1、电动汽车技术 哈尔滨理工大学电气与电子工程学院 第四章第四章 电动汽车驱动电机及控制系统Harbin University of Science and Technology 4.1概述4.2直流电动机驱动系统直流电动机驱动系统4.3交流感应电机驱动系统4.4交流永磁电机驱动系统4.5开关磁阻电动机驱动系统4.6本章小结本章小结主要内容主要内容4.1概述4.2直流电动机驱动系统直流电动机驱动系统4.3交流感应电机驱动系统4.4交流永磁电机驱动系统4.5开关磁阻电动机驱动系统4.6本章小结本章小结主要内容主要内容4.1 概述 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇 驱动电机是电动汽车驱动系统的核心部件，其性
2、能的好坏直接影驱动电机是电动汽车驱动系统的核心部件，其性能的好坏直接影响电动汽车驱动系统的性能响电动汽车驱动系统的性能电动汽车对驱动电机的要求电动汽车对驱动电机的要求高电压高电压 减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，降低功率变换器的 成本小质量小质量 采用铝合金外壳，并设法降低电动机控制器的质量和冷却系 统的质量。较大的启动转矩和调速范围较大的启动转矩和调速范围 使电动汽车有好的启动性能和加速性能。高效率、低损耗高效率、低损耗 应在车辆减速时，实现再生制动将制动能量回收。高高可靠性可靠性 耐温和耐潮性能强，能够在较恶劣的环境下长时期工作，结构简单，适合大批量生产，使用维修方便。符合标准符合标准
3、 电气系统的安全性和控制系统的安全性都必须符合国家有关车辆电气控制的安全性能的标准和规定，装备有高压保护设备。4.1 概述电动机类型电动机类型 优点优点直流电动机良好的启动、制动性能和过载能力；电枢电压、电枢电流、输出转矩与电动机转速之间几乎是线性关系，能实现高精度控制交流感应电动机结构简单、容易制造、成本低廉、再生制动能量易回收、而且具有较好的过载能力，能满足汽车各种工况下的运行需求交流永磁电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高、起动性能好、转速严格与定子磁场（电压）频率同步、高效节能、运行可靠、维护方便、安装性能好、寿命长开关磁阻电机兼具直流、交流两类调速系统的优点，结
4、构简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，并且在整个调速范围内都具有较高的效率，系统可靠性高电动汽车采用电动机类型及其优点主要内容主要内容4.1概述4.2直流电动机驱动系统直流电动机驱动系统4.3交流感应电机驱动系统4.4交流永磁电机驱动系统4.5开关磁阻电动机驱动系统4.6本章小结本章小结4.2 直流电动机驱动系统4.2.1 直流电动机结构主要部分主要部分功能功能主磁极主磁极产生磁通换向极换向极改善换向补偿绕组补偿绕组改善负载特性，改善换向磁轭磁轭（机座）（机座）磁路与机械支撑电枢电枢产生转矩换向器换向器 （整流子）（整流子）换向转轴转轴传递转矩直流电动机结构图4.2 直流电动机驱动系统4.2.
