第四章 电机驱动系统北京理工大学林程车辆电动技术
4.1电机驱动系统电机驱动系统 是电动汽车的心脏，它的任务是在驾驶员的控制下，高效率地将蓄电池的能量转化为车轮的动能，或者将车轮上的动能反馈到蓄电池中。
– 电气系统 由 电机、功率转换器和电子控制器 等三个子系统组成
– 机械系统 主要包括 机械传动装置 （是可选的）
和 车轮电子控制器 分为三个功能单元,传感器、
中间连接电路与处理器电动汽车的电机驱动系统电子控制器微处理器微控制器
DSP
转换器
VVVF
FOC
M RA C
S T C
V S C
NNC
F uz z y
软件 硬件功率变换器 电动机 变速箱和差速器器件
G T O
BJ T
M O S F E T
IG BT
M CT
拓扑斩波
PWM
逆变谐振
CA D
FEM
EM
力热图解法类型
DC
IM
S RM
P M S M
P M BM
P M H M
蓄电池
4.1电动汽车的特性要求驾驶员对电动汽车的驾驶性能要求
– 由包括加速性能、最大车速、爬坡能力、刹车性能以及续驶里程等性能在内的驾驶模式决定的车辆的性能约束
– 车型、车重和载重等等车载能源系统的性能
– 与蓄电池、燃料电池、电容器、飞轮及各种混合型能源有关电动车电机的独特性电动汽车驱动电机需要有 4~5倍的过载以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求；而工业驱动电机只要求有 2倍的过载就可以了。
电动汽车驱动电机的最高转速要求达到在公路上巡航时基速的 4~5倍；
而工业驱动电机只要求达到恒功率时基速的两倍。
电动汽车驱动电机应根据车型与驾驶员的驾驶习惯进行设计；而工业驱动电机通常只根据典型的工作模式进行设计即可。
电动汽车驱动电机要求有高的功率密度和好的效率图（在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率），从而能够降低车重，延长续驶里程；
而工业驱动电机通常对功率密度、效率及成本进行综合考虑，在额定 工作点附近对效率进行优化。
为使多电机协调运行，要求电动汽车驱动电机可控性高、稳态精度高,动态性能好；而工业驱动电机只有某一种特定的性能要求。
电动汽车驱动电机往往被装在机动车上，空间小，工作在高温、坏天气及频繁振动等的恶劣的工作条件下；而工业驱动电机通常在某个固 定的位置工作。
注意 1：单电机或多电机结构单电机 双电机成本 较低 较高体积 笨重 分散重量 集中 分散效率 较低 较高差速方式 机械式 电子式单电机或多电机结构单电机功率转换器电机变速器差速器单电机电子控制器功率转换器电机变速器功率转换器电机变速器双电机注意 2：固定速比与可变速比变速传动固定速比 可变速比电机额定值 较高 较低逆变器额定值 较高 较低成本 较低 较高体积 较小 较大重量 较低 较高效率 较高 较低可靠性 较高 较低注意 3：有齿轮和无齿轮传动电子控制器功率转换器电机传动装置带变速器的驱动电机传动装置功率转换器电子控制器功率转换器电机不带变速器的驱动电机功率转换器注意 4：系统电压等级系统电压 ——所选的电动汽车系统电压等级将大大影响驱动电机系统的设计。采用合理的高电压电机可减小逆变器的成本和体积。如果所需电压过高，则需要串联许多电池，这会引起车内及行李舱空间的减小，车辆的重量及成本的增加，以及车辆性能的下降。由于不同的车型采用不同的系统电压等级，因而电动汽车驱动电机的设计需适合于不同的电动汽车。
系统电压受蓄电池重量的限制，电池重量约占整车重量的 30%。实际上，电机的功率越大，所采用的电压等级越高。通用公司的 EV1所用的 102kW的电机采用 312V的电压，而 Reva EV 13kW的电机采用 48V的电压。
注意 5：电力驱动系统整合电机与转换器，控制器，变速装置、能源等的整合是最为重要的。电动汽车驱动电机的设计者应充分了解这些部件的特性，
然后在给定的条件下设计电机。这与工业驱动电机的设计是不同的，工业驱动电机通常是在标准电源下工作的标准电机。
电动汽车驱动电机分类电动车驱动电机有换向器 无换向器自励串励直流并励直流励磁永磁直流鼠笼式绕线式电励磁式永磁无刷磁阻式他励 感应电机 同步电机
PM 无刷直流电机开关磁阻电机永磁混合电机阴影的电机类型表示已经被近代电动汽车采用电机设计方法基本上有两种主要的方法,电路法与电磁场法 。电路法基于等效电路分析，而电磁场法依赖于电磁场分析 。
电磁场法 的优点在于结果较精确，能较好的处理复杂的机械外形及非线性材料，并能较好的确定临界区域。现在有限元方法
(FEM)被认为是用作电动汽车电磁场分析的强有力的工具之一。
设计电机时需要考虑的基本因素磁载荷 ——通过电机气隙的磁通密度的基本分量的峰值。
电载荷 ——电机单位周长上总电流的均方根或单位周长上的安匝数，单位体积和单位重量的功率和转矩，单位磁路的磁通密度，转速、转矩和功率，损失和效率，以及热回路设计和冷却等。
关键之处,对钢、磁和铜的较好利用，更好的电磁耦合、电机的几何形状与布局，更好的热设计和冷却，了解电机性能的限制，了解电机的几何形状、尺寸、参数和性能的关系，只有这样，才能设计出具有较高的单位重量功率和单位重量转矩以及较好性能的电机。
直流驱动电机技术直流电机,由于励磁绕组的磁场与电枢绕组的磁场是垂直分布的，因而其控制原理非常简单。
通过用 永磁材料 代替直流电机的励磁绕组，有效地利用了径向空间，从而可使电机的定子直径大大减小。由于永磁材料的磁导率较小，因而电枢反应减小，互感增加。但有换向器及电刷的维护问题。
技术的进步把 无换向器直流电机 的发展推到了一个新的时代，它的高效率、高功率密度、低运行成本、更可靠及免维护等性能优于传统的直流电机 。
感应电机技术由于 感应电机 的低成本、高可靠性及免维护等特性，因而在电动汽车驱动电机领域里，它是应用很广的一种无换向器电机。但传统的 变频变压 （ VVVF）控制技术等，不能使感应电机满足所要求的驱动性能。主要原因在于它的动态模型的非线性。随着微机时代的到来，采用 矢量控制
(FOC)法控制感应电机可以克服由于其非线性带来的控制难度，矢量控制也称为解耦控制。不过，采用矢量控制的电动汽车感应电机在轻载及有限的恒功率工作区域内运行时 效率较低 。
有人提出一种适用于电动汽车感应电机的即时效率优化控制方案，该方案能把能耗降低大约 10%，并能增加大约
4%的再生能量，从而使电动汽车的续驶里程增加 14%以上。另外，人们还开发了一种用于电动汽车感应电机的 电极变换 方案，该方案能有效的把恒功率的转速范围提高到基速的四倍以上。
永磁同步电机技术用永磁材料代替传统同步电机的励磁绕组,永磁同步电机 就能去掉传统的电刷、滑环以及励磁绕组的铜损。
永磁同步电机由于采用正弦交流电及无刷结构，也被称为 永磁无刷交流电机 或正弦永磁无刷电机。由于这种电机实质上是同步电机，它们不经电子转换就可以通过正弦交流电或脉宽调制方式使其运行。当永磁体嵌在转子表面时，由于永磁材料的磁导率与空气相似，因而这种电机的运行特性与非凸极同步电机一样。如果把永磁体埋入转子的磁路中，凸极就会产生附加的磁阻转矩，从而使电机的恒功率区域有更 宽的转速范围。
如果有意利用转子的凸极，而去掉励磁绕组或永磁体，就可得到 同步磁阻电机,其结构简单，成本低廉，但输出功率相对较低。和感应电机一样,永磁同步电机通常也采用矢量控制方法 以满足电动汽车电机驱动的高性能要求。由于其本身的高能量密度与高效率，它在电动汽车的应用领域与感应电机相比有较大的竞争优势。最近，有人提出永磁同步电机的 自适应控制法,这种控制方法能使电机在整个工作区获得最优的性能。
永磁无刷直流电机技术通过改变永磁直流电机定子和转子的位置，就可得到 永磁无刷直流电机 。需注意的是，名称中的“直流”这个术语可能会引起误解，因为它并不是指直流电机。实际上，这种电机采用交流方波供电，因此也称为 永磁无刷方波电机 。这种电机最明显的好处是去掉了电刷，从而也排除了由电刷引起的许多问题；另一个优点是能产生较大的转矩，
因为它的方波电流和磁场是垂直的。而且，这种无刷结构使电枢绕组具有更代表性的区域。由于通过整个结构的热传导有了改善，电负荷的增加可产生 更高的功率密度 。与永磁同步电机不同的是，这种永磁无刷直流电机通常装有转轴位置传感器。
最近，人们开发了一种用于电动汽车的 解耦永磁无刷直流电机,它具有 很高的功率密度,转矩不间断，且有较好的动态性能。它也采用先进的感应角控制方法来有效地增大它的恒功率转速范围。
开关磁阻电机技术开关磁阻电机 应用于电动汽车上具有很大的潜力。它基本上是由单块可变磁阻步进电机直接衍生而来。开关磁阻电机具有结构简单，制造成本低廉，转矩 /转速特性好等优点，适合于电动汽车驱动。
虽然它的结构简单，但决不意味着其设计和控制也简单。
由于其磁极端部的严重磁饱和以及磁极和沟槽的边缘效应，
使其设计和控制非常困难和精细。而且，经常引起 噪声 问题。
最近，有人开发了一种开关磁阻电机的优化设计方法，该方法考虑到极弧、高度及最大磁通密度的限制，用 有限元分析方法 使整个电机的损失达到最小。而且，采用 模糊滑模控制法 可控制电机的非线性并使噪音达到最小。
