電動自行車驅(qū)動電機(jī)及其控制技術(shù)綜述

1、概述
　　電動車是一種安全、經(jīng)濟(jì)、清潔的綠色交通工具，不僅在能源、環(huán)境方面有其獨(dú)特的優(yōu)越性和競爭力，而且能夠更方便地采用現(xiàn)代控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)其機(jī)電一體化的目標(biāo)，因而具有廣闊的發(fā)展前景。

　　現(xiàn)有電動車大致可以分為以下幾個主要部分：蓄電池、電池管理、充電系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、整車管理系統(tǒng)及車體等。驅(qū)動系統(tǒng)為電動車提供所需的動力，負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。無論何種電動車的驅(qū)動系統(tǒng)，均具有基本相同的結(jié)構(gòu)，都可以分成能源供給子系統(tǒng)、電氣驅(qū)動子系統(tǒng)、機(jī)械傳動子系統(tǒng)三部分，其中電氣驅(qū)動子系統(tǒng)是電動車的心臟，主要包括電動機(jī)、功率電子元器件及控制部分。

　　其中，電動車驅(qū)動系統(tǒng)均具有相同或相似的功能模塊。

2、電動車電氣驅(qū)動系統(tǒng)比較

　　電動機(jī)的類型對電氣驅(qū)動系統(tǒng)以及電動車整體性能影響非常大，評價(jià)電動車的電氣驅(qū)動系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上主要就是對不同電動機(jī)及其控制方式進(jìn)行比較和分析。目前正在應(yīng)用或開發(fā)的電動車電動機(jī)主要有直流電動機(jī)、感應(yīng)電動機(jī)、永磁無刷電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)四類。由這四類電動機(jī)所組成的驅(qū)動系統(tǒng)，其總體比較如表所示。

下面分別對這幾種電氣驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行較為詳細(xì)地分析和闡述。

2.1直流驅(qū)動系統(tǒng)
　　直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，具有優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性，所以直到20世紀(jì)80年代中期，它仍是國內(nèi)外的主要研發(fā)對象。而且，目前國內(nèi)用于電動車的絕大多數(shù)是直流驅(qū)動系統(tǒng)。

　　但普通直流電動機(jī)的機(jī)械換向結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生電火花，不宜在多塵、潮濕、易燃易爆環(huán)境中使用，其換向器維護(hù)困難，很難向大容量、高速(High Speed)度發(fā)展。此外，電火花產(chǎn)生的電磁干擾，對高度電子化的電動汽車來說將是致命的。而且直流電動機(jī)價(jià)格高、體積和重量大。隨著控制理論和電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流驅(qū)動系統(tǒng)與其它驅(qū)動系統(tǒng)相比，已大大處于劣勢。因此，目前國外各大公司研制的電動車電氣驅(qū)動系統(tǒng)已逐漸淘汰了直流驅(qū)動系統(tǒng)。

2.2感應(yīng)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)
2.2.1感應(yīng)電動機(jī)

電動車感應(yīng)電動機(jī)與一般感應(yīng)電動機(jī)相比較具有以下特征：
　�。�1）穩(wěn)定運(yùn)行時，與一般感應(yīng)電動機(jī)工況相似。
　�。�2）驅(qū)動電動機(jī)沒有一般感應(yīng)電動機(jī)的起動過程，轉(zhuǎn)差率小，轉(zhuǎn)子上的集膚效應(yīng)不明顯。
　�。�3）運(yùn)行頻率不是50Hz，而是遠(yuǎn)遠(yuǎn)在此之上。
　�。�4）采用變頻調(diào)速方式時，轉(zhuǎn)速與極數(shù)之間沒有嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系。

為此，電動車感應(yīng)電動機(jī)設(shè)計(jì)方面有如下特點(diǎn)：
　�。�1）盡力擴(kuò)大恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，使電動機(jī)在高速(High Speed)運(yùn)轉(zhuǎn)時也能有較高轉(zhuǎn)矩。而要提高轉(zhuǎn)矩，則需盡量減小定轉(zhuǎn)子之間的氣隙，同時減小漏抗。
　�。�2）更注重電動機(jī)的電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)，使轉(zhuǎn)矩、功率和效率等因素達(dá)到綜合最優(yōu)。
　�。�3）減少重量、體積，以增加與車體的適配性。