5、2 直流电动机工作原理直流电动机工作原理示意图图中单匝线圈abcd安置在极性分别为N、S的主极中，ab、cd分别为单匝线圈的有效边，它们分别连接到两个互相隔离的换向片上，并与转子一同旋转。固定不动的电刷A、B把旋转的线圈ab cd与外面静止的电路相连接。若电刷A、B分别接到直流电源上，单匝线圈abcd中就有电流 流过，方向如图所示4.2 直流电动机驱动系统4.2.3 直流电动机数学方程4.2.3.1 直流电动机电压方程 aaaaaeff fnURURCIEIE他励电动机afeafaaaaIIInCEURIEUafeafafaaaIIInCEUURRIEU)(并励电动机串励电动机式中：Ra电枢电
6、阻和电刷接触电阻之和（）；Rf励磁绕组电阻（）；Ua电枢电压（V）；Ea感应电动势（V）；Ia电枢电流（A）；Uf励磁电压（V）；If励磁电流（A）；气隙每极磁通（Wb）；n电机转速（r/min）；Ce感应电动势常数；U输入端的电压（V）；I输入端的电流（A）；4.2 直流电动机驱动系统4.2.3.2 直流电动机转矩平衡方程 02)(TTTICdttdJTTLatLem 当机械角速度为常数时，直流电动电机稳态运行的转矩平衡方程式为：20emTTT4.2 直流电动机驱动系统4.2.3.3 直流电动机功率平衡方程 aaaaaeff fnURURCIEIE1a aPU I代入代入21a aaaPE
7、IIR即即1aemCuPPP Pem为电磁功率（W）；Pcua为电枢回路总的铜耗（W）20emTTT20emTTT 令令22PT00PT226060emtaaaa aemTCINpnIaNpnIaE IP 20emPPPP2为转轴上输出的 机械功率（W）P0为空载损耗（W）他励直流电动机的功率流程图他励直流电动机的功率流程图0aaCuCuFemsPPPPPPP（PCuf为励磁损耗）4.2 直流电动机驱动系统机械特性表达式为：式中：机械特性固有机械特性人为机械特性电枢回路串电阻时的人为机械特性降低电枢电压时的人为机械特性减小励磁磁通时的人为机械特性4.2.4直流电动机机械特性分析4.2 直流电动
8、机驱动系统固有机械特性：2NaemeNetNURnTCC C表达式为：式中：UN额定电枢电压；N额定每极主磁通。固有机械特性曲线固有机械特性曲线电枢回路串电阻时的人为机械特性：当U=UN、=N不变，只在电枢回路中串入电阻Rs的人为机械特性。表达式为：2NasemeNetNURRnTCC C电枢回路串电阻时的人为机械特性电枢回路串电阻时的人为机械特性4.2 直流电动机驱动系统减小励磁磁通时的人为机械特性：降低电枢电压时的人为机械特性：保持=N、R=Ra不变，只改变电枢电压时人为机械特性。表达式为：2aemeNetNURnTCC C降低电枢电压时的人为机械特性降低电枢电压时的人为机械特性 保持U=
9、UN、R=Ra 不变，只改变励磁回路调节电阻Rf的人为机械特性。表达式为：2NaemeetURnTCC C减小励磁磁通时的人为机械特性减小励磁磁通时的人为机械特性4.2 直流电动机驱动系统4.2.4 直流电动机的控制直流电动机的控制方法 电枢电压调节法磁场调节法电枢回路电阻调节法改变电枢电压来控制电机的转速通过调节磁极绕组励磁电流，改变磁通量来调节电机的转速改变电枢回路的电阻，使电枢电流变化来调节电动机转速一般很少用在电动汽车上适用于电机基速以上适用于电动机基速以下4.2 直流电动机驱动系统电枢电压调节法 斩波器（PWM）脉宽调制属于一种电枢电压调节法，直流电动机通常采用PWM实现电机调速控制
10、。其调速控制主电路如图所示。PWM调速原理图调速原理图电动机处于运行状态电动机处于运行状态VT1关断VT2处于高电位VT2导通VT2处于低电位VT2截止电动机电枢绕组通过VD2继续续流导通电枢两端加上电枢电压Ub在一个固定周期内，增加VT2处于低电位的时间，则增加电枢绕组的平均电压4.2 直流电动机驱动系统电动机电动机处于处于发电发电状态状态VT2关断VT1处于高电位VT1导通VT1处于低电位VT1截止电枢向蓄电池充电，实现制动能量的回馈电机工作在发电状态，将汽车的动能转化为磁场能储存于电枢绕组中电枢回路电阻调节法 电枢回路电阻调节法的机械特性差，而且会使电动机运行不稳定，加之电枢回路串入电阻