永磁混合电机技术最近，一个新的研究方向是开发用于电动汽车的 永磁混合电机 。在原理上，有很多永磁混合电机，人们对其中的三种进行了研究，这三种是永磁和磁阻混合、永磁和磁滞混合以及永磁和励磁绕组混合等。
– 第一种，把永磁体嵌入转子的磁回路中，永磁同步电机同时产生永磁转矩和同步磁阻转矩。另外，如果把永磁体和开关磁阻结构结合起来，就产生了另一种永磁和磁阻混合的电机，这就是所谓 的 双凸极永磁电机 (DSPM) 。双凸极永磁电机现在的发展表明它具有 高效、高功率密度和宽转速范围 等优点。
– 第二种，综合利用永磁转矩和磁滞转矩的新型永磁混合电机，它把永磁体嵌入磁滞环内表面的槽中，这种 磁滞混合电机 具有 启动转矩高，运行平稳且安静 等独特优点，适用于电动汽车。
– 第三种，把永磁体置于转子内，直流励磁绕组放在内定子上，通过控制励磁电流的大小和方向，很容易调节电机的气隙磁通，这 样，就容易得到满足电动汽车驱动要求的转矩 /转速特性。
各种驱动电机性能比较直流电机 感应电机 永磁无刷电机开关磁阻电机永磁混合电机功率密度 2.5 3.5 5 3.5 4
效率 2.5 3.5 5 3.5 5
可控制性 5 4 4 3 4
可靠性 3 5 4 5 4
成熟性 5 5 4 4 3
成本 4 5 3 4 3
综合 22 26 25 23 23
从表中可以看出感应电机相对而言是最容易接受的。如果永磁无刷电机
（包括直流和交流）的成本下降，其技术更加成熟时，这种电机将是最受欢迎的。传统的直流电机似乎在失去其竞争力，但开关磁阻电机和永磁混合电机在电动汽车上的应用有更大的发展潜力。
电动汽车电机的应用电动汽车型 电动汽车电机菲亚特 Panda Elettra 串励直流电机马自达 Bongo 并励直流电机
Conceptor G-Van 他励直流电机铃木高级三轮车 永磁直流电机菲亚特 Seicento Elettra 感应电机福特 Th!nk City 感应电机通用 EV1 感应电机本田 EV Plus 永磁同步式电机尼桑 Altra 永磁同步式电机丰田 RAV4 永磁同步式电机
Chloride Lucas 开关磁阻电机电动汽车用功率电子器件在过去几十年里，功率半导体器件技术有了很大的发展。这些功率器件在功率额定值以及性能方面有了革命性的进展。在现有的功率器件中，功率二极管作为自由开关使用，而其它功率器件，如晶闸管、
GTO,BJT,MOSFET,IGBT,SIT、
SITH,MCT等，都是外部可控的，对高性能的功率器件的研究仍在进行。
对电力驱动的功率器件要求额定值 ——额定电压根据蓄电池的名义电压、充电时的最大电压和再生制动时的最大电压确定，而电流的额定值取决于电机额定功率的峰值以及所并联的功率器件的个数，
当这些器件并联时，其导通状态与开关特性必须匹配好；
转换效率 ——开关频率较高可减小过滤器的体积并有利于满足电磁干扰限制的要求。
当开关频率高于 20Hz时，可避免出现噪声；
功率损失 ——导通时的压降或损失应降到最小，同时开关损失应尽可能小。由于高的开关频率会增加开关损失，开关频率在 10Hz时可使能量密度、噪声及电磁干扰同时达到最优。漏电电流应限制在 1mA以内，以使断开状态的损失最小；
基极 /门极的可驱动性 ——器件应考虑到简单和安全的基极或门极驱动。相应的驱动信号或为触发电压 /电流或为线性电压 /电流。 电压驱动模式能耗非常低，通常被优先采用；
动态特性 ——器件的动态特性应足够好，以允许有较高的 dv/dt和较高的 di/dt能力，并容易进行并联。内部的续流二极管应该和外部的主器件具有相似的动态特性；
坚固 ——功率器件应该有足够的抗过载能力以承受过电压时的巨大能量，并能在过流时通过快速熔断半导体保险丝加以保护，它应不用和尽量少用缓冲电路。由于电动汽车频繁的加速、减速，功率器件会引起频繁的热循环冲击，它应在这种热压条件下可靠工作；
成熟性与成本 ——由于功率器件的成本占整个电动汽车驱动系统的大部分，所以功率器件应该尽量经济。最近的一些功率器件，比如高能的 MCT等，还不能成熟地应用于电动汽车。
各种电动汽车功率器件的比较
GTO BJT MOSFET IGBT MCT
额定值 5 4 2 5 3
开关频率 1 2 4 4 4
功率损失 2 3 4 4 4
门极可驱动性 2 3 5 5 5
动态特性 2 3 5 5 5
抗过载能力 3 3 5 5 5
成熟性 5 5 4 4 2
低廉性 4 4 4 4 2
总和 24 27 33 36 30
电动汽车用功率转换器功率转换器技术一般随着功率器件的发展而发展，目的是要达到高功率密度、高效、
高可控性和高可靠性。功率转换器可以是同频率的 AC-DC 和 AC-AC转换，不同频率的 AC-AC变换,DC-DC 或 DC-AC变换。
DC-DC转换器通常称为直流斩波器，而
DC-AC变换器通常称为逆变器，它们分别用于电动汽车驱动系统的直流和交流电机。
直流斩波器直流斩波器 是在二十世纪六十年代出现的，它用作非自然关断的半导体闸流管，只限于在低频开关下运行。由于快速开关功率器件的出现，这种斩波器现在能在几十甚至几百千赫兹下工作。
用于电动汽车驱动时，两象限的直流斩波器是最理想的，因为在电机驱动模式下，它能把蓄电池的直流电压变换为可变的直流电压，并能在再生制动时进行能量的反向转换。四象限的直流斩波器用于直流电机的可逆与再生速度控制。四象限直流斩波器如图所示。
逆变器逆变器 通常分为电压输入式和电流输入式。由于需要大量的电感元件来模拟电流源，所以电流供给式逆变器很少用于电动汽车驱动。由于电压输入式逆变器很简单且能进行双向能量转换，所以电动汽车上几乎只使用这种逆变器。典型的三相全桥电压输入式逆变器如图所示。
根据不同的需要，它的输出 波形 可以为方波、六步式或是脉宽调制波形。比如，可以为永磁无刷直流电机输出方波，可为感应电机输出六步式波形或脉宽调制波形。。
电动汽车逆变器软开关技术功率逆变器 可用软开关来代替强制式开关。软开关的关键之处在于运用谐振回路来形成电流或电压波形，使功率开关器件处于零电压或零电流状态。一般来说，软开关逆变器具有以下优点：
– 由于处于零电压或零电流状态，功率器件的开关损失为零，因而效率也高。
– 由于热消耗低，且无需缓冲，转换器的体积和重量都减少了，因而功率密度高。
– 由于采用软开关使开关的压力最小，器件的可靠性得到了改善。
– 由于电压谐振脉冲较小，从而使电磁干扰和器件的绝缘性不再成为主要问题。
– 由于开关频率很高，所以噪声很小。
软开关技术的主要缺点在于谐振回路增加了成本及复杂性。虽然软开关的 DC-
DC转变器在开关模式的功率器件中得到了广泛的应用，但它在电动汽车驱动系统中的应用发展较慢。由于高效率和高功率密度的功率转换器对电动汽车驱动是非常理想的，所以适用于电动汽车的软开关功率转换器仍在进一步的发展。
硬开关 软开关开关损失 严重 几乎为零整体效率 一般 可能稍高热排放要求 一般 可能稍低硬件数 一般 多总功率密度 一般 可能稍高电磁干扰问题 严重 低电压波动情况 严重 低调节方案 多种 有限成熟性 成熟 发展中成本 一般 较高软开关式逆变器虽然在开关模式的电力系统中应用了许多软开关式的 DC-DC
转换器，但这些转换器不能直接用于驱动电动汽车的直流电机中，因为除了要承受过大电压和电流外，这些转换器也不能控制再生制动时的反向能量流。 应该指出的是,对电动汽车而言，再生制动是非常重要的，因为它能有效的延长 25%
以上的续驶里程。
人们把适用于交流电机（包括感应电机、永磁无刷电机和永磁混合电机）的软开关式逆变器的发展作为一个新的研究方向。
用于电动汽车驱动的软开关逆变器的 研发指标 有许多，如效率高于 95%，功率密度高于 3.5
W/cm3，开关频率高于
10~20kHz,dv/dt低于 1000
V/?s，零电磁干扰，车辆行驶期间无故障。最近，三角结构的辅助谐振缓冲逆变器已达到了以上要求，并证明其输出功率能达到 100kW。
微电子器件现代微电子器件可大体分为 微处理器，微控制器，数字信号处理器 (DSPs)和传输机 等。
微处理器技术 被认为是微电子技术发展的里程碑，如 8086,80186,80286,
80386,80486,奔腾，奔腾 II和奔腾 III等。微处理器是微机的 CPU，可用来编译指令，控制运行行为并执行所有的算法和逻辑运算。不像微处理器,微控制器 如 8096,80196 和 80960等，包括所有的资源如 CPU,ROM 或 EPROM,
RAM,DMA，计时器，中断源,A/D 和 D/A转换器及输入 /输出接口等，可作单机、单片控制器使用。这样，基于电动汽车驱动系统的微处理器具有硬件最少、软件集中等优点。 数字信号处理器 (DSPs)，如 TMS320C30,
TMS320C40 和 i860具有快速计算浮点数据的能力，它可以满足高性能的电力驱动电机的复杂控制算法的要求。另外,传输机,如 T400,T800 和 T9000，
是为并行处理特别设计的。通过用多片传输机，任何复杂的控制算法都可以实现。
通过把微电子器件和功率器件集成到同一芯片上（就像大脑和肌肉的集成），
便成了 功率集成电路 (PICs)，俗称“智能功率”，其目的是进一步减小体积，
降低成本并改善其可靠性。 PIC可以包含功率模块、控制、保护、信息传递和制冷等。 PIC合成存在的主要问题是高电压和低电压器件的绝缘以及冷却问题。
