生电火花，在多尘和易燃易爆环境使用有安全隐患，此外换向器维护困难，转速较低难以满足电动车高转速的需求。斩波器是直流电机控制系统的重要组成部件，电动车的各种工况所需转矩的数值不同，输入的电流可驱动直流电机运行，斩波器的作用是控制输入的电流的数值，按照电动车实际的需求进行调整。直流电机用斩波器作为其功率交换器，电力晶体投管调速装置逐渐投入使用。
2.2弱磁调速方法的研究
由于永磁同步电动机的反电势与转速成正比，因此当电动机端电压随转速升高到逆变器能够输出的最大电压之后，电动机电枢绕组电流不能再增大，如果不采用特殊的控制，电动机不能产生满足车辆机械特性驱动要求的转矩，无法在高速下维持恒功率调速。在电压型逆变器驱动的电动机调速系统中，电动机端电压达到逆变器直流侧最大值后，减弱电动机磁场使电机转速升高的方法——弱磁控制，可以使电动机运行在额定转速以上，从而满足恒功率控制和宽调速范围运行，因此，永磁同步电动机弱磁控制已经成为电动机研究的一个重要课题。由于永磁同步电动机的转子励磁磁场是由永磁体产生的，因此，不可能直接削弱转子磁场，弱磁控制只能利用直轴电枢反应使电动机气隙磁场减弱，从而达到等效于直接减弱磁场的控制效果。针对以上弱磁控制的基本原理，目前，国内外许多学者致力于这方面的研究，提出了许多控制方案和改进措施。通过对已经完成的单组电机控制器试验发现，虽然已经实现弱磁扩速的功能，但是存在弱磁范围不够大，恒力矩工作模式与恒功率工作模块的切换不够平稳等问题。因此需要继续研究弱磁调速技术，来实现高性能的高速运行。
2.3开关磁阻电机及其控制系统
开关磁阻电机的定子和转子铁芯由众多硅钢片的组成。转子没有任何绕组，相比其他直流电机和感应电机没有疲劳故障和转速限制等问题，定子结构简单，制造工艺简单成本低。通过控制相绕组的接通时间、断开时间对应有相应的开启角和关闭角，从而获得相应的转速、转矩需求。开关磁阻在宽转速和转矩范围内运行高效，响应速度快，但转矩波动大，电机噪声大、系统非线性等因素制约了其在电动汽车上的应用。
结语
纯电动汽车将是替代燃油汽车的最可能的选择。驱动电机及其电机控制系统虽然仅仅是整车控制系统中的一部分，但却是很关键的一部分，其技术的先进性、工艺的可靠性、工作的稳定性决定了整车的性价比，也左右着电动汽车技术的前进步伐。相信随着新器件、新技术的不断出现，电动汽车的动力控制系统将会有长足的进步。
参考文献：
[1]陈清泉.现代电动汽车技术[M].北京，北京理工大学出版社，2015.
[2]于寅虎．电机控制技术的最新进步与发展［J］．电子产品世界，2014，21（9）：8－11．
[2]宋述沛，宋希华．驱动电机控制技术在工程机械中的分析［J］．工程建设与设计，2017（2）：58－59．
论文作者:姚航迪
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/26
标签：电机论文; 永磁论文; 转矩论文; 电动机论文; 电流论文; 控制系统论文; 转速论文; 《防护工程》2018年第13期论文;