11、消耗能量，一般很少在电动汽车上采用。4.2 直流电动机驱动系统磁场调节法以升速为例以升速为例反电动势下降减小磁通量电枢电流增大电枢电磁转矩T增大反电动势增大电流随之减小转速上升高速稳定运转直到电磁转矩与阻力矩平衡若这时电动机的阻力TL未变4.2.5 直流电动机驱动系统的特点优优点点易于平滑调速控制器简单技术成熟缺缺点点效率低于交流感应电动机电刷需要维护，造成了使用的不便电动机本身的体积大、重量大主要内容主要内容4.1概述4.2直流电动机驱动系统直流电动机驱动系统4.3交流感应电机驱动系统4.4交流永磁电机驱动系统4.5开关磁阻电动机驱动系统4.6本章小结本章小结4.3 交流感应电机驱动系统 郑
12、殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇4.3.1 交流感应电动机的结构主要构成要素主要构成要素主要功能主要功能定子铁芯交变磁路的一部分定子绕组产生旋转磁场定子机座固定和支撑定子铁芯转子绕组产生转矩转子铁芯交变磁路的一部分轴传递转矩4.3 交流感应电机驱动系统4.3.2 交流感应电动机工作原理当三相对称定子绕组接三相对称电源时当三相对称定子绕组接三相对称电源时产生圆形旋转磁场转子鼠笼导条与磁场相对运动导条中产生感应电动势闭合回路内产生电流转子产生电磁转矩旋转异步电动机工作异步电动机工作原理原理图图异步电动机在不同运行状态时的主要特征异步电动机在不同运行状态时的主要特征4.3 交流感应电机驱动系统4.3.3 交
13、流感应电动机机械特性 三相异步电动机的机械特性是指在定子电压、频率及绕组参数固定的条件下，磁转矩Tem与转速n（或转差率s）之间的函数关系。12222112()()UIRRXXs异步电动机的等效电路异步电动机的等效电路4.3 交流感应电机驱动系统11222222213()3emCuFePPppsIRRsRIs传递给转子回路的电磁功率：异步电动机的时空向量矢量图异步电动机的时空向量矢量图2223cosemPI E1122(1)6060mmmememPPPPTnns电磁功率电磁转矩4.3 交流感应电机驱动系统由以上各式得到电磁转矩的参数表达式为 22221122211123322()()60nem
14、RRIp UssTnRfRXXs固有机械特性固有机械特性 固有机械特性是在额定频率f1N、定子绕组加额定电压 U1N并按规定方式连接、定子与转子回路不串入电阻或电抗时、电磁转矩Tem与转速n(或转差率s)之间的函数关系三相异步电动机固有机械特性曲线三相异步电动机固有机械特性曲线特点：4.3 交流感应电机驱动系统人为人为机械机械特性特性 在同步转速不变的前提下，可以通过变转差率调速方法来改变异步电动机的人为机械特性。人为机械特性调速方法 降低定子绕组端电压转子回路串对称电阻改变供电频率，从基频向下变频调速改变供电频率，从基频向上变频调速 若 改 变定 子 供 电 频率 和 电 机 极对 数，也
15、可以 改 变 人 为机械特性4.3 交流感应电机驱动系统降低定子绕组端电压特特点点理想空载点n1不变临界转差率sm不变，TemU12机械特性曲线机械特性曲线转子回路串对称电阻特特点点理想空载点n1不变最大转矩Tem-M不变临界转差率sm增加机械特性曲线机械特性曲线4.3 交流感应电机驱动系统改变供电频率，从基频向下变频调速特特点点机械特性硬，调速范围宽，稳定性好连续调节，平滑性好s较小，效率高当E1/f1=常数（1=常数）时，最大转矩不变，为恒转矩调速当U1/f1=常数（常数）时，最大转矩不等于常数，f1Tem，机械特性不如E1/f1=常数的情况，尤其是低频，近似为恒转矩调速E1/f1=常数常