控制策略传统的线性控制，如 PID，不能满足高性能电机驱动的苛刻要求。近几年，出现了许多先进的控制策略。适用于电机驱动的控制策略的发展现状，包括 自适应控制，变结构控制，模糊控制和神经网络控制 等。
自适应控制 包括 自调节控制 (STC)和 模型参考自适应控制 (MRAC)。 运用 STC，控制器的参数可根据系统参数的变化进行自动调整。关键在于运用一个识别模块来跟踪系统参数的变化，并通过控制器的自调整模块更新控制器的参数，这样就可以获得理想的闭环控制性能。 运用 MRAC，输出模型的响应必须跟踪参考模型的响应，而不管系统模型的参数如何变化，基于利用参考模型和系统输出的差别的自适应算法，控制器的参数不断加以调整，从而可得到理想的闭环控制性能。现在,MRAC和 STC都已用于电动汽车无换向器电机驱动系统中。
变结构控制 (VSC)最近也应用到电机驱动中与自适应控制进行竞争。 运用 VSC，系统提供不敏感的参数特性，规定误差动态并简化所执行的操作。根据一系列的开关控制原理，系统必须按预先设定的轨道在相平面内运行，而不管系统参数如何变化。
模糊逻辑和神经网络 等新技术最近也被引入电机控制领域。模糊控制实质上是一种语言过程，它基于人类行为所使用的先前经验和试探法则。利用神经网络控制 (NNC)，控制器有可能解释系统的动态行为，然后自学并相应的进行自我调整。此外，这种先进的控制策略还能结合其它控制策略形成 新的控制模式,比如自适应模糊控制，模糊
NNC和模糊 VSC等。在不久的将来，利用人工智能 (AI)的控制器不用人的干预就能进行系统诊断和错误修正。
4.2直流电机直流电机 分为 励磁绕组式 和 永磁式直流电机 。前者有励磁绕组且磁场可由直流电流控制，而后者没有励磁绕组且永磁体的磁场是不可控制的。由于技术成熟，控制简单，它们在各种电动汽车驱动系统中有广泛的应用。
直流电动机工作原理与结构系统的基本结构直流电机广泛用于电机驱动系统。 最早的直流电机 由一串电阻器与电机串联或并联形成。电机的电压等于电池电压减去电阻器上的电压降，并通过运用接触器短路一部分电阻而使电压升高。直流电机的电阻控制的基本结构如图所示，
图中,A,B,C和 D是外部控制接触器。
这种系统只适用于在额定转速运行和启动时只要求平稳加速的电动汽车驱动系统。虽然这种电阻控制方式简单且价廉，
但由于大量的能量以热的形式损失了，
因而其效率很低。另外，它不能进行平滑控制，因而运行不平稳。
随着功率电子器件的迅速发展，电阻控制方式已被淘汰。 直流斩波控制方式 由于体积小，重量轻，效率高，可控制性好，而且根据所选的加速度，能平稳加速到理想的速度，所以该控制方式在电力驱动领域得到了广泛应用。右图显示出了用于直流电机速度控制的基本的一象限直流斩波器。
A
B
C
D
A
B
C
D
停止 运行
直流电机励磁方式普通励磁绕组直流电机 分为他励、串励、
并励和复励等。没有外部控制时，它们在额定电压时的转矩 /转速特性如图所示。
– 他励直流电机,励磁电压和电枢电压可以互相独立控制，其转矩 /转速特性是线性相关的，转速随转矩的增大而减小，
转速调节是通过调节电枢回路的电阻来实现的。
– 串励直流电机,励磁电流与电枢绕组的电流相等，转矩增加伴随着电枢电流的增大及磁通的增加，结果，转速下降使电源电压与感应电压保持平衡，转矩与转速成反比关系。低速时能提供高转矩，
广泛用于传统电动汽车驱动系统 。大大降低车辆加速与爬坡时的电池消耗。
– 并励直流电机,励磁绕组与电枢绕组连接在同一电源上，其特性与他励直流电机相似。
– 复励直流电机,串励绕组磁动势的方向与并励绕组的相同，其特性界于串励直流电机与并励直流电机之间，取决于串励与并励磁场的相对强弱。
转速他励或并励串励短复励转矩永磁与励磁直流电机用永磁体取代励磁绕组和磁极结构，励磁绕组直流电机就变成了 永磁直流电机 。与励磁绕组直流电机相比，永磁直流电机由于采用永磁体，大大节省了空间并且没有磁场损失，所以它的 功率密度和效率都较高 。永磁体的磁导率和空气的差不多，所以电枢反应减小，电磁交换得以改善。
不过，由于永磁直流电机的 励磁不能控制,所以我们不能从永磁直流电机得到与励磁绕组直流电机相似的工作特性。
由于换向器和电刷的存在，励磁绕组直流电机和永磁直流电机存在同样的问题。 换向器引起转矩波动并限制了电机的转速，而电刷带来摩擦与射频干扰 (RFI)。而且，由于磨损和断裂，换向器和电刷需 定期维护 。这些缺点使其可靠性低且不适合于免维护工作，从而限制了它们在电动汽车驱动领域的广泛应用。
直流电机的控制直流电机的优势在于其成熟性和简单。由于气隙磁通?和电枢电流 Ia
能分别控制，因而电机转速 ωm和转矩 T也能分别控制，所以直流电机的控制很简单。无论是励磁绕组直流电机还是永磁直流电机，它们都满足以下 基本方程,
式中 E是反电动势,Va是电枢电压,Ra是电枢电阻,Ke称为反电动势常数或转矩常数，对于励磁绕组直流电机来说,?与可独立控制的磁场电流 If线性相关。而对于他励、串励、并励或复励直流电机来说，
则 If与 Ia或 Va或与 Ia,Va都有关。但是，永磁直流电机的?基本上是不可控制的。
直流电机的设计包括下列 主要尺寸,电枢的外径与铁芯长、电枢外径与铁芯长之比的优化、气隙长度、磁极对数、电枢槽的个数、电枢齿宽与槽深、线圈绕组匝数、槽满率、换向器的小节数、换向装置、单位磁路的磁通密度、励磁电流、单位热回路中的热阻抗、转速、转矩 和效率、单位重量转矩、铜和铁芯重量等。
meKE aaa IREV ae IKT
DC-DC转换器当 DC-DC转换器以斩波方式工作时，通常称为 直流斩波器,
广泛用于直流电机驱动的电压控制。
电动机工作模式，能量从能源流向负载；而第二象限型直流斩波器适用于再生制动，能量从负载流向能源；再生制动对电动汽车是非常重要的，能使其续驶里程延长 25%以上，在电动汽车驱动中是首选的；四象限直流斩波器不用机械接触器实现反向工作，而是用电子控制来实现正向的电动机工作模式和逆向的再生制动工作模式。
电压频率不变、脉宽可变时间时间时间脉宽固定、频率可变脉宽可变、频率可变电压电压直流斩波器的三种调压方式直流斩波器的输出电压有三种调节方式，即 脉宽调制 (PWM)方式,频率调制方式和限流控制方式 。第一种方法，斩波器的频率保持不变，只改变脉冲的宽度；第二种方法，脉冲宽度保持不变，斩波频率是可变的。第三种方法，
脉冲宽度和频率都是可变的，使负载电流控制在某个特定的最大值和最小值之间。
传统的电动汽车直流电机驱动通常采用 PWM控制或二象限直流斩波控制方式。
相应的控制依赖于占空比?的变化。
式中,Vs是供给的直流电压。当?>(E/Vs)时，工作于发电机模式 (Ia>0)；当
<(E/Vs)时，工作于再生制动模式 (Ia<0)；当?=(E/Vs)时，表示处于空载状态。
由于电流没有间断，所以不会出现不连续的导通模式。
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a
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软开关 DC-DC转换器软开关 DC-DC转换器 很少用于直流电机驱动的电压控制，主要原因在于它的发展比开关模式的功率器件的发展缓慢。而且，可用的软开关
DC-DC转换器不能控制再生制动的能量回流。直到现在，我们专门开发出了适用于电动汽车电机驱动的二象限软开关 DC-DC转换器，即二象限零电压变换 (2Q-ZVT)转换器，
它具有最小的电压与电流开关应力，
且能高效地工作于电动机和再生制动工作模式。图显示了 2Q-ZVT转换器控制的直流电动机驱动的结构简图。
在电动机工作模式，转换器的输出电压 V0由电压转化比 μm= V0/ Vi控制，该转化比与新的可控占空比的关系如下：
式中,δm定义为 S4,S5 和 S6的标准总周期,f是标准开关频率,λm是标准负载电流。当 f 选择为 0.04时，
μm对于 λm,μm对于 δm的工作特性如图 4.17所示。同样，再生制动时的电压转化比定义如下：
式中,δr定义为 S4,S5 和 S6的标准总周期,λr是再生制动时的标准负载电流。
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电机两种模式下的等效电路和工作波形电机牵引模式
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电机再生制动模式模式电机不同模式的工作特性曲线
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电机牵引模式
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再生制动模式转速控制直流电机的 转速控制 可以通过 电枢控制和励磁控制 。当直流电机电枢电压减小时，电枢电流和电机转矩就会降低，由此引起电机转速降低。
反之，当电枢电压增加时，电机转矩就会增加，由此会引起电机转速增加。
