环境和能源问题日益引起全球的高度重视,因此研发节约能源、少污染甚至无污染的绿色汽车已成为全球的热点。电动汽车具有低噪声、零排放、高效、节能及能
源多样化和综合利用等显著优点,成为各国开发的主流。电动汽车的发展有赖于技术的进步,尤其是需要进一步提高其动力系统的性能,降低其成本。而当前制约电
动汽车发展的最关键问题之一就是电动机。
电动汽车可以通过采用电机驱动,不使用或部分使用传统燃油汽车作为动力, 既可以保护环境,又可以缓解能源短缺、调整能源结构和保障能源安全。发展电动汽车已成为各国政府和汽车行业的共识,电动汽车的研发已成为汽车行业的热点。电动汽车用电动机在需要充分满足作为汽车的行走功能的同时, 还应满足行车时的舒适性、耐环境性、一次充电的续驶里程等性能。电动汽车用电动机要求具有比普通工业用电动机更为严格的技术规范。
目前电动汽车用永磁同步电机驱动系统普遍采用矢量控制技术和直接转矩控制技术。
(1)矢量控制:上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量,根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制,从而达到控制异步电动机转矩的目的。
优点:系统响应快;调速范围广;加减速性能好等特点。在对转矩控制要求高的场合,优越的控制性能越加显著。
(2)直接转矩控制技术:这种“直接自控制”的思想以转矩为中心来进行综合控制,不仅控制转矩,也用于磁链量的控制和磁链自控制。直接转矩控制与矢量控制的区别是,它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩,而是把转矩直接作为被控量控制,其实质是用空间矢量的分析方法,以定子磁场定向方式,对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法不需要复杂的坐标变换,而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小,并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。
优点:动态响应好,结构简单,易于实现,鲁棒性强;
缺点:存在转矩脉动大的问题,特别是因开关表失效引起的不合理转矩脉动。另外,其开关频率不恒定,也使功率器件容量无法得到充分利用。
1. 矢量控制:矢量控制系统框图下图所示,它主要包括电机模块、矢量控制模块和逆变器模块。
在转子磁链旋转dq 坐标系下,永磁同步电机转矩为
Te=3p/2[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]
式中:Te为电机转矩;p 为电机极对数;ψf为永磁体磁链; Ld、Lq分别为d 轴和q 轴电感; id、iq分别为d轴和q 轴电流分量。由式可知,如果d 轴励磁电流分量恒定,则永磁同步电机转矩与q 轴转矩电流分量成正比。2. 直接转矩控制:永磁同步电机直接转矩控制系统根据磁链和转矩比较器输出以及定子磁链扇区,通过开关表选择适当的电压矢量,控制系统框图如下图 所示。
在定子磁链坐标系下,永磁同步电机转矩为
Te =3pψs/(4LdLq)[2ψfLqsinδ - ψs( Lq - Ld) sin2δ]
式中:δ为定转子磁链的夹角,即转矩角;ψs为定子磁链幅值。
电机转矩方程表明,如果定子磁链幅值保持恒定,则永磁同步电机转矩由转矩角决定。直接转矩控制的基本思想是保持定子磁链幅值不变,通过改变转矩角实现对电机转矩的控制。