16、数U1/f1=常数常数改变供电频率，从基频向上变频调速4.3 交流感应电机驱动系统特特点点机械特性硬，调速范围宽，稳定性好连续调节，平滑性好s较小，效率高最大转矩随频率升高而减小电压不变，f11，即弱磁变频升速，近似为恒功率调速机械特性曲线机械特性曲线4.3 交流感应电机驱动系统4.3.4 交流感应电动机变压变频调速三相感应电机三相感应电机T型等效电路型等效电路 图中Rs和Xs分别是定子相绕组和漏抗值，Xm是三相等效励磁电抗，Rr为转子电阻，Xr为转子漏抗。此时，相应的电磁转矩为：此时，相应的电磁转矩为：4.3 交流感应电机驱动系统4.3 交流感应电机驱动系统 转矩与频率的乘积近似于一常数，这
17、时感应电机在近似恒功率方式下运行。综上所述，基于如图所示变压变频调速（VVVF）的电机外特性曲线，在额定转速以下，保持电机转矩恒定，在额定转速以上，保持电机恒功率运行，在电动车驱动中，还要求恒功率区的调速范围尽可能宽。基于变压变频控制算法的感应电机转矩基于变压变频控制算法的感应电机转矩-转速曲线转速曲线4.3 交流感应电机驱动系统4.3.5 交流感应电动机的矢量控制与直接转矩控制 三相绕组和二相绕组的轴线设定与-坐标系如图所示4.3 交流感应电机驱动系统Park逆变换的矩阵形式为：其逆变公式为：采用磁势分布和功率不变的绝对变换，三相交流电流在空间产生的磁势F与二相交流电流产生的磁势相等，也称为
18、Clarke变换，其变换矩阵为：在实际使用中主要采用的是基于转子磁场定向坐标系统，因为此时电磁转矩有最简单的形式：可知，电磁转矩与励磁电流id和转矩电流iq的乘积成正比。在额定转速以下时，保持励磁电流id为额定值，只需调节iq即可改变转矩，实现恒转矩控制；在额定转速以上时，调整励磁电流id给定随转速r自动调节，保持idrconst，同时调节转矩电流iq给定，保证Terconst，实现恒功弱磁控制。4.3 交流感应电机驱动系统 右图是局域转子磁链定向的车载感应电机驱动系统控制框图，通过给定油门踏板开度来设定系统转矩的目标值，控制系统中要同时实现转矩闭环和磁链闭环控制。在额定转速以下时，保持转子磁
19、链恒定，在额定转速以上实现恒功率控制，逆变器的调制信号用空间矢量PWM（Space Vector PWM，SVPWM）来实现。4.3 交流感应电机驱动系统 直接转矩控制 直接转矩控制算法的特点是，电机模型在定子坐标系下只需3/2变换，观测的是定子磁链，受电机参数影响小。由于是砰砰控制，没有电流闭环，容易产生过流。在低速时，电子磁链是圆形，电流近似于正弦波，但是进入高速区后，电流波形已很不规则，谐波很大，电磁噪声大。主要内容主要内容4.1概述4.2直流电动机驱动系统直流电动机驱动系统4.3交流感应电机驱动系统4.4交流永磁电机驱动系统4.5开关磁阻电动机驱动系统4.6本章小结本章小结4.4 交流
20、永磁电机驱动系统4.4.1 交流永磁电动机的结构分分类类表面式（Suface-Mounted Permanent Magnet-SPM）内置式（Interior Permanent Magnet-IPM）几种典型的IPM转子结构几种典型的SPM转子结构4.4 交流永磁电机驱动系统优优点点转子机械强度高良好的过载能力和调速性能动态响应快，易实现弱磁控制优优点点制造工艺简单转动惯量小，动态性能好电流相应速度快缺缺点点无异步起动能力电机不宜在高速下运行不适合弱磁扩速运行内置式永磁电机表面式永磁电机 内置式永磁电机结构灵活，通过合理设计磁路结构能获得较高的弱磁性能，再加上控制系统具有高功率密度、高效率
21、、宽调速、良好的转矩平稳性及低振动噪声等优点，在电动汽车驱动方面备受青睐，已经受到日本、美国及国内汽车公司的高度重视。4.4 交流永磁电机驱动系统4.4.2 永磁同步电机的工作原理 永磁同步电动机的工作原理与交流同步电动机相似。交流电源逆变器调制为电压可变化的三相正弦波电压，输入永磁电动机三相对称绕组后，产生三相对称电流，在正弦波电流和永磁磁动势的作用下产生电磁转矩，带动转子随着旋转磁场以相同的转速旋转。1160pfnnn式中：n转子转速（r/min）n1同步转速（r/min）f1三相正弦波的电压频率（Hz）np永磁同步电机的极对数4.4 交流永磁电机驱动系统4.4.3 永磁同步电机的基本特性
