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1、新能源汽车技术 第 1 页,第3章 电动汽车用电动机(二),3.4 异步电动机 3.5 永磁同步电动机 3.6 开关磁阻电动机,新能源汽车技术 第 2 页,3.4 异步电动机,异步电动机又称感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现电能量转换为机械能量的一种交流电动机。异步电动机的种类很多。最常见的方法是按转子结构和定子绕组相数分类。按照转子结构来分，有笼型异步电动机和绕线型异步电动机；按照定子绕组相数来分，有单相异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机。,新能源汽车技术 第 3 页,1.异步电动机的结构与特点,1)异步电动机的结构异步电动机主要由静止的定子
2、和旋转的转子两大部分组成。(1)定子 异步电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座构成。(2)转子。异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。,新能源汽车技术 第 4 页,1.异步电动机的结构与特点,三相异步电动机的典型结构,新能源汽车技术 第 5 页,2).异步电动机的特点,转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。异步电动机转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率，因而调速性能较差。此外，异步电动机运行时，从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。,1.异步电动机的结构与特点,新能源汽车
3、技术 第 6 页,2.异步电动机的工作原理,异步电动机工作原理图,新能源汽车技术 第 7 页,2.异步电动机的工作原理,异步电动机的转子转速与定子旋转磁场的同步转速之间存在转速差，它的大小决定着转子电动势及其频率的大小，直接影响异步电动机的工作状态。通常将转速差与同步转速的比值，用转差率表示，即有式中，为转差率；为定子旋转磁场的同步转速；为转子转速。,新能源汽车技术 第 8 页,3.异步电动机的运行特性,1)异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性是指电动机在保持额度电压和额定频率不变的情况下，电动机的转速、电磁转矩、定子电流、效率和功率因数随输出功率变化的特性。转速特性和转矩特性关系到电动机
4、与机械负载匹配的合理性；定子电流特性可以表明电动机的发热情况，关系到电动机运行的可靠性和使用寿命；效率特性和功率因数特性关系到电动机运行的经济性。,新能源汽车技术 第 9 页,3.异步电动机的运行特性,异步电动机的工作特性,新能源汽车技术 第 10 页,3.异步电动机的运行特性,2)异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性是指电动机在恒定电压和恒定频率的情况下，电动机的转速与转矩之间的关系。异步电动机的机械特性分为自然机械特性和人为机械特性。,新能源汽车技术 第 11 页,3.异步电动机的运行特性,在电源电压和电源频率恒定且定、转子回路不接入任何附加设备时的机械特性称为自然机械特性。,新能源汽
5、车技术 第 12 页,3.异步电动机的运行特性,电源电压、电源频率、电动机极对数、定子或转子回路接入其它附属设备，其中任意一项改变得到的机械特性称为人为机械特性。,新能源汽车技术 第 13 页,4.异步电动机的数学模型,三相异步电动机的物理模型,新能源汽车技术 第 14 页,4.异步电动机的数学模型,（1）电压方程 三相定子绕组的电压平衡方程为,新能源汽车技术 第 15 页,4.异步电动机的数学模型,三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为,分别为定子和转子相电压的瞬时值；分别为定子和转子相电流的瞬时值；分别为各相绕组的全磁链；分别为定子和转子绕组的电阻。,新能源汽车技术 第 16 页,4.异步