为使电动汽车的直流电机有较宽的转速控制范围，电枢控制必须和励磁控制相结合。当电机转速在零与基速之间时，励磁电流保持在额定值，采用 电枢控制 。当电机转速超过基速时，电枢电压保持在额定值，采用 励磁控制 。
采用电枢与励磁控制相结合相应的所允许的最大转矩与最大功率如图所示。他励直流电机在电动机和再生制动两种工作模式时的转矩 /转速特性曲线如图所示。
电枢绕组控制 励磁绕组控制转矩功率基速转速转速牵引转矩制动转矩磁通不变电压减小电压不变磁通增加
4.3 感应电机无换向器电机驱动比传统的有换向器直流电机驱动优点多。目前,感应电机 驱动在各种无换向器电机驱动中技术最成熟。
感应电机有两种类型,绕线式转子电机和鼠笼式电机 。由于绕线式感应电机成本高、需要维护、
缺乏坚固性，因而没有鼠笼感应电机应用广泛，
特别是在电动汽车的电力驱动中。鼠笼感应电机简称为感应电机。
感应电机驱动除了具有无换向器电机驱动的共同优点外，还具有成本低，坚固等优点。这些优点超过了其控制复杂的缺点，推动感应电机在电动汽车驱动中的广泛应用。
系统结构在电动汽车驱动中，感应电机驱动分为 单电机型和多电机型 。
图示单电机驱动的结构，由三相鼠笼型感应电机、三相电压型 PWM
逆变器、电子控制器、减速器和差速器组成。
多电机系统由多个电机、多个逆变器、集中或分布式控制器和可变速比的变速器组成。
这两种结构各有各的优点，在现代电动汽车上都有应用。这两种结构的特点是：三相感应电机是专门设计的、并与驱动桥集成为一体；三相 PWM逆变器具有再生制动的功能，并有轻微的谐波失真；电子控制器能完成电机的各种驱动控制；
采用固定速比的减速器提供爬坡时的低速大转矩。
减速器和差速器三相鼠笼感应驱动电机三相电压型PW M逆 变器带微处理器的控制器驾驶员的命令反馈信号感应电机用于电力驱动的感应电机在原理上与工业中用的感应电机基本相同。然而，这种电机需要专门设计，转子铁芯和定子铁芯由薄硅钢片叠加而成，以减少铁损，
鼠笼采用铜条减少线圈损失，定子铁芯采用 C级绝缘，
可直接用低粘度的油来冷却，采用铸铝机座来减小电机总重量。尽管电机的电压等级受电动汽车动力电池的数量、重量和类型的限制，但仍需合理采用高电压和低电流的电机设计，以减少功率逆变器的成本和体积。尽管轴承摩擦、通风损失以及驱动桥配合公差影响电机的最大转速，但仍需采用高速运行使电机的尺寸和重量最小化，弱磁控制要求杂散电抗小 。 电动汽车运行时的电机工作特性,爬坡时要求低速高转矩，
巡航要求高速低转矩，车辆超车时具有瞬时超负载能力 。
为了优化电机的几何形状和参数,通常使用 CAD 技术,
一般用两维有限元方法 (FEM)实现静态和动态电磁场分析。基于感应电机热力场分析的三维有限元方法
(FEM)现在特别受欢迎 。 由于电机起动时的表面效应会引起损失密度分布随时间变化，因此会在转子条和端环上产生严重的瞬时热应力。图是基于热力场 FEM
分析的电动汽车感应电机一个转子槽距的瞬时温度分布。
感应电机的设计主要考虑定子铁芯的内外径、铁芯长度、
气隙长度、磁级数、定子槽数、转子槽数、定子齿宽和槽深、转子齿宽和槽深、每相线圈匝数、槽满率,单位磁路的磁通密度、感应电流,单位热回路的热阻抗、转速、
转矩和效率,单位重量转矩、
铜铁芯和磁铁芯的重量等。
逆变器电动汽车驱动中，感应电机使用的几乎都是 专用的三相电压型 PWM逆变器,逆变器的设计很大程度上依赖于功率器件的技术。目前,基于逆变器的 IGBT
最受人青睐，被许多现代电动汽车采用。由于硬开关逆变器的拓扑结构几乎是固定不变的，所以逆变器的设计通常取决于功率器件的选择和 PWM 的变换方案。
选择功率器件的 标准 是：由于变换过程中会产生浪涌电压，所以要求其额定电压至少是蓄电池额定电压的两倍，；要求额定电流足够大，不需要再并联功率器件；为抑制谐波和噪音，要求开关速度足够高。功率器件模块是二合一型,即 两个元件串联,并且每个元件上跨接一个反并联二极管,使布线和干扰电阻最小。另一方面，选择 PWM 变换方案时，要求其输出基波的幅值和频率能平稳变化；输出谐波失真最小；开关算法要求用尽可能少的硬件和软件实时执行；在蓄电池电压波动大的情况下，比如 -
35%～ +25%，控制器不能失去控制。
有许多 可用的 PWM方案,如正弦波 PWM,均衡
PWM,优化 PWM、三角波 PWM,随机 PWM,等效面积 PWM,滞环 PWM和 空间矢量 PWM 等。其中电流控制滞环 PWM和空间矢量 PWM在电动汽车感应电机驱动中得到了广泛应用。电压控制型等面积
PWM方案是专门为以蓄电池为动力的电动汽车感应电机驱动设计的。
改进的软开关逆变器的拓扑结构自 1986年直流电路的逆变器问世以来，人们就一直为感应驱动电机开发软开关逆变器。接着，人们又提出了许多改进的软开关逆变器的拓扑结构，如谐振直流电路、
串联谐振直流电路、并联谐振直流电路、
同步谐振直流电路、谐振变换、辅助谐振整流极和辅助谐振缓冲逆变器。其中，辅助谐振缓冲逆变器 (ARS)是专门为电动汽车驱动开发的。
通过采用辅助开关、谐振感应线圈和谐振缓冲电容可得到软开关的条件,ARS逆变器的两种三相拓扑结构如图所示
-ARS 逆变器在电动汽车驱动中更受青睐，
因为它有大功率的容量、没有漂移电压或过压给辅助功率开关带来危害、不需要另外安装电压或电流传感器、其谐振开关没有跨接反并联的快速可逆恢复二极管等。
尽管逆变器实际应用之前还需要不断完善，
尤其应降低它的控制复杂性，同时为确保感应电机驱动变速控制，需要修正它的
PWM开关方案。实际商业化的电动汽车电力驱动系统中，还没有使用软开关逆变器。
感应电动机感应电动机三相 ARS逆变器拓扑结构,
星形结构三角形结构单相 ARS逆变器工作原理及模式V s
S 1
S 3
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9
感应电机转速控制由于感应电机的直轴和交轴的磁耦合作用，导致它动态模型的 高度非线性,使得感应电机的控制比直流电机要复杂得多。为了实现感应电机的理想控制，许多新的控制方法被应用到电动汽车的感应电机驱动中来，其中较为成功的是,变压变频 (VVVF)控制、磁场定向控制 (FOC) 也称矢量控制或解耦控制,变极控制 。 感应电机转速控制的基本方程为：
sp fsNN s 1601
式中 N是电机转速,NS是同步旋转磁场转速,p 是磁极对数,f 是电源频率。
通过改变 f,p 和 s 来控制电机转速，一般采用控制多种变量的方法。高级的控制策略和复杂控制算法如自适应控制、变结构控制和最优控制等已经得以使用，以获得快速响应、高效率和宽转速范围。
VVVF 控制此方法是在基频以下用恒压恒频控制，基频以上用变频恒压控制。在频率很低时，定子阻抗下降，通过提高电压来补偿电源电压与感应电动势之间的压降。第一段在电机频率低于基频时，产生额定转矩，称为 恒转矩区 ；在第二段，定子电压保持恒定，滑差增加到最大值，电机 功率维持在额定值不变 。在高速区，滑差维持常数，而定子电流衰减，转矩以速度的平方减少。因为变压变频控制方法具有气隙磁通偏移和延时响应等 缺点,在高性能电动汽车的驱动中 较少使用 这种方法。
增益电压对频率逆变器和感应电动机车轮电动机轮速负载转矩参考
恒转矩定子电流转矩定子电压滑差基速转速恒功率 高速矢量控制为了改善电动汽车感应驱动电机的动态特性，应 优先 选择 FOC 而不是 VVVF
控制。通过使用 FOC控制,把静态参考坐标系（ d-q坐标系）变换为同步旋转坐标系下（ x-y坐标系）的新数学模型，如图所示。这样，电机的所有变量如电源电压 Vs、定子电流 is、转子电流 ir和转子磁通链 λr在稳态时可用标量表示。
当 x轴与转子磁通链矢量的方向一致时，参考坐标系 (α-β坐标系 )就与转子磁通同步旋转，如图所示。这里 isα和 isβ分别是定子电流在 α轴和 β轴上的分量。电机转矩 T为,
式中 M是绕组间的互感,Lr 是转子绕组的自感。 λr可写成 Misα，因此转矩方程可写成：
Isα可作为 is的励磁分量，其作用是建立气隙磁通，而 isβ可作为 is的转矩分量，
产生期望的电机转矩。因此只要保持励磁分量不变，通过采用 FOC方法，调节转矩分量就可有效地控制电机转矩。
实现 FOC的方法分成两类,直接 FOC 和间接 FOC 。直接 FOC 需要直接测量转子磁通，增加了实施的复杂性和低速测量时的不可靠性，很少用于电动汽车的驱动。间接 FOC是用计算代替直接测量决定转子磁通，比直接 FOC更容易实现，因此，间接 FOC在高性能电动汽车驱动中的应用具有很好的前景。
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自适应控制尽管间接 FOC在高性能感应电机驱动中得到了广泛应用,但应用在电动汽车中仍存在许多缺点。特别是转子时间常数
Lr/Rr(对解耦有重要影响 ) 随工作温度和磁饱和度的变化会发生很大变化，导致 FOC控制性能变差。
一般有两种方法可解决这个问题，一种方法是对转子 时间常数在线辩识,采用 FOC控制器来更新参数；另一种方法是用复杂的控制算法使 FOC控制器不受电机参数变化的影响。
解耦控制
IM
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参考模型
r