22、永磁同步电动机转矩永磁同步电动机转矩转速输出特性转速输出特性最大功率曲线最大转矩/电流包曲线电机的恒功率曲线A2aA2B2C2D2E2A2aA2B1bE1bB1bA2A2aB1永磁同步电动机在实际运行过程中的输出特性与控制策略密切相关，采用不同的控制策略，可以使定子电流在整个运行范围内得到最佳控制。4.4 交流永磁电机驱动系统永磁同步电动机运行区间划分图永磁同步电动机运行区间划分图 根据电机不同运行状态可将电机的运行范围分为三个区间：基速区、弱磁A区和弱磁B区，如左图所示。转速低于转折速度na时电机运行在基速区；转速在na和nc之间时电机运行在弱磁A区；转速在nc和ne之间时电机运行在弱磁B区
23、。电机在各运行区内的定子电流矢量既不能超出电动机的电压极限椭圆，也不能超过电流极限圆。4.4 交流永磁电机驱动系统 在永磁同步电动机转矩转速输出特性中，A1aA1A2A2a区域为基速区，id与iq不受电压极限椭圆的限制，在整个区域内都能实现最大转矩/电流控制。的A1aA1A2A2a区域内的所有工作点都可以在id与iq平面最大转矩/电流曲线上找到对应的点，如图4-25所示。A2、A2a点为最大转矩/电流曲线与电流极限圆的交点，它所对应的转矩为电机在基速区内的最大转矩。基速区定子电流矢量运行控制模式基速区定子电流矢量运行控制模式4.4 交流永磁电机驱动系统 在永磁同步电动机转矩转速 输出特性中,A
24、1C1C2A2区域为弱磁A区，在该区域内定子电流矢量受电流极限圆和电压极限椭圆的共同制约。以转速为nb对应的线段B1B2为例进行分析。当转矩较小时，由于最大转矩/电流曲线在电压极限椭圆内，此时电机运行在最大转矩/电流曲线上，如线段B1-B1a，此线段所有工作点都可以映射到id与iq平面中的最大转矩/电流曲线上，如左图所示。当转矩继续增大时，恒转矩曲线与最大转矩/电流曲线的交点在电压极限圆外，此时电机运行在电压极限椭圆上。定子电流从B1aB1bB2点的变化中，直轴去磁电流分量逐渐增大，削弱了永磁体磁场，达到了弱磁的目的。弱磁弱磁A区定子电流矢量运行控制模式区定子电流矢量运行控制模式4.4 交流永
25、磁电机驱动系统 在永磁同步电动机转矩转速 输出特性中,C1E1E2C2区域为弱磁B区。以转速为nc对应的线段E1E2为例进行分析。整条最大转矩/电流曲线与电压极限椭圆没有交点，最大转矩/电流控制在此区域内无法实现。电流矢量受限于电压极限椭圆，因此，E1E2线段上的工作点都映射到id与iq平面中转速nc对应的电压极限椭圆上，左图中电压极限椭圆上E1b点对应的转矩为恒功率输出转矩；E2点对应的转矩为最大功率输出转矩，并且该点为电压极限椭圆、电流极限圆、恒转矩曲线三者的交点。由上分析可知，在转矩转速平面上的任意一个工作点都可以在idiq图中找到对应的id、iq电流值，使电机在该工作点运行于最佳状态。
26、弱磁弱磁B区定子电流矢量运行控制模式区定子电流矢量运行控制模式4.4 交流永磁电机驱动系统4.4.4 永磁同步电机的控制同步旋转同步旋转dq轴系轴系 如左图所示，将单轴线圈s分解为dq轴系上的双轴线圈d1和q1，每个轴线圈的有效匝数仍与单轴线圈相同。这相当于将定子电流矢量is分解为：根据双反应理论，即有：式中，Lmd和Lmq 分别为直轴和交轴等效励磁电感，Lmd Lmq。dq=jiiis smdmd dL imqmq qL i4.4 交流永磁电机驱动系统 于是，定子磁场在dq轴方向上的分量则分别为：式中，转子永磁磁极与定子交链的磁链 相绕组的漏电感 直轴同步电感（）交轴同步电感（）通过矢量变换
27、可将ABC轴系内定子电压矢量方程式变换为以dq轴系表示的矢量方程。ABC轴系下的电压矢量方程为：利用变换因子 ，可得：dd dfL iqq qLifddstss suR isLdLdsmdLLLqsmqLLLqLjerjerdqssuujerdqssiijerdqs ss s 4.4 交流永磁电机驱动系统 代入可得以dq轴系表示的电压矢量方程为 将式（4-42）中的各式以坐标分量表示，可得电压分量方程为 另外，永磁同步电动机的电磁转矩方程为 在dq轴系中，有 代入可得 即为电磁转矩方程 dddqdqdqrjtss suR is ss s ddddS ddrq qiuR iLL itd()dqq