6、电动机的数学模型,上述各量度已折算到定子侧。将电压方程写成矩阵形式，并以微分算子 代替微分符号。,新能源汽车技术 第 17 页,4.异步电动机的数学模型,（2）磁链方程 六个绕组的磁链可表示为 对角线元素是各有关绕组的自感，其余各项是绕组间的互感。,新能源汽车技术 第 18 页,4.异步电动机的数学模型,根据磁链方程和电压方程，可以得到展开后的电压方程为,新能源汽车技术 第 19 页,4.异步电动机的数学模型,（3）运动方程 在一般情况下，电气传动系统的运动方程式是式中，TL为负载转矩；J为机组的转动惯量；D为与转速成正比的负载转矩阻尼系数；K为扭转弹性转矩系数；为极对数。对于恒转矩负载，D=
7、0，K=0，则,新能源汽车技术 第 20 页,4.异步电动机的数学模型,（4）转矩方程 按照机电能量转换原理，可求出电磁转矩Te的表达式为,新能源汽车技术 第 21 页,4.异步电动机的数学模型,三相异步电动机的数学模型 将前述式子归纳起来，便构成在恒转矩负载下三相异步电动机的多变量非线性数学模型。,新能源汽车技术 第 22 页,5.异步电动机的控制,异步电动机是一个多变量（多输入输出）系统，其中变量电压（电流）、频率、磁通、转速之间又相互影响，所以其又是强耦合的多变量系统。如何对这样一个非线性、多变量、强耦合的复杂系统进行有效控制，成为研究的重点。目前对异步电动机的调速控制主要有恒压频比开环
8、控制（VVVF）、转差控制、矢量控制（VC）以及直接转矩控制（DTC）等。,新能源汽车技术 第 23 页,5.异步电动机的控制,1)异步电动机的矢量控制 矢量控制理论采用矢量分析的方法来分析交流电动机内部的电磁过程。它模仿对直流电动机的控制技术，将交流电动机的定子电流解耦成互相独立的产生磁链的分量和产生转矩的分量。分别控制这两个分量就可以实现对交流电动机的磁链控制和转矩控制的完全解耦，从而达到理想的动态性能。,新能源汽车技术 第 24 页,5.异步电动机的控制,异步电动机矢量控制原理 对于笼型转子电动机，转子短路，则有，数学模型中的电压矩阵方程式可简化为 转矩方程为,新能源汽车技术 第 25
9、页,5.异步电动机的控制,在矢量控制系统中，被控制量是定子电流，因此，必须从数学模型中找出定子电流的两个分量与其他物理量的关系。运算得 所以 运算得到 式中，为转子励磁时间常数。,新能源汽车技术 第 26 页,5.异步电动机的控制,由简化得电压矩阵方程式可得,进一步计算可得,新能源汽车技术 第 27 页,5.异步电动机的控制,异步电动机矢量控制的特点(1)可以从零转速起进行速度控制，因此调速范围很宽广；(2)可以对转矩实行较为精确控制；(3)系统的动态响应速度很快；(4)电动机的加速度特性很好。,新能源汽车技术 第 28 页,5.异步电动机的控制,2).异步电动机直接转矩控制 直接转矩控制是将
10、电动机输出转矩作为直接控制对象，通过控制定子磁场向量控制电动机转速。通过控制PWM型逆变器的导通和切换方式，控制电动机的瞬时输入电压，改变磁链的旋转速度来控制瞬时转矩，使系统性能对转子参数呈现鲁棒性。,新能源汽车技术 第 29 页,5.异步电动机的控制,异步电动机直接转矩控制系统的结构与原理 直接转矩控制系统框图如下图所示。它主要包括磁链调节器、转矩调节器、磁链和转矩观测器、转速调节器等。其中磁链观测器对磁链的观测是否准确对整个控制系统的稳定性有着举足轻重的作用，而开关策略和磁链、转矩调节是先进控制算法的核心部分。,直接转矩控制系统结构图,新能源汽车技术 第 31 页,5.异步电动机的控制,直