效率优化控制感应电机驱动采用传统的 FOC,
控制电流的励磁分量在恒功率区负载变化时基本保持不变。
大部分运行条件下，它的铁芯损耗没有铜耗明显,因此传统的 FOC能提供最大的单位安培转矩。
但是 轻载运行时，铁耗与铜耗相当，会使效率很低 。电动汽车在运行过程中，由于车载能量有限、负载和速度变化范围大，电动汽车电机驱动系统的效率应在整个运行区优化。
滑模控制器 坐标变换
P W M 逆变器
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和估算器
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速度传感器变极控制改变感应驱动电机的极对数可调节旋转磁场的同步转速。鼠笼电机比绕线式电机优点多，
能自动使转子的极数适合定子的极数。早期，变极控制由机械接触器来实现，只能获得不连续的两三个转速。随着功率电子和控制技术的发展,变极控制能用电子控制的方式来实现,基本原理如图所示。每相定子绕组由两组线圈组成，线圈组电流方向的变化使极对数发生变化。
一种新型双逆变器的 6相变极控制的电动汽车感应电机驱动系统如图所示，能用 4极和 8极运行，对应的最大转矩特性如图所示。 因此，高速恒功率区得以延伸，特别适合于电动汽车巡航。
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4.4 永磁电机永磁驱动电机 的分类多种多样，根据输入电机接线端的波形，可分为：
– 永磁直流电机
– 永磁交流电机由于永磁交流驱动电机没有电刷、换向器或滑环，因此也可称为 永磁无刷驱动电机 。
根据输入电机接线端的交流波形，永磁无刷电机可分为 永磁同步电机和永磁无刷直流电机 。
输入永磁同步电机的是 交流正弦或近似正弦波,采用连续转子位置反馈信号来控制换向；
而永磁无刷直流电机输入的是 交流方波,采用离散转子位置反馈信号控制换向。由于方波磁场与方波电流之间相互作用而产生的转矩比正弦波大，所以,永磁无刷直流电机的功率密度大,但是由功率器件的换向电流引起的转矩脉动也大，而正弦波产生的转矩基本是恒转矩或平稳转矩，这与绕线转子同步电机相同。
4.41 永磁混合式电机这种电机的特点是既有永磁体又有励磁绕组。永磁体通常嵌入转子之中，励磁绕组固定于定子之上。这种驱动电机没有采用任何特殊的控制策略,通过调节直流励磁电流来控制气隙磁通，就可获得比其他永磁电机宽的转速范围 。特别是在高速区，弱磁控制能很好的满足电动汽车恒功率运行的要求。
由于这种电机的结构和磁路与其它电机不同，它可归为另一类永磁无 刷电机。因此,永磁电机 可分为以下几类：
– 永磁直流电机；
– 永磁同步电机；
– 永磁无刷直流电机；
– 永磁混合式电机。
后三类统称为 永磁无刷电机,由于没有传统直流电机的电刷和换向器，
因此永磁无刷电机几乎可与感应电机竞争媲美。
永磁材料的性能钕 -铁 -硼 钐 -钴 铝镍钴 V 铁氧体剩余磁感应强度 Br (kG) 12.5 8.7 12.8 3.8
矫顽力 Hc (kOe) 10.5 8.0 0.6 3.0
最大磁能积 BHmax(MGOe) 36.0 18.3 5.5 3.5
回复磁导率?r 1.8 1.0 4.0 1.0
居里温度 (?C) 310 720 800 310
温度系数 (%/?C) –0.13 –0.04 –0.03 –0.19
钕 -铁 -硼 (Nd-Fe-B) 永磁材料自从 1983年被发现之后，由于它具有最高的剩磁和矫顽力，以及相对低的价格，使得它在永磁电机中具有很好的应用前景。 永磁材料的特性通常与温度有关，一般永磁体随温度的增加而失去剩磁，如果永磁体的温度超过居里温度，则其磁性为零。退磁特性曲线也随温度变化，在一定温度范围内，其变化是可逆的，且近似线性。因此，在设计永磁电机时，必须考虑电机运行过程中温度的变化范围。
2
4
6
8
10
12
0 2 4 6 8 10 12
矫顽力 (kO e )
磁通密度（kG）
铝镍钴合金钕铁硼稀土钐钴铁氧体
4.42 永磁直流电机用永磁体代替励磁线圈和磁极,传统的绕线式励磁直流电机就变成了 永磁直流电机 。使用永磁体可节省空间、减少励磁损失，因此 永磁直流电机的功率密度和效率较高，永磁体的磁导率低，因而可以减少永磁直流电机的电枢反应，使换向得以改善 。这些优点促进了它在电力驱动中的应用。
与绕线式励磁直流驱动电机类似，永磁直流驱动电机也采用 变压控制的直流斩波器输入 。二者的不同之处在于永磁直流驱动电机的励磁不能控制，而绕线励磁直流电机的励磁电流可用另外一种斩波器单独控 制，因此永磁电机不能得到类似于绕线直流电机的工作特性。
与绕线励磁直流电机一样,永磁直流驱动电机的缺点是存在换向器和电刷。换向器会产生转矩波动,同时电刷会带来摩擦和射频干扰 (RFI)，
而且换向器和电刷需要定期维护，因而它们在电力驱动中不再具有吸 引力。不过,由于这类电机控制简单，在 低功率 的电动汽车如电动自行车和电动三轮车中仍然有所应用。
4.43 永磁无刷电机永磁无刷电机是电力驱动感应电机的最有力的竞争对手。 它的优点如下：
– 由于电机由高能永磁材料励磁，对于给定的输出功率，
它的重量和体积能够大大减小，使得 功率密度 提高。
– 由于转子无绕组，无铜损，其 效率高于 感应电机。
– 电机发热主要集中在定子上,易于采取措施散热 。
– 永磁励磁不受制造缺陷、过热或机械损坏的限制，因而 可靠性 较高。
– 转子电磁时间常数小,动态性能好 。
A.系统结构用于电力驱动的永磁无刷电机的结构与感应电机相似，主要可选的结构有单电机和多电机驱动以及固定速比和可变速比变速器等。单电机驱动系统的结构主要由永磁无刷电机、电压型逆变器、
电子控制器、减速器和差速器组成。与感应驱动电机相比，其 基本结构 主要有两点不同：
– 永磁无刷电机 不仅仅局限于三相，实际上，更高相位的电机可减小相电流，降低功率元件的额定电流。
– 逆变器 除了能为正弦波永磁无刷电机产生 PWM 波，还要求能为方波永磁无刷电机产生方波。
B.永磁同步电机如果励磁绕组用永磁体代替，传统的同步电机就变成永磁同步电机。
正弦波定子电流和正弦反电动势相互作用产生转矩。
与绕线转子同步电机类似，永磁同步电机的转子与旋转磁场 同步旋转,
旋转磁场的转速 取决于电源频率 。与经典多相交流电机的同步电机和感应电机类似，永磁同步电机产生瞬时连续变化的转矩或称平稳转矩。
根据永磁体在转子上的安装位置不同,永磁同步电机可分为 表面式和内置式 。表面式同步电机的优点是结构简单，由于永磁体的磁导率接近空气，所以永磁同步电机有较大的有效气隙，电枢反应大大降低。与表面式同步电机相比，内置式永磁电机有较高的 磁显性,可产生额外的磁阻转矩分量，这在恒功率运行时是很有用的，将永磁体嵌入转子，
可保持高速运行时的机械完整性。
永磁同步电机控制策略与感应电机相似。
N S
N
N
N
S
S
S
D 轴
Q 轴非磁性槽楔永磁体气槽非磁性轴自我调节效率优化控制的永磁同步驱动电机效率优化三相逆变器永磁同步电动机蓄电池频率指令
P W M 信号电压传感器直流电流传感器
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读取 I
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dc
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P 是否增加？
四步是否在同一个方向？
VV
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是否是否
C.永磁无刷直流电机如果交换永磁直流电机的定子和转子,就变成了 永磁无刷直流电机 。 这类电机的显著优点是无刷，消除了电刷带来的许多问题；
而且方波电流和方波磁场相互作用可产生大转矩。相解耦型永磁无刷直流电机与永磁同步电机相比，有更好的动态特性和弱磁控制能力。
多相多极相解耦的永磁无刷直流电机五相 22极相解耦永磁无刷直流驱动电机如图所示。电机有 20个定子槽，一个线圈的两边分别放在相临的定子槽
1和槽 2里，同相的另一个线圈放在槽 11和槽 12里，这两个线圈串联在一起。其它绕组按同样方法放置。转子由
22块永磁体组成，形成 22个磁极，相邻的磁极构成一对磁极，这表明相邻两个槽距是 11/10极距。每极每相的槽数是非整数排列，定子与转子在任何位置的电磁力是一样的，因此可消除永磁电机产生的齿槽效应引起的转矩波动。当 S极的槽内电流流向读者,N极的槽内电流背离读者时，如图所示，转子产生的转矩方向是逆时针的，
反之亦然。通过定子槽与转子磁极的配合,任何时刻都有四相绕组通电、一相绕组不通电 。
导通状态由转子位置传感器的反馈信号决定，传感器由安装在电机机座（端盖）的光电器件和安装在转子轴上的齿盘构成。反馈信号有两个作用：通过判断转子位置来决定每相绕组的通电状态；为控制器提供转速信号。
由换向逻辑决定电机的旋转方向，换向频率要与电机转速匹配。通过调节电源电压很容易实现这类电机的速度控制。
由于相解耦，每相与传统直流电机一样可以独立控制，
因此用于直流电机的控制技术在这类电机中很容易实现，
