电动车的电动机驱动及控制技术发展概况

  张万峰  扈宏杰  付承伦(哈尔滨工业大学威海分校山东264．200)

    【摘  要】概述电动车的直流电动机驱动系统与交流电动机驱动系统的不同特点，介绍应用于电动车的异步电动机驱动系统及控制、永磁同步电动机驱动系统及控制、开关磁阻电动机驱动系统及控制的进展。

1  引  言

    20世纪60年代兴起的对电动车的研究与开发在80年代末引起了研究与生产部门的极大兴趣，世界上的各大汽车公司、科研机构竞相开发新一代电动车。基于对环境保护、能源利用、资源消耗的综合考虑，电动车作为一种现代化的新型交通工具，其研究与开发进入实用化阶段，并显示巨大的生命力。

    在电动车的研究中，开发一种高效率、高可靠性和高性能的驱动系统是诸多技术问题的关键，电动车的驱动系统主要由蓄电池、逆变器和电动机三部分组成。目前电动车的驱动系统主要采用异步电动机驱动系统、永磁同步电动机驱动系统和开关磁阻电动机驱动系统三种交流驱动系统。

    电动车驱动系统的结构有多种，从驱动控制方式可分为集中式与分布式两种，从传动方式又可分为直接驱动与变速器传动驱动两种。本文就应用于电动车驱动的电动机系统及控制技术作一综述。

2  电动车的异步电动机驱动系

  统及控制

  过去开发的电动车主要采用直流电动机驱动系统，直流电动机系统调速方便，改变其输入电压或励磁电流就可对其转矩实现独立的控制，进行平滑地调速，所以直流电动机调速系统具有良好的动态特性和调速品质，但是直流电动机系统由于电刷和换向的存在而导致以下两方面的缺点，第一，必须进行经常性的维修和保养。第二，无法实现高速大容量。这两方面的缺点使其在电动车驱动系统中的应用受到了限制。

    与直流电动机驱动系统不同的是，异步电动机系统是一种强耦合、非线性、多变量的系统，所以异步电动机驱动系统需要复杂的控制规则和快速的信号处理技术。随着控制理论、微处理技术和电力电子技术的发展，异步电动机驱动系统的动态特性和效率已达到了与直流电动机系统相媲美的水平，而其成本、可靠性、制造工艺等方面已显示了比直流电动机系统更优越，所以异步电动机调速系统在电动车的驱动中将占有重要的位置。

    电动车的异步电动机驱动系统需要有优良的动态性能和较高的效率，这是因为一方面要满足电动车加减速时间的要求，另一方面要使电池组一次充电的行驶距离达到最远。

    目前异步电动机控制技术已逐渐完善和成熟，恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制、自适应控制等都已在异步电动机的控制中得以应用，而电动车的异步电动机驱动系统的控制主要采用矢量控制技术，以实现对异步电动机各参量之间的解耦，通过矢量控制将异步电动机定子电流矢量i1沿着气隙磁链方向及其垂直方向而建立的m、t坐标系分解为两个互相垂直的分量im1和lt1其中im1是定子电流的励磁分量，it1是定子电流的转矩分量，通过这一坐标变换可以将异步电动机转化为一个线性系统，对异步电动机励磁分量和转矩分量进行独立控制可以使异步电动机系统获得与直流电动机系统相似的静态与动态特性，应用于电动车的矢量控制的异步电动机系统结构简图如图1所示。

    在图1的控制系统中，传感器获得异步电动机的电枢电流信号与角速度信号，并通过电流磁通数字变换器计算转子磁通位置信号θ和电流im2，定子电流的转矩分量是由转矩调节器根据转矩的给定量和反馈量产生的，定子电流的磁通分量是由磁通函数发生器的输出和转子磁通的反馈量产生的，定子电流的转矩分量和磁通分量通过坐标变换而产生定子三相电枢电流给定量，并通过电流型逆变器实现定子电枢电流跟踪给定电流。

    在异步电动机控制系统中，磁通函数发生器保证了电动机在低速区以恒磁通控制，高速区以弱磁控制，从而使得电动车的运行状态与普通汽车相一致，整个控制系统要满足异步电动机四象限运行要求，而且要具有优良的动态性能。

    电动车的异步电动机系统的功率驱动单元的主回路结构与普通的逆变器的结构基本相同，所不同的是由于电动车在实际行驶过程中，需要进行频繁的正反向加减速，所以逆变器的主回路结构应具有较大的裕量和可靠的过流保护单元。

图2是异步电动机驱动系统的主回路结构，该主回路结构采用电流型逆变器结构，目的在于使电动车具有快速的响应特性，并在电动车加减速时防止过流。对于分立元件的mosfet或igbt组成的逆变回路，应使每一功率开关元件反并联快恢复二极管，以给电枢绕组的电流构成续流回路，对于功率模块，因为其内