11、接转矩控制的特点(1)直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数字模型，控制电动机的磁链和转矩。(2)直接转矩控制磁通估算所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。(3)直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制其各物理量。(4)直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。,新能源汽车技术 第 32 页,3.5 永磁同步电动机,永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）具有高效、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低振动噪声的
12、特点，通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能，在电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，受到国内外电动汽车界的高度重视，是最具竞争力的电动汽车驱动电机系统之一。,新能源汽车技术 第 33 页,1.永磁同步电动机的结构与特点,1)永磁同步电动机结构 永磁同步电动机分为正弦波驱动电流的永磁同步电动机和方波驱动电流的永磁同步电动机。这里介绍的主要是以三相正弦波驱动的永磁同步电动机。,永磁同步电动机的结构示意图,表面嵌入式转子结构,a）内置径向式 b）内置切向式 c）内置混合式,内置式转子结构,新能源汽车技术 第 37 页,1.永磁同步电动机的结构与特点,2)永磁同步电动机的特点优点：（1）用永磁体
13、取代绕线式同步电动机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，以电子换向实现无刷运行，结构简单，运行可靠；（2）永磁同步电动机的转速与电源频率间始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能控制电动机的转速；（3）永磁同步电动机具有较硬的机械特性，对于因负载的变化而引起的电动机转矩的扰动具有较强的承受能力；,新能源汽车技术 第 38 页,1.永磁同步电动机的结构与特点,（4）永磁电动机转子为永久磁铁无需励磁，因此电动机可以在很低的转速下保持同步运行，调速范围宽；（5）永磁同步电动机与异步电动机相比，不需要无功励磁电流，因而功率因数高，定子电流和定子铜耗小，效率高；（6）体积小、重量轻。（7）
14、结构多样化，应用范围广。,新能源汽车技术 第 39 页,1.永磁同步电动机的结构与特点,缺点：（1）由于永磁同步电动机转子为永磁体，无法调节，必须通过加定子直轴去磁电流分量来削弱磁场，这会增大定子的电流，增加电动机的铜耗；（2）永磁电动机的磁钢价格较高。,新能源汽车技术 第 40 页,2.永磁同步电动机的运行原理与特性,1)电枢反应永磁同步电动机带负载时，气隙磁场是永磁体磁动势和电枢磁动势共同建立的。电枢磁动势对气隙磁场有影响，电枢磁动势的基波对气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应不仅使气隙磁场波形发生畸变，而且还会产生去磁或增磁作用，因此，气隙磁场将影响永磁同步电动机的运行特性。,新能源汽车
15、技术 第 41 页,2.永磁同步电动机的运行原理与特性,2)电压方程式忽略磁饱和效应的影响，永磁同步电动机的电压方程式为式中，为电枢端电压；为励磁电动势；为电枢电流；为电枢电流在d轴的分量；为电枢电流在q轴的分量；为电枢绕组电阻；为直轴同步电抗；为交轴同步电抗。,新能源汽车技术 第 42 页,2.永磁同步电动机的运行原理与特性,3)功率与转矩 当永磁同步电动机具有滞后功率因数并考虑电枢电阻的影响，电动机从电网输入的电功率为 式中，为电动机的功率角。电动机的电磁功率为 式中，为电动机的电枢绕组铜耗。,新能源汽车技术 第 43 页,2.永磁同步电动机的运行原理与特性,如果忽略电枢电阻的影响，则上式