如速度反馈和电流反馈闭环控制系统 。与感应电机的矢量控制比较，由于没有矢量变换，电机的控制更简单。
通过调节电源电压,很易实现电机恒转矩运行 。
S1 S2
S3
S4
S5
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参考 控制器电流反馈位置和转速信号反馈
Sw
D,永磁混合式电机如果在永磁直流电机中加入 附加励磁绕组,就可以加宽转速范围。关键是控制励磁电流，在高速恒功率区运行时，对永磁体产生的气隙磁场进行弱磁控制。由于既有永磁体又用励磁绕组，所以叫 永磁混合式电机 。永磁混合式电机一般采用串联和并联结构。由于永磁体磁导率低，串联结构通常要求感应电动势比较高，所以没有并联结构受人们青睐。这类电机的缺点是 结构相对较复杂 。
图所示的是人们为电动汽车驱动新开发的一种 永磁混合式驱动电机 。
它独特的结构由爪型转子、固定励磁绕组和定子组成。 永磁体嵌入转子之中，励磁绕组放在内转子和外转子之间的环行固定区域里。
外壳 定子铁心定子
N 极轴轴承后支架轴承静止的励磁绕组
S 极转子励磁绕组支架
4.5 开关磁阻电机一般 开关磁阻驱动电机 由开关磁阻电机、功率变换器、传感器和控制器 四部分组成，其中开关磁阻电机起关键作用，它能将电能转变成机械能。图显示了三种开关磁阻电机的基本结构，它们是根据不同的定子和转子磁极数来区分的。
功率转化器控制器 传感器开关磁阻电机位置电流参考速度工作原理图示是四相 8/6-极开关磁阻驱动电机,图中只画出了其中一相绕组的情况。 由于定子和转子极是凸极结构，
所以每相绕组的电感 L随转子位置的变化而变化，如图所示。 开关磁阻电机的工作原理遵循磁阻最小的原则,如图所示，当 B相绕组受到激励时，为减小磁路的磁阻，转子顺时针旋转，直到转子极 2与定子极 B相对，此时磁路的磁阻最小 (电感最大 )。然后，切断绕组 B的激励，
给绕组 A施加激励，磁阻转矩使转子极 1与定子极 A相对。转矩方向一般指向最近的一对磁极相对的位置。
因此，根据转子位置传感器的反馈信号，相绕组按 B-A-D-C的顺序导通，使转子沿顺时针方向连续旋转。
1
S
2
S
A
B
C
D
A'
B'
C'
D'
1
2
3
1'
2'
3'
磁极相对 磁极错开
m a x
L
m i n
L
1
2
3
转矩
0
0
转子的角位置转子的角开关磁阻电机的两个特点转矩的方向不受相电流方向的影响，
当电感增加时，产生电机转矩； 相反，产生负转矩即制动转矩。所以，每相只在半极距内产生正转矩，因此易产生转矩波动，
通过增加电机相数可减小转矩波动。
开关磁阻电机有两个基本工作方式开关磁阻电机有两个基本工作方式如图所示。
当转速低于基速时,对电流进行斩波限幅，称为 电流斩波控制 (CCC)。
在 CCC方式,触发角和关断角不变，
触发角仅由速度反馈决定。通过改变电流限制可控制转矩，因此用
CCC 可得到恒转矩特性。
在高速区工作，峰值电流受相绕组的感应电动势所限制。它的特性可以通过调节不同转子位置所对应的开关相位来控制，称为 角位置控制
(APC)。在 APC方式,可获得恒功率工作特性。在临界转速达到它们的极限值。
随后,开关磁阻电机不再保持恒功率的工作特性，而进入串励特性区。
L
on
o f f
1
2
0
i
L
on
o f f
1? 2?
i
0
CCC 模式 APC 模式
0
b
sc
c o n s t,?T
c o n s t,T,c o n s t
2
T
转矩转速串励直流A P CCCC
开关磁阻电机的控制开关磁阻驱动电机的控制要求独特，因此感应电机和同步电机的控制 方法不再适用。我们知道传统的控制方法如 PID控制不适用于电动汽车，所以人们为电动汽车驱动的开关磁阻电机新开发了一种 模糊滑模控制 (FSMC)方法,这种方法综合利用了模糊逻辑控制 (FLC) 和滑模控制 (SMC)。
由于 FLC 控制在不使用控制系统数学模型的条件下，能够将语言控制策略转换为自动控制，所以可用来处理复杂、不能精确定义的系统。
但由于模糊控制规则是靠经验决定的，它的隶属函数的选择主要靠试 错法，因此 FLC 设计费时，而且受控系统的动态响应也不能事先确定。
应用 SMC方法，控制系统对于外来干扰和参数变化具有很强的鲁棒性。
因此，可以通过预定状态轨迹的理想滑模面来支配受控系统的动态特性。但由于系统的各种非理想性如开关磁滞性、控制系统和数字采样 的延时等的存在,状态轨迹通常沿非理想滑模面振颤，这种不期望的振颤在控制系统产生 高频非模型控制的动态特性 。
FSM方法 结合 了 FLC 和 SMC 的优点，即用 SMC 克服开关电机的非线性，而用 FLC 减少控制振颤。
电动汽车开关磁阻电机的速度控制系统电动汽车开关磁阻电机的速度控制系统如图所示，它由两个闭环组成，一个是内部的电流环，另一个是外部的速度环。 FSMC的 输入 是参考速度与反馈速度之差，而 输出 是参考转矩。它的参考电流用开关磁阻电机的非线性转矩 -
角特性表示。
F S M C
转速控制
*
T
*
i
S M C 电流控制
CCC
A P C
功率转换器
S R M
电子换向器编码器
dt
d?
i
i
*
),( iT?
4.1电机驱动系统电机驱动系统 是电动汽车的心脏，它的任务是在驾驶员的控制下，高效率地将蓄电池的能量转化为车轮的动能，或者将车轮上的动能反馈到蓄电池中。
– 电气系统 由 电机、功率转换器和电子控制器 等三个子系统组成
– 机械系统 主要包括 机械传动装置 （是可选的）
和 车轮电子控制器 分为三个功能单元,传感器、
中间连接电路与处理器电动汽车的电机驱动系统电子控制器微处理器微控制器
DSP
转换器
VVVF
FOC
M RA C
S T C
V S C
NNC
F uz z y
软件 硬件功率变换器 电动机 变速箱和差速器器件
G T O
BJ T
M O S F E T
IG BT
M CT
拓扑斩波
PWM
逆变谐振
CA D
FEM
EM
力热图解法类型
DC
IM
S RM
P M S M
P M BM
P M H M
蓄电池
4.1电动汽车的特性要求驾驶员对电动汽车的驾驶性能要求
– 由包括加速性能、最大车速、爬坡能力、刹车性能以及续驶里程等性能在内的驾驶模式决定的车辆的性能约束
– 车型、车重和载重等等车载能源系统的性能
– 与蓄电池、燃料电池、电容器、飞轮及各种混合型能源有关电动车电机的独特性电动汽车驱动电机需要有 4~5倍的过载以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求；而工业驱动电机只要求有 2倍的过载就可以了。
电动汽车驱动电机的最高转速要求达到在公路上巡航时基速的 4~5倍；
而工业驱动电机只要求达到恒功率时基速的两倍。
电动汽车驱动电机应根据车型与驾驶员的驾驶习惯进行设计；而工业驱动电机通常只根据典型的工作模式进行设计即可。
电动汽车驱动电机要求有高的功率密度和好的效率图（在较宽的转速和转矩范围内都有较高的效率），从而能够降低车重，延长续驶里程；
而工业驱动电机通常对功率密度、效率及成本进行综合考虑，在额定 工作点附近对效率进行优化。
为使多电机协调运行，要求电动汽车驱动电机可控性高、稳态精度高,动态性能好；而工业驱动电机只有某一种特定的性能要求。
电动汽车驱动电机往往被装在机动车上，空间小，工作在高温、坏天气及频繁振动等的恶劣的工作条件下；而工业驱动电机通常在某个固 定的位置工作。
注意 1：单电机或多电机结构单电机 双电机成本 较低 较高体积 笨重 分散重量 集中 分散效率 较低 较高差速方式 机械式 电子式单电机或多电机结构单电机功率转换器电机变速器差速器单电机电子控制器功率转换器电机变速器功率转换器电机变速器双电机注意 2：固定速比与可变速比变速传动固定速比 可变速比电机额定值 较高 较低逆变器额定值 较高 较低成本 较低 较高体积 较小 较大重量 较低 较高效率 较高 较低可靠性 较高 较低注意 3：有齿轮和无齿轮传动电子控制器功率转换器电机传动装置带变速器的驱动电机传动装置功率转换器电子控制器功率转换器电机不带变速器的驱动电机功率转换器注意 4：系统电压等级系统电压 ——所选的电动汽车系统电压等级将大大影响驱动电机系统的设计。采用合理的高电压电机可减小逆变器的成本和体积。如果所需电压过高，则需要串联许多电池，这会引起车内及行李舱空间的减小，车辆的重量及成本的增加，以及车辆性能的下降。由于不同的车型采用不同的系统电压等级，因而电动汽车驱动电机的设计需适合于不同的电动汽车。
系统电压受蓄电池重量的限制，电池重量约占整车重量的 30%。实际上，电机的功率越大，所采用的电压等级越高。通用公司的 EV1所用的 102kW的电机采用 312V的电压，而 Reva EV 13kW的电机采用 48V的电压。
注意 5：电力驱动系统整合电机与转换器，控制器，变速装置、能源等的整合是最为重要的。电动汽车驱动电机的设计者应充分了解这些部件的特性，
然后在给定的条件下设计电机。这与工业驱动电机的设计是不同的，工业驱动电机通常是在标准电源下工作的标准电机。
电动汽车驱动电机分类电动车驱动电机有换向器 无换向器自励串励直流并励直流励磁永磁直流鼠笼式绕线式电励磁式永磁无刷磁阻式他励 感应电机 同步电机