28、S qqrddfiuR iLL it201sin()sin 22efsdqsTpiLLicosdsiisinqsii0()ef qdqd qTpiLL i i主要内容主要内容4.1概述4.2直流电动机驱动系统直流电动机驱动系统4.3交流感应电机驱动系统4.4交流永磁电机驱动系统4.5开关磁阻电动机驱动系统4.6本章小结本章小结4.5 交流感应电机驱动系统 郑殿宇郑殿宇 郑殿宇郑殿宇4.5.1 开关磁阻电动机的结构1定子，2转子，3轴承，4机座，5风扇，6轴承，7端盖相数相数123456789定子极数定子极数Ns24681012141618转子极数转子极数Nr2246810121416SR电动机
29、的极数组合电动机的极数组合 开关磁阻电动机（Switched Reluctance Motor，SRM）由双凸极的定子和转子组成。开关磁阻电动机本体结构图如左图所示。其中定子、转子均由普通硅钢片叠压而成，转子上既没有绕组也没有永磁体，定子各极上绕有集中绕组，直径方向相对应极的两个绕组串联成“一相”绕组。SR电动机可以设计成单相、两相、三相及多相等多种不同相数，且定子、转子极数有多种不同的搭配。常见的定子、转子极数组合方案见下表。4.5 开关磁阻电动机驱动系统4.5.2 开关磁阻电动机的工作原理开关磁阻电动机的工作原理开关磁阻电动机的工作原理 为方便分析磁路，可将相对的相分别标为A、B、C相，各
30、相线圈由开关控制电流通断，约定转子启动前的转角为0度。A相线圈接通电源产生磁通，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯，磁力线可看成极有弹力的线，在磁力的牵引下转子开始逆时针转动；磁力一直牵引转子转到30度为止，到了30度转子不再转动，此时磁路最短。为了使转子继续转动，在转子转到30度前已切断A相电源在30度时接通B相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，于是转子继续转动，磁力一直牵引转子转到60度为止。在转子转到60度前切断B相电源在60度时接通C相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，转子继续转动，磁力一直牵引转子转到90度为止。当转子转到90度前切断C相电源，转子在90度的状态与前面0度
31、开始时一样，重复前面过程，接通A相电源，转子继续转动，这样不停的重复下去，转子就会不停的旋转。磁阻电动机的工作原理图如左图所示。4.5 开关磁阻电动机驱动系统4.5.3 开关磁阻电动机的数学方程开关磁阻电动机的电压方程()()didLuRiLidtd式中u为相电压，单位为V；i相电流，单位为A；角速度，单位rad/s；R为绕组电阻，单位为；L（）为电感，单位为H；为转子位置角。定子绕组电感与转子位置的关系定子绕组电感与转子位置的关系曲线4.5 开关磁阻电动机驱动系统4.5.3 开关磁阻电动机的数学方程开关磁阻电动机的相电流：uif式中 为电动机结构参数、转子位置、触发角和关断角的函数。开关磁阻
32、电动机的电磁转矩：2,1,2constWidLTiiidm相的平均电磁转矩可表示为：2220011dd22rremrrmLmuLTf 平均电磁转矩可表示为：2avCT4.5 开关磁阻电动机驱动系统4.5.4 开关磁阻电动机的机械特性 SR电动机的机械特性电动机的机械特性 SR电动机的机械特性可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区和自然特性区（串励特性区），如左图所示。图中n1为SR电动机开始运行于恒功率特性的临界转速，定义为SR电动机的额定转速，亦称为第一临界转速，对应功率即为额定功率，n2为能得到额定功率的最高转速，恒功率特性的上限，可控条件都达到了极限，当转速再增加时，输出功率下降，亦称为第二
