[科普中国]-驱动控制

电机矢量控制

矢量控制理论是由德国F.Blaschke首先提出。这一理论是从电机统一理论、机电能量转换和矢量变换理论的基础上发展起来的，基本思想是把异步电动机模拟转化为直流电机来加以达到更好更简便的控制。在建立数学模型的时候一般都会按上述方法将电机理想化。矢量控制在国际上一般多称为磁场定向控制，也就是把磁场的方向作为坐标轴的基准方向，电动机电流矢量的大小、方向均由瞬时值来表示。这个理论是1968年Darmstader工科大学的Hasse博士初步提出的。

矢量控制技术按照获得磁链的不同方式大致可分为两种：直接和间接方式。直接方式的实现依赖于直接测量或对转子、定子、气隙磁链矢量的幅值和位置的估算。传统的直接矢量控制策略使用检测线圈，具有抽头的定子绕组或霍尔效应传感器对磁通进行检测，但由于电机结构或散热的需要就会产生一定的限制，但随着目前高速 DSP的不断面世，在一个 PWM 周期内，实现负载的控制及磁链估算应成为可能。而间接方式则使用电动机模型，例如对于转子磁通定向控制，它利用了固有的转差关系。与直接的方法相比，间接方式对电机参数有较高的依赖性。多数场合使用间接策略，因为这会使硬件电路相对简单并且在低频下也具有较好的总体性能，但是由于包含了会随着温度，饱和度和频率变化而变化的电机参数，所以需要研究不同的参数自适应方法1。

直接转矩控制直接转矩控制的基本思路是准确观测定子磁链空间大小、位置，然后保持它的幅值基本不变以及准确计算负载转矩的前提下，通过控制电机的瞬时电压输入来控制电机定子磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的。

在直接转矩控制中，电机定子磁链的幅值通过上述电压的矢量控制而保持为额定值，要改变转矩大小，可以通过控制定、转子磁链之间的夹角来实现。而夹角可以通过电压空间矢量的控制来调节。由于转子磁链的转动速度保持不变，因此夹角的调节可以通过调节定子磁链的瞬时转动速度来实现。

假定电机转子逆时针方向旋转，如果实际转矩小于给定值，则选择使定子磁链逆时针方向旋转的电压矢量，这样角度增加，实际转矩增加，一旦实际转矩高与给定值，则选择电压矢量使定子磁链反方向旋转。从而导致角度降低。通过这种方式选择电压矢量，定子磁链一直旋转，且其旋转方向由转矩滞环控制器决定。

直接转矩控制对转矩和磁链的控制要通过滞环比较器来实现。滞环比较器的运行原理为：当前值与给定值的误差在滞环比较器的容差范围内时，比较器的输出保持不变，一旦超过这个范围，滞环比较器便给出相应的值。

直接转矩控制的原理框图如图1所示，给定转速与估计转速相比较，得到给定转矩；经转矩调节器将转矩差做滞环处理得到转矩控制信号；将磁链估计值跟给定磁链相比，经滞环比较器得到磁链控制信号；根据计算的得到的转子位移，划分区段；根据区段，以及转矩和磁链控制信号，结合查找表得出空间矢量，生成PWM波；输出给逆变器，给电机供电。

电动汽车对驱动控制技术的基本要求制约电动汽车发展的三大核心技术分别是电机、电池和电机驱动控制技术。一般的电动汽车对电机驱动控制技术的基本要求包括：（1）功率密度高；（2）启动转矩大；（3）转速范围宽；（4）运行效率高；（5）过载能力强；（6）可靠性高；（7）转矩脉动小、噪声低；（8）成本低2。电动汽车对驱动控制系统的总体要求如表1 所示3。

|| || 表1电动汽车驱动控制系统总体要求

驱动电机对于电动汽车驱动控制技术的研究而言，选用不同的驱动电机，其控制方式及研究热点也不相同。电动汽车用驱动电机主要包括直流电机（DCM）、感应电机（IM）、开关磁阻电机（SRM）和永磁无刷电机（PMBLM），永磁无刷电机又包括永磁同步电机（PMSM）和永磁无刷直流电机（BLDCM）。其性能对比如图2所示。

直流电机由于直流电机发展比较早，各方面的控制技术比较成熟，因此早期的电动汽车多选用直流电机来驱动，但是随着电机技术的逐渐发展和成熟，直流电机因为固有的电刷和机械式换向器结构而具有的噪声大、电磁干扰严重、维修频繁等弊端，使其逐渐退出了历史的舞台。

感应电机感应电机相对于直流电机而言，结构更加简单，耐用性更好，但由于励磁绕组的存在，其体积较大、功率因素较低，因此需要大容量的变频器，控制系统比较复杂。

开关磁阻电机开关磁阻电机由于转子上没有永磁体或绕组，因此具有结构简单、功率密度大、启动转矩大、启动电流小、成本低、维护方便等恃性，其缺点就是本身的双凸极结构所带来的转矩脉动较大，因此导致噪声比较严重。

永磁无刷电机永磁无刷电机因为磁路结构的不同，其转子永磁体所产生的反电势波形也不相同，反电势为正弦波的称为永磁同步电机，反电势为梯形波的称为永磁无刷直流电机。永磁无刷电机具有的主要优点及其原因有：

（1）效率高：永磁无刷电机之所以效率高，从结构上分析主要是因为转子永磁体励磁的方式不会产生铜损耗和励磁损耗，同时无刷的结构也大大降低了摩擦损耗。

（2）体积小、重量轻：对于一般的电机，绕组线圈的重量占电机重量的比重较髙，因此，无刷电机用高能量密度的永磁体代替励磁绕狙必然会使得电机的体积变小、重量减捏。

（3）易冷却：因为没有励磁绕组，转子中没有环形电流，所以永磁无刷电机的发热主要由定子绕组产生，定子绕组靠近电机表面，因此容易冷却，一般采用风冷即可。

（4）耐用性好、可靠性高、后期维护成本低：没有电刷和机械式换向器，电机寿命仅与定子绕组的绝缘性、轴承和永磁体的质量有关，后期也不需要经常维护。

（5）动态性能好：因为体积小、质量捏，所转子的电磁时间常数小、转矩响应迅速。

同样的，永磁无刷电机也存在成本较高、永磁体会在离温和大的反向磁场下退磁等缺点2。