16、的前半部分称为基本电磁功率，由永磁磁场与电枢磁场相互作用产生；后半部分因凸极效应产生，称为附加电磁功率或磁阻功率。,电磁功率与功率角的关系称为永磁同步电动机的功角特性。,永磁同步电动机的功角特性和矩角特性,新能源汽车技术 第 45 页,2.永磁同步电动机的运行原理与特性,4)运行特性 永磁同步电动机的运行特性主要是机械特性和工作特性。永磁同步电动机机械特性为平行于横轴的直线，调节电源频率来调节电动机转速时，转速将严格地与频率成正比例变化。永磁同步电动机的工作特性是指当电源电压恒定时，电动机的输入功率、电枢电流、效率、功率因数等随输出功率变化的关系。,永磁同步电动机的机械特性,永磁同步电动机的工
17、作特性,新能源汽车技术 第 48 页,3.永磁同步电动机的数学模型,假定：（1）磁路不饱和，电动机电感不受电流变化影响，不计涡流和磁滞损耗；（2）忽略齿槽、换相过程和电枢反应的影响；（3）电动机的反电动势是正弦的；（4）电动机各相绕组电阻相等；（5）转子上无阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用。,新能源汽车技术 第 49 页,3.永磁同步电动机的数学模型,静止三相坐标系(ABC)模型,新能源汽车技术 第 50 页,3.永磁同步电动机的数学模型,三相绕组的静止坐标系(ABC)电压方程为,新能源汽车技术 第 51 页,3.永磁同步电动机的数学模型,通过坐标变换，可以将永磁同步电动机在ABC三相静止坐标系
18、下的电压电流量变换到转子坐标系下。由此可以得,新能源汽车技术 第 52 页,3.永磁同步电动机的数学模型,电磁转矩方程为式中，为电动机磁极对数；为永磁体产生的磁链；，直交流电感；，为直交流电流。定子电流空间矢量 与定子磁链空间矢量 同相，且定子磁链与永磁体产生的气隙磁场间的空间角度为，则,新能源汽车技术 第 53 页,3.永磁同步电动机的数学模型,下式代入上式得到 由上式可以看出，永磁同步电动机输出转矩中包含两个分量，第一项是由两磁场互相作用所产生的电磁转矩，第二项是由凸极效应引起，并与两轴电感参数的差值成正比的磁阻转矩。,新能源汽车技术 第 54 页,4.永磁同步电动机的控制,1).恒压频比
19、开环控制(VVVF)VVVF的控制变量为电动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控制策略的调制器中，最后由逆变器产生一个交变的正弦电压施加在电动机的定子绕组上，使之运行在指定的电压和参考频率下。,新能源汽车技术 第 55 页,4.永磁同步电动机的控制,2)矢量控制 永磁同步电动机矢量控制策略与异步电动机矢量控制策略有些不同。由于永磁同步电动机转速和电源频率严格同步，其转子转速等于旋转磁场转速，转差恒等于零，没有转差功率，控制效果受转子参数影响小。因此，在永磁同步电动机上更容易实现矢量控制。,永磁同步电动机矢量控制系统框图,新能源汽车技术 第 57 页,4.永磁同步电动机
20、的控制,3)直接转矩控制 实际系统中，开关信号是由转矩和定子磁链的给定值与反馈值的偏差经滞环比较得到。而转矩和定子磁链的给定值是由电磁转矩和定子磁链估算模型计算得到的。,PMSM直接转矩控制系统结构,新能源汽车技术 第 59 页,4.永磁同步电动机的控制,4)智能控制 采用智能控制方法的永磁同步电机控制系统，在多环控制结构中，智能控制器处于最外环充当速度控制器，而内环电流控制、转矩控制仍采用PI控制、直接转矩控制这些方法。,新能源汽车技术 第 60 页,3.6 开关磁阻电动机,1.开关磁阻电动机结构与特点开关磁阻电动机的结构 开关磁阻电动机是由双凸极的定子和转子组成，其定子、转子的凸极均由普通
21、的硅钢片叠压而成。定子极上绕有集中绕组，把沿径向相对的两个绕组串联成一个两级磁极，称为“一相”；转子既无绕组又无永磁体，仅由硅钢片叠成。,新能源汽车技术 第 61 页,1.开关磁阻电动机结构与特点,开关磁阻电动机的特点优点：（1）可控参数多，调速性能好；（2）结构简单，成本低；（3）损耗小，运转效率高；,新能源汽车技术 第 62 页,1.开关磁阻电动机结构与特点,缺点：（1）转矩脉动现象较大；（2）振动和噪声较大，特别是在负载运行的时候；（3）电动机出线头较多，还有位置检测器出线端；（4）电动机数学模型比较复杂，准确模型难建立；（5）控制复杂，依赖于电动机的结构。,新能源汽车技术 第 63 页