33、临界转速。在恒转矩区，即0nn1，由于转速较低，电机感应电动势小，因此需要对电流进行斩波限幅，称为电流斩波控制方式，或采用相电压脉宽调制。在恒功率区，即n1nn2，由于相感应电动势较大，相电流幅值受限，可以通过调节恒功率区主开关管的触发角和关断角得到恒功率特性，称为角度位置控制方式。在自然特性区，电源电压、触发角和关断角均达到极限值，SR电动机不再保持恒功率运行特性，转矩和功率快速下降。由于自然特性与串励直流电动机的特性相似，故亦称为串励特性区。4.5 开关磁阻电动机驱动系统4.5.5 开关磁阻电动机的工作原理四相开关磁阻电机驱动系统主电路四相开关磁阻电机驱动系统主电路开关磁阻电机调速系统基本
34、构成开关磁阻电机调速系统基本构成 四相开关磁阻电机一种常见的功率变换器主电路如上图所示，图中，A、B、C、D为电机相绕组，Sa-Sd为各对应相的主开关器件，VDa-VDd为对应的续流二极管。开关磁阻电机调速系统主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器、位置传感器四大部分组成，如上图所示。4.5 开关磁阻电动机驱动系统4.5.6 开关磁阻电动机驱动系统特点优点优点（1）其结构简单，价格便宜，电机的转子没有绕组和磁铁。（2）电机转子无永磁体，允许较高的温升。由于绕组均在定子上，电机容易冷却，效率高，损耗小。（3）转矩方向与电流方向无关，只需单方相绕组电流，每相一个功率开关，功率电路简单可靠。（4）转
35、子上没有电刷结构坚固，适用于高速驱动。（5）转子的转动惯量小，有较高转矩惯量比。（6）调速范围宽，控制灵活，易于实现各种再生制动能力。（7）可在频繁启动（1000次/小时），正向反向运转的特殊场合使用。（8）启动电流小，启动转矩大，低速时更为突出。（9）电机的绕组电流方向为单方向，电力控制电路简单，具有较高的经济性和可靠性。（10）可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。4.5 开关磁阻电动机驱动系统缺缺点点（1）其工作原理决定了，如果需要开关磁阻电动机运行稳定可靠，必须使电机与控制配合的很好。（2）因其要使用位置传感器，增加了结构复杂性，降低了可靠性。（3）对于电机本身而言，转矩脉动
36、大是其固有的缺点；在电机远离设计点的时候，转矩脉动大会体现的更加明显。（4）如果单纯使用电流斩波或最优导通角控制方法，对其转矩脉动的改善不是很大，需要加入更加复杂的算法。（5）另外，运行时噪音和振动较大、非线性强也是开关磁阻电机需要解决的问题。（6）目前国内实用的磁阻电机属于初级阶段，部分产品控制相对粗放，电机的响应速度慢、低速下的脉动大，难以实现较高的控制精度。主要内容主要内容4.1概述4.2直流电动机驱动系统直流电动机驱动系统4.3交流感应电机驱动系统4.4交流永磁电机驱动系统4.5开关磁阻电动机驱动系统4.6本章小结本章小结4.6本章小节 电动汽车的驱动系统是电动汽车最关键的子系统，担负
37、着将电能转换成机械能，并通过传动装置（或直接）将能量传递到车轮进而驱动车辆按照驾驶员意图行驶的重任。电动汽车对驱动系统的要求：高可靠性，高性能，高效率，低成本，调速范围宽。目前比较常见的电动汽车驱动系统有四种：直流电动机驱动系统、交流感应电动机驱动系统、交流永磁电动机驱动系统和开关磁阻电动机驱动系统。其中，交流感应电机驱动系统的性能价格比最高，最值得在大功率电动汽车上优先推广应用。直流电机驱动系统由于成本低、技术成熟，在目前或今后相当一段时期内仍将广泛应用，但随着功率半导体器件性能的不断提高及价格的大幅度降低，在电动汽车上，直流电机驱动系统的使用范围将逐渐缩小。随着成本的降低和可靠性的进一步提高，永磁同步电机驱动系统在电动汽车上将得到广泛应用，特别是小功率的永磁同步电机驱动系统。开关磁阻电机结构最为简单，适合于高速运行，调速控制比较容易，但是电磁噪声和转矩脉动仍然是开关磁阻电机面临的两大问题。就电机而言，交流感应电机和开关磁阻电机转子结构简单、坚固，可以免维护，允许高速旋转。与同容量直流电机相比，具有体积小、重量轻、价格便宜的优点，所以电动汽车采用交流驱动是一个发展方向。
