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电动汽车电机驱动控制

电动汽车相对于传统的汽车,特殊之处就在于增加了电池-电机系统。目前,比较适合汽车动力的电机主要有:交流感应电机、永磁电动机、开关磁阻电机和多态电机。对于新能源汽车而言,电机驱动系统的控制至关重要,一个好的电机系统的控制策略,会使整车性能得到大大提高。目前,对于驱动电机控制策略的研究,是电动汽车领域研究的一个热点。截至目前,感应电机的调速控制方法已有很多,大体可分为恒压频比(V/f)控制、转差频率控制、矢量控制(Vector control,VC) 和直接转矩控制(Direct torque control,DTC)等。

V/f控制和转差频率控制是相对简单的交流调速方法,在工业领域上有着广泛的应用。这两种控制策略都是以脉宽调制(Pulse width modula-tion,PWM)方式作为其实现的技术方式,控制曲线会随负载变化而变化,转矩响应慢,不适用于频繁加减速场合,因此这种控制方法不适用于电动车的驱动系统。

矢量控制(VC)又称为磁场定向控制(Field cri- ented control),它是1975 年由德国西门子公司的Blaschke提出的一种基于坐标变换的高性能感应电机控制方式,它可以在很大程度上提高感应电机的传动效率,在电池容量相同的条件下,使用这样的驱动系统的汽车,其续驶里程更长。由于矢量控制交流电机在性能上可以和直流电机相媲美,矢量控制系统是20年来实际应用最为广泛的高性能交流调速系统,在电动车和混合动力汽车的交流驱动系统中的应用也是最成熟的,动态性能好,调速范围宽。矢量控制有两个比较突出的缺点:1) 对电机参数的依赖性很大,电机参数的估算准确与否直接影响控制性能的好坏;2) 转子磁场的定向需要使用坐标变换,计算量比较大。

同矢量控制不同,直接转矩控制(DTC)摒弃了解耦的思想,取消了旋转坐标变换,直接对电机进行控制,它是一种发展较快的新兴的电机高性能控制方法。1985年,直接转矩控制技术由德国鲁尔大学的DePenbrock教授提出,首见于异步电动机,它是继矢量控制之后感应电机调速控制技术上又一个重大突破。直接转矩控制具有如下特点:1) 相比矢量控制,不需要进行坐标变换,直接通过控制转矩差和定子磁通差就能确定电压矢量;2) 采用Bang-Bang控制;3) 与PWM技术并用来进行转矩控制;4) 动态响应快,控制性能优良,适用于电动车和机车牵引传动。由于直接转矩系统采用了Bang-Bang控制,由此而产生了转矩脉动,限制了系统的调速范围;5) 系统未能彻底摆脱电机参数的影响,低速控制性能不好。为提高性能和改进这些缺点,各国学者经过十多年的共同努力,取得了长足的进步。针对电动车在行驶过程中出现的各种复杂工况,提出了包含空间电压向量和定子磁链优化的永磁式同步电机直接转矩控制方法。选择无刷直流电机作为低成本电动车的驱动系统,利用克里格(Kriging)预测算法来估计电机转矩,并作为控制器的反馈,提高了系统的快速性。电压空间矢量调节和离散电压空间矢量调制方法的直接转矩控制。采用分段解析模糊控制器选择逆变器的开关状态,使系统起动阶段转矩反应更快,超调量也更小。

凡是高性能交流电机控制系统,包括矢量控制系统、直接转矩控制系统或者其他系统,都需要转速反馈。然而速度传感器的使用带来了系统成本增加、可靠性降低、体积增大及易受工作环境影响等缺点。因此,无速度传感器控制技术是交流电机调速控制的重要课题。基于无速度传感器技术,直接转矩控制方法中的转速估计主要借助于直接计算法、模型参考自适应法(MRAS)、卡尔曼滤波算法、神经网络法、滑模变结构法。

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