22、,2.开关磁阻电动机工作原理与运行特性,1)开关磁阻电动机的工作原理,开关磁阻电动机的工作原理示意图,新能源汽车技术 第 64 页,2.开关磁阻电动机工作原理与运行特性,2).开关磁阻电动机的运行特性,SR电动机的运行特性图,新能源汽车技术 第 65 页,3.开关磁阻电动机的数学模型,1）基本方程 当恒定直流电源给开关磁阻电动机供电时，其电压方程为 式中，为电源电压；为绕组电阻；为绕组电流；为绕组磁链。绕组磁链与绕组电流和转子位置有关，即 式中，为转子位置角；定子绕组电感。,新能源汽车技术 第 66 页,3.开关磁阻电动机的数学模型,根据力学原理，电动机的转矩平衡方程式为电动机的电磁转矩也可以
23、通过磁共能和转子位置求得式中，为磁共能。,有上述两式得,新能源汽车技术 第 67 页,3.开关磁阻电动机的数学模型,2）绕组电感,相电感与转子位置关系,新能源汽车技术 第 68 页,3.开关磁阻电动机的数学模型,由相电感与转子位置的关系可得开关磁阻电动机任意一相绕组电感方程为 定子磁极极弧。,新能源汽车技术 第 69 页,3.开关磁阻电动机的数学模型,3）电磁转矩 当电流为一恒定值时，电磁转矩为 综上得电磁转矩为,新能源汽车技术 第 70 页,3.开关磁阻电动机的数学模型,4）绕组电流 电压方程可改写为 设开通角为，关断角为，若己知初始条件，则根据上两式可得绕组电流。,新能源汽车技术 第 71
24、 页,4.开关磁阻电动机的控制,开关磁阻电动机既可以通过控制电动机自身的参数(如开通角、关断角)来实现，也可以用适用于其它电动机上的控制理论，如PID控制、模糊控制等，对功率变换器部分进行控制，进而实现电动机的速度调节。针对SRM自身参数进行控制，目前主要使用的几种基本控制方式有：角度位置控制(APC)、电流斩波控制(CCC)和电压控制(VC)。,新能源汽车技术 第 72 页,4.开关磁阻电动机的控制,1).角度位置控制方式(APC)角度位置控制是，在加在绕组上的电压一定的情况下，通过改变绕组上主开关的开通角和关断角，来改变绕组的通、断电时刻，调节相电流的波形，实现转速闭环控制。,新能源汽车技
25、术 第 73 页,4.开关磁阻电动机的控制,2).电流斩波控制 根据电动势平衡方程式可知，电动机低速运行特别是启动时，旋转电动势引起的压降很小，相电流上升快，为避免过大的电流脉冲对功率开关器件及电动机造成损坏，需要对电流峰值进行限定，因此，可采用电流的斩波控制，获取恒转矩的机械特性。目前常用的有两种方案：对电流上、下限进行限制的控制，及限制电流上限值和恒定关断时间的控制。,新能源汽车技术 第 74 页,4.开关磁阻电动机的控制,3).电压控制(VC)VC方式是保持开通角、关断角不变的前提下，使功率开关器件工作在脉冲宽度调制(PWM)方式。通过调节PWM波的占空比，来调整加在绕组两端电压的平均值
26、，进而改变绕组电流的大小，实现对转速的调节。,新能源汽车技术 第 75 页,4.开关磁阻电动机的控制,4).基于DSP的开关磁阻电动机控制 DSP控制器的出现为全数字控制提供厂可靠的保证，而开关磁阻电动机系统的位置闭环控制、各相轮流导通的特殊运行方式特别适合采用直接数字控制。一方面，采用直接数字控制可以简化硬件电路，提高系统的可靠性。,基于TMS320LF2407 DSP的SRD控制系统硬件,位置检测电路接口,PWM输出电路,电流检测电路与DSP的接口,系统保护电路,SRD控制策略框图,新能源汽车技术 第 82 页,4.开关磁阻电动机的控制,软件主要由以下程序模块组成(1)主程序(2)初始化子程序(3)定时器中断(4)捕获中断,基于TMS320LF2407 DSP的SRD系统控制流程,新能源汽车技术 第 84 页,思考题,1.电动汽车用电动机主要有哪儿种?其特点是什么?2.电动汽车对电动机有哪些要求?3.直流电动机有哪些类型?其运行特性如何?4.直流电动机的转速控制方法有哪些?5.无刷直流电动机工作原理如何?其控制方法有哪些?6.异步电动机工作原理如何?其控制方法有哪些?7.永磁同步电动机的运行原理与特性如何?8.开关磁阻电动机工作原理如何?其控制方法有哪些?,