2.2.2控制技術(shù)
　　應(yīng)用于感應(yīng)電動機(jī)的變頻控制技術(shù)主要有三種：V/F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制。20世紀(jì)90年代以前主要以PWM方式實(shí)現(xiàn)V/F控制和轉(zhuǎn)差頻率控制，但這兩種控制技術(shù)因轉(zhuǎn)速控制范圍小，轉(zhuǎn)矩特性不理想，而對于需頻繁起動、加減速的電動車不太適宜。近幾年來，研制的電動車感應(yīng)電動機(jī)幾乎都采用矢量控制技術(shù)。矢量控制按其側(cè)重點(diǎn)不同，主要有兩種控制策略：提高驅(qū)動系統(tǒng)效率的最大效率控制與簡化系統(tǒng)、降低成本的無速度(Tempo)傳感器矢量控制。
最大效率控制技術(shù)是通過使勵磁電流隨電動機(jī)參數(shù)和負(fù)載條件而變化來實(shí)現(xiàn)在任何負(fù)載條件下都使電動機(jī)的損耗最小，效率最大的目標(biāo)。

　　矢量控制離不開速度(Tempo)的控制，而無速度(Tempo)傳感器是利用電動機(jī)電壓、電流和電動機(jī)參數(shù)來估算出速度(Tempo)，從而無需一般矢量控制中的速度(Tempo)傳感器，達(dá)到簡化系統(tǒng)、降低成本、提高可靠性的目的。

2.3永磁無刷電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

2.3.1永磁無刷電動機(jī)
　　永磁無刷電動機(jī)系統(tǒng)可以分為兩類，一類是方波驅(qū)動的無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)（BDCM），另一類是永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)（PMSM），也稱之為正弦波驅(qū)動的無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)。BDCM系統(tǒng)不需要絕對位置傳感器，一般采用霍爾元件或增量式碼盤，也可以通過檢測反電動勢波形換相。PMSM系統(tǒng)一般需要絕對式碼盤或旋轉(zhuǎn)變壓器等轉(zhuǎn)子位置傳感器。從磁鐵所處不同位置的結(jié)構(gòu)上看，永磁無刷電動機(jī)可以分成表面型、鑲嵌型、深埋式等結(jié)構(gòu)型式，在電動汽車中也有采用盤式結(jié)構(gòu)或外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的。

　　深埋式永磁同步電動機(jī)因其較高的功率密度、有效的弱磁控制及方便的最大效率控制而在電動車應(yīng)用領(lǐng)域倍受青睞，是當(dāng)前電動車電動機(jī)研發(fā)的熱點(diǎn)。用在電動車上的永磁同步電動機(jī)是將磁鐵插入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，得到同步旋轉(zhuǎn)的磁極深埋式轉(zhuǎn)子，這種電動機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面主要有兩個特征：①轉(zhuǎn)子磁鐵使用埋入式；②采用多極化設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：

　�。�1）與將永磁體貼在轉(zhuǎn)子表面的情況相比，將永磁體植入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，則即使高速(High Speed)旋轉(zhuǎn)，永磁體也不會飛散，為此就使設(shè)計(jì)10000r/min以上的超高速(High Speed)電動機(jī)成為可能。
　�。�2）對于要求的最大轉(zhuǎn)矩而言，采用特定的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，永磁電動機(jī)能做得更小。
　�。�3）電機(jī)多極化設(shè)計(jì)也是降低成本的有效手段。