PM 无刷直流电机开关磁阻电机永磁混合电机阴影的电机类型表示已经被近代电动汽车采用电机设计方法基本上有两种主要的方法,电路法与电磁场法 。电路法基于等效电路分析，而电磁场法依赖于电磁场分析 。
电磁场法 的优点在于结果较精确，能较好的处理复杂的机械外形及非线性材料，并能较好的确定临界区域。现在有限元方法
(FEM)被认为是用作电动汽车电磁场分析的强有力的工具之一。
设计电机时需要考虑的基本因素磁载荷 ——通过电机气隙的磁通密度的基本分量的峰值。
电载荷 ——电机单位周长上总电流的均方根或单位周长上的安匝数，单位体积和单位重量的功率和转矩，单位磁路的磁通密度，转速、转矩和功率，损失和效率，以及热回路设计和冷却等。
关键之处,对钢、磁和铜的较好利用，更好的电磁耦合、电机的几何形状与布局，更好的热设计和冷却，了解电机性能的限制，了解电机的几何形状、尺寸、参数和性能的关系，只有这样，才能设计出具有较高的单位重量功率和单位重量转矩以及较好性能的电机。
直流驱动电机技术直流电机,由于励磁绕组的磁场与电枢绕组的磁场是垂直分布的，因而其控制原理非常简单。
通过用 永磁材料 代替直流电机的励磁绕组，有效地利用了径向空间，从而可使电机的定子直径大大减小。由于永磁材料的磁导率较小，因而电枢反应减小，互感增加。但有换向器及电刷的维护问题。
技术的进步把 无换向器直流电机 的发展推到了一个新的时代，它的高效率、高功率密度、低运行成本、更可靠及免维护等性能优于传统的直流电机 。
感应电机技术由于 感应电机 的低成本、高可靠性及免维护等特性，因而在电动汽车驱动电机领域里，它是应用很广的一种无换向器电机。但传统的 变频变压 （ VVVF）控制技术等，不能使感应电机满足所要求的驱动性能。主要原因在于它的动态模型的非线性。随着微机时代的到来，采用 矢量控制
(FOC)法控制感应电机可以克服由于其非线性带来的控制难度，矢量控制也称为解耦控制。不过，采用矢量控制的电动汽车感应电机在轻载及有限的恒功率工作区域内运行时 效率较低 。
有人提出一种适用于电动汽车感应电机的即时效率优化控制方案，该方案能把能耗降低大约 10%，并能增加大约
4%的再生能量，从而使电动汽车的续驶里程增加 14%以上。另外，人们还开发了一种用于电动汽车感应电机的 电极变换 方案，该方案能有效的把恒功率的转速范围提高到基速的四倍以上。
永磁同步电机技术用永磁材料代替传统同步电机的励磁绕组,永磁同步电机 就能去掉传统的电刷、滑环以及励磁绕组的铜损。
永磁同步电机由于采用正弦交流电及无刷结构，也被称为 永磁无刷交流电机 或正弦永磁无刷电机。由于这种电机实质上是同步电机，它们不经电子转换就可以通过正弦交流电或脉宽调制方式使其运行。当永磁体嵌在转子表面时，由于永磁材料的磁导率与空气相似，因而这种电机的运行特性与非凸极同步电机一样。如果把永磁体埋入转子的磁路中，凸极就会产生附加的磁阻转矩，从而使电机的恒功率区域有更 宽的转速范围。
如果有意利用转子的凸极，而去掉励磁绕组或永磁体，就可得到 同步磁阻电机,其结构简单，成本低廉，但输出功率相对较低。和感应电机一样,永磁同步电机通常也采用矢量控制方法 以满足电动汽车电机驱动的高性能要求。由于其本身的高能量密度与高效率，它在电动汽车的应用领域与感应电机相比有较大的竞争优势。最近，有人提出永磁同步电机的 自适应控制法,这种控制方法能使电机在整个工作区获得最优的性能。
永磁无刷直流电机技术通过改变永磁直流电机定子和转子的位置，就可得到 永磁无刷直流电机 。需注意的是，名称中的“直流”这个术语可能会引起误解，因为它并不是指直流电机。实际上，这种电机采用交流方波供电，因此也称为 永磁无刷方波电机 。这种电机最明显的好处是去掉了电刷，从而也排除了由电刷引起的许多问题；另一个优点是能产生较大的转矩，
因为它的方波电流和磁场是垂直的。而且，这种无刷结构使电枢绕组具有更代表性的区域。由于通过整个结构的热传导有了改善，电负荷的增加可产生 更高的功率密度 。与永磁同步电机不同的是，这种永磁无刷直流电机通常装有转轴位置传感器。
最近，人们开发了一种用于电动汽车的 解耦永磁无刷直流电机,它具有 很高的功率密度,转矩不间断，且有较好的动态性能。它也采用先进的感应角控制方法来有效地增大它的恒功率转速范围。
开关磁阻电机技术开关磁阻电机 应用于电动汽车上具有很大的潜力。它基本上是由单块可变磁阻步进电机直接衍生而来。开关磁阻电机具有结构简单，制造成本低廉，转矩 /转速特性好等优点，适合于电动汽车驱动。
虽然它的结构简单，但决不意味着其设计和控制也简单。
由于其磁极端部的严重磁饱和以及磁极和沟槽的边缘效应，
使其设计和控制非常困难和精细。而且，经常引起 噪声 问题。
最近，有人开发了一种开关磁阻电机的优化设计方法，该方法考虑到极弧、高度及最大磁通密度的限制，用 有限元分析方法 使整个电机的损失达到最小。而且，采用 模糊滑模控制法 可控制电机的非线性并使噪音达到最小。
永磁混合电机技术最近，一个新的研究方向是开发用于电动汽车的 永磁混合电机 。在原理上，有很多永磁混合电机，人们对其中的三种进行了研究，这三种是永磁和磁阻混合、永磁和磁滞混合以及永磁和励磁绕组混合等。
– 第一种，把永磁体嵌入转子的磁回路中，永磁同步电机同时产生永磁转矩和同步磁阻转矩。另外，如果把永磁体和开关磁阻结构结合起来，就产生了另一种永磁和磁阻混合的电机，这就是所谓 的 双凸极永磁电机 (DSPM) 。双凸极永磁电机现在的发展表明它具有 高效、高功率密度和宽转速范围 等优点。
– 第二种，综合利用永磁转矩和磁滞转矩的新型永磁混合电机，它把永磁体嵌入磁滞环内表面的槽中，这种 磁滞混合电机 具有 启动转矩高，运行平稳且安静 等独特优点，适用于电动汽车。
– 第三种，把永磁体置于转子内，直流励磁绕组放在内定子上，通过控制励磁电流的大小和方向，很容易调节电机的气隙磁通，这 样，就容易得到满足电动汽车驱动要求的转矩 /转速特性。
各种驱动电机性能比较直流电机 感应电机 永磁无刷电机开关磁阻电机永磁混合电机功率密度 2.5 3.5 5 3.5 4
效率 2.5 3.5 5 3.5 5
可控制性 5 4 4 3 4
可靠性 3 5 4 5 4
成熟性 5 5 4 4 3
成本 4 5 3 4 3
综合 22 26 25 23 23
从表中可以看出感应电机相对而言是最容易接受的。如果永磁无刷电机
（包括直流和交流）的成本下降，其技术更加成熟时，这种电机将是最受欢迎的。传统的直流电机似乎在失去其竞争力，但开关磁阻电机和永磁混合电机在电动汽车上的应用有更大的发展潜力。
电动汽车电机的应用电动汽车型 电动汽车电机菲亚特 Panda Elettra 串励直流电机马自达 Bongo 并励直流电机
Conceptor G-Van 他励直流电机铃木高级三轮车 永磁直流电机菲亚特 Seicento Elettra 感应电机福特 Th!nk City 感应电机通用 EV1 感应电机本田 EV Plus 永磁同步式电机尼桑 Altra 永磁同步式电机丰田 RAV4 永磁同步式电机
Chloride Lucas 开关磁阻电机电动汽车用功率电子器件在过去几十年里，功率半导体器件技术有了很大的发展。这些功率器件在功率额定值以及性能方面有了革命性的进展。在现有的功率器件中，功率二极管作为自由开关使用，而其它功率器件，如晶闸管、
GTO,BJT,MOSFET,IGBT,SIT、
SITH,MCT等，都是外部可控的，对高性能的功率器件的研究仍在进行。
对电力驱动的功率器件要求额定值 ——额定电压根据蓄电池的名义电压、充电时的最大电压和再生制动时的最大电压确定，而电流的额定值取决于电机额定功率的峰值以及所并联的功率器件的个数，
当这些器件并联时，其导通状态与开关特性必须匹配好；
转换效率 ——开关频率较高可减小过滤器的体积并有利于满足电磁干扰限制的要求。
当开关频率高于 20Hz时，可避免出现噪声；
功率损失 ——导通时的压降或损失应降到最小，同时开关损失应尽可能小。由于高的开关频率会增加开关损失，开关频率在 10Hz时可使能量密度、噪声及电磁干扰同时达到最优。漏电电流应限制在 1mA以内，以使断开状态的损失最小；
基极 /门极的可驱动性 ——器件应考虑到简单和安全的基极或门极驱动。相应的驱动信号或为触发电压 /电流或为线性电压 /电流。 电压驱动模式能耗非常低，通常被优先采用；
动态特性 ——器件的动态特性应足够好，以允许有较高的 dv/dt和较高的 di/dt能力，并容易进行并联。内部的续流二极管应该和外部的主器件具有相似的动态特性；
坚固 ——功率器件应该有足够的抗过载能力以承受过电压时的巨大能量，并能在过流时通过快速熔断半导体保险丝加以保护，它应不用和尽量少用缓冲电路。由于电动汽车频繁的加速、减速，功率器件会引起频繁的热循环冲击，它应在这种热压条件下可靠工作；
成熟性与成本 ——由于功率器件的成本占整个电动汽车驱动系统的大部分，所以功率器件应该尽量经济。最近的一些功率器件，比如高能的 MCT等，还不能成熟地应用于电动汽车。
各种电动汽车功率器件的比较
GTO BJT MOSFET IGBT MCT
额定值 5 4 2 5 3
开关频率 1 2 4 4 4