2.3.2深埋式永磁同步電動機(jī)的控制技術(shù)
　　與一般電動機(jī)的控制系統(tǒng)多為速度(Tempo)控制系統(tǒng)或位置控制系統(tǒng)不同，電動車是由加速器與控制器共同決定的轉(zhuǎn)矩指令來控制電機(jī)。因?yàn)檗D(zhuǎn)矩由電流決定，所以實(shí)際上構(gòu)成了一個電流控制系統(tǒng)。應(yīng)用轉(zhuǎn)矩指令和電動機(jī)轉(zhuǎn)速，通過獨(dú)立增減單方面電流進(jìn)行電流控制，就能使電動機(jī)和逆變器的綜合損失最小，進(jìn)而提高電動車驅(qū)動系統(tǒng)的效率。以上設(shè)計(jì)不僅考慮了電動機(jī)的特性，還考慮了電動機(jī)的控制方法及使用方法，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定，是目前電動車的優(yōu)選驅(qū)動系統(tǒng)。

2.4開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

2.4.1開關(guān)磁阻電動機(jī)
　　目前，開關(guān)磁阻電動機(jī)（SRM）已投入實(shí)際使用，法國F1AT公司研制的電動車和中國第二汽車制造廠研制的電動客車都曾采用了開關(guān)磁阻電動機(jī)。SRM是沒有任何形式的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和永久磁鐵的無刷電動機(jī)，它的定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極都是凸的。由于SRM具有集中的定子繞組和脈沖電流，其功率變換器可以采用更可靠的電路拓?fù)湫问健�SRM具有簡單可靠、在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運(yùn)行、控制靈活、可四象限運(yùn)行、響應(yīng)速度(Tempo)快、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。但SRM也有轉(zhuǎn)矩波動大、噪聲大、需要位置檢測器、系統(tǒng)非線性特性等缺點(diǎn)，所以，目前應(yīng)用還受到限制。針對傳統(tǒng)SRM的缺點(diǎn)，研制了永磁式開關(guān)磁阻電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)（PMSRD），通過高性能永磁鋼的引入，克服了傳統(tǒng)SRM存在的換流相對較慢、能量利用率較低的缺點(diǎn)，增加了電機(jī)的比功率密度。

2.4.2控制技術(shù)
　　由于SRM系統(tǒng)具有明顯的非線性特性，系統(tǒng)難于建模，一般的線性控制方式不適于SRM系統(tǒng)。目前主要利用模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。香港大學(xué)開發(fā)的模糊滑�？刂凭哂袦p少控制振蕩等優(yōu)點(diǎn)，是SRM系統(tǒng)控制研究的一個新的突破。

3、結(jié)束語
　　20世紀(jì)80年代以來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流電動機(jī)控制變得比較容易了。為此，電動車的電氣驅(qū)動系統(tǒng)從直流電動機(jī)轉(zhuǎn)向交流電動機(jī)，特別是感應(yīng)電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，對于電動車來說是特別可貴的。但永磁電動機(jī)除有以上優(yōu)點(diǎn)外，還在轉(zhuǎn)換效率方面又較感應(yīng)電動機(jī)略勝一籌。

　　開關(guān)磁阻電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活、可四象限運(yùn)動、可靠性高、能在較寬的速度(Tempo)和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運(yùn)行等特點(diǎn)，作為具有潛力的電動車電氣驅(qū)動系統(tǒng)日益受到重視。但其轉(zhuǎn)矩脈動大、噪聲大等缺點(diǎn)一直未得到很好解決，如何從電機(jī)設(shè)計(jì)和控制策略兩方面加以改進(jìn)是現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)。

　　永磁電動機(jī)電氣驅(qū)動系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速更高（德國KOVO電技術(shù)公司已研制出轉(zhuǎn)速達(dá)50000r/min、功率達(dá)1.5kW的無刷電動機(jī)）、用磁更省、可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子輕小緊湊、低成本化設(shè)計(jì)而成為研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。但永磁電動機(jī)也有制成后難以調(diào)節(jié)磁場以控制功率因素和無功功率的缺點(diǎn)，這將成為今后的研究方向。

　　在控制器件方面，應(yīng)用新一代功率電子器件，可使變頻器有更高的功率密度和效率，結(jié)構(gòu)也更牢固，更適于電動車所用。

　　在控制策略方面，變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及專家系統(tǒng)等新的控制方法正逐漸應(yīng)用于電動車驅(qū)動系統(tǒng)中，并取得越來越好的效果。■