功率损失 2 3 4 4 4
门极可驱动性 2 3 5 5 5
动态特性 2 3 5 5 5
抗过载能力 3 3 5 5 5
成熟性 5 5 4 4 2
低廉性 4 4 4 4 2
总和 24 27 33 36 30
电动汽车用功率转换器功率转换器技术一般随着功率器件的发展而发展，目的是要达到高功率密度、高效、
高可控性和高可靠性。功率转换器可以是同频率的 AC-DC 和 AC-AC转换，不同频率的 AC-AC变换,DC-DC 或 DC-AC变换。
DC-DC转换器通常称为直流斩波器，而
DC-AC变换器通常称为逆变器，它们分别用于电动汽车驱动系统的直流和交流电机。
直流斩波器直流斩波器 是在二十世纪六十年代出现的，它用作非自然关断的半导体闸流管，只限于在低频开关下运行。由于快速开关功率器件的出现，这种斩波器现在能在几十甚至几百千赫兹下工作。
用于电动汽车驱动时，两象限的直流斩波器是最理想的，因为在电机驱动模式下，它能把蓄电池的直流电压变换为可变的直流电压，并能在再生制动时进行能量的反向转换。四象限的直流斩波器用于直流电机的可逆与再生速度控制。四象限直流斩波器如图所示。
逆变器逆变器 通常分为电压输入式和电流输入式。由于需要大量的电感元件来模拟电流源，所以电流供给式逆变器很少用于电动汽车驱动。由于电压输入式逆变器很简单且能进行双向能量转换，所以电动汽车上几乎只使用这种逆变器。典型的三相全桥电压输入式逆变器如图所示。
根据不同的需要，它的输出 波形 可以为方波、六步式或是脉宽调制波形。比如，可以为永磁无刷直流电机输出方波，可为感应电机输出六步式波形或脉宽调制波形。。
电动汽车逆变器软开关技术功率逆变器 可用软开关来代替强制式开关。软开关的关键之处在于运用谐振回路来形成电流或电压波形，使功率开关器件处于零电压或零电流状态。一般来说，软开关逆变器具有以下优点：
– 由于处于零电压或零电流状态，功率器件的开关损失为零，因而效率也高。
– 由于热消耗低，且无需缓冲，转换器的体积和重量都减少了，因而功率密度高。
– 由于采用软开关使开关的压力最小，器件的可靠性得到了改善。
– 由于电压谐振脉冲较小，从而使电磁干扰和器件的绝缘性不再成为主要问题。
– 由于开关频率很高，所以噪声很小。
软开关技术的主要缺点在于谐振回路增加了成本及复杂性。虽然软开关的 DC-
DC转变器在开关模式的功率器件中得到了广泛的应用，但它在电动汽车驱动系统中的应用发展较慢。由于高效率和高功率密度的功率转换器对电动汽车驱动是非常理想的，所以适用于电动汽车的软开关功率转换器仍在进一步的发展。
硬开关 软开关开关损失 严重 几乎为零整体效率 一般 可能稍高热排放要求 一般 可能稍低硬件数 一般 多总功率密度 一般 可能稍高电磁干扰问题 严重 低电压波动情况 严重 低调节方案 多种 有限成熟性 成熟 发展中成本 一般 较高软开关式逆变器虽然在开关模式的电力系统中应用了许多软开关式的 DC-DC
转换器，但这些转换器不能直接用于驱动电动汽车的直流电机中，因为除了要承受过大电压和电流外，这些转换器也不能控制再生制动时的反向能量流。 应该指出的是,对电动汽车而言，再生制动是非常重要的，因为它能有效的延长 25%
以上的续驶里程。
人们把适用于交流电机（包括感应电机、永磁无刷电机和永磁混合电机）的软开关式逆变器的发展作为一个新的研究方向。
用于电动汽车驱动的软开关逆变器的 研发指标 有许多，如效率高于 95%，功率密度高于 3.5
W/cm3，开关频率高于
10~20kHz,dv/dt低于 1000
V/?s，零电磁干扰，车辆行驶期间无故障。最近，三角结构的辅助谐振缓冲逆变器已达到了以上要求，并证明其输出功率能达到 100kW。
微电子器件现代微电子器件可大体分为 微处理器，微控制器，数字信号处理器 (DSPs)和传输机 等。
微处理器技术 被认为是微电子技术发展的里程碑，如 8086,80186,80286,
80386,80486,奔腾，奔腾 II和奔腾 III等。微处理器是微机的 CPU，可用来编译指令，控制运行行为并执行所有的算法和逻辑运算。不像微处理器,微控制器 如 8096,80196 和 80960等，包括所有的资源如 CPU,ROM 或 EPROM,
RAM,DMA，计时器，中断源,A/D 和 D/A转换器及输入 /输出接口等，可作单机、单片控制器使用。这样，基于电动汽车驱动系统的微处理器具有硬件最少、软件集中等优点。 数字信号处理器 (DSPs)，如 TMS320C30,
TMS320C40 和 i860具有快速计算浮点数据的能力，它可以满足高性能的电力驱动电机的复杂控制算法的要求。另外,传输机,如 T400,T800 和 T9000，
是为并行处理特别设计的。通过用多片传输机，任何复杂的控制算法都可以实现。
通过把微电子器件和功率器件集成到同一芯片上（就像大脑和肌肉的集成），
便成了 功率集成电路 (PICs)，俗称“智能功率”，其目的是进一步减小体积，
降低成本并改善其可靠性。 PIC可以包含功率模块、控制、保护、信息传递和制冷等。 PIC合成存在的主要问题是高电压和低电压器件的绝缘以及冷却问题。
控制策略传统的线性控制，如 PID，不能满足高性能电机驱动的苛刻要求。近几年，出现了许多先进的控制策略。适用于电机驱动的控制策略的发展现状，包括 自适应控制，变结构控制，模糊控制和神经网络控制 等。
自适应控制 包括 自调节控制 (STC)和 模型参考自适应控制 (MRAC)。 运用 STC，控制器的参数可根据系统参数的变化进行自动调整。关键在于运用一个识别模块来跟踪系统参数的变化，并通过控制器的自调整模块更新控制器的参数，这样就可以获得理想的闭环控制性能。 运用 MRAC，输出模型的响应必须跟踪参考模型的响应，而不管系统模型的参数如何变化，基于利用参考模型和系统输出的差别的自适应算法，控制器的参数不断加以调整，从而可得到理想的闭环控制性能。现在,MRAC和 STC都已用于电动汽车无换向器电机驱动系统中。
变结构控制 (VSC)最近也应用到电机驱动中与自适应控制进行竞争。 运用 VSC，系统提供不敏感的参数特性，规定误差动态并简化所执行的操作。根据一系列的开关控制原理，系统必须按预先设定的轨道在相平面内运行，而不管系统参数如何变化。
模糊逻辑和神经网络 等新技术最近也被引入电机控制领域。模糊控制实质上是一种语言过程，它基于人类行为所使用的先前经验和试探法则。利用神经网络控制 (NNC)，控制器有可能解释系统的动态行为，然后自学并相应的进行自我调整。此外，这种先进的控制策略还能结合其它控制策略形成 新的控制模式,比如自适应模糊控制，模糊
NNC和模糊 VSC等。在不久的将来，利用人工智能 (AI)的控制器不用人的干预就能进行系统诊断和错误修正。
4.2直流电机直流电机 分为 励磁绕组式 和 永磁式直流电机 。前者有励磁绕组且磁场可由直流电流控制，而后者没有励磁绕组且永磁体的磁场是不可控制的。由于技术成熟，控制简单，它们在各种电动汽车驱动系统中有广泛的应用。
直流电动机工作原理与结构系统的基本结构直流电机广泛用于电机驱动系统。 最早的直流电机 由一串电阻器与电机串联或并联形成。电机的电压等于电池电压减去电阻器上的电压降，并通过运用接触器短路一部分电阻而使电压升高。直流电机的电阻控制的基本结构如图所示，
图中,A,B,C和 D是外部控制接触器。
这种系统只适用于在额定转速运行和启动时只要求平稳加速的电动汽车驱动系统。虽然这种电阻控制方式简单且价廉，
但由于大量的能量以热的形式损失了，
因而其效率很低。另外，它不能进行平滑控制，因而运行不平稳。
随着功率电子器件的迅速发展，电阻控制方式已被淘汰。 直流斩波控制方式 由于体积小，重量轻，效率高，可控制性好，而且根据所选的加速度，能平稳加速到理想的速度，所以该控制方式在电力驱动领域得到了广泛应用。右图显示出了用于直流电机速度控制的基本的一象限直流斩波器。
A
B
C
D
A
B
C
D
停止 运行
直流电机励磁方式普通励磁绕组直流电机 分为他励、串励、
并励和复励等。没有外部控制时，它们在额定电压时的转矩 /转速特性如图所示。
– 他励直流电机,励磁电压和电枢电压可以互相独立控制，其转矩 /转速特性是线性相关的，转速随转矩的增大而减小，
转速调节是通过调节电枢回路的电阻来实现的。
– 串励直流电机,励磁电流与电枢绕组的电流相等，转矩增加伴随着电枢电流的增大及磁通的增加，结果，转速下降使电源电压与感应电压保持平衡，转矩与转速成反比关系。低速时能提供高转矩，
广泛用于传统电动汽车驱动系统 。大大降低车辆加速与爬坡时的电池消耗。
– 并励直流电机,励磁绕组与电枢绕组连接在同一电源上，其特性与他励直流电机相似。
– 复励直流电机,串励绕组磁动势的方向与并励绕组的相同，其特性界于串励直流电机与并励直流电机之间，取决于串励与并励磁场的相对强弱。
转速他励或并励串励短复励转矩永磁与励磁直流电机用永磁体取代励磁绕组和磁极结构，励磁绕组直流电机就变成了 永磁直流电机 。与励磁绕组直流电机相比，永磁直流电机由于采用永磁体，大大节省了空间并且没有磁场损失，所以它的 功率密度和效率都较高 。永磁体的磁导率和空气的差不多，所以电枢反应减小，电磁交换得以改善。
不过，由于永磁直流电机的 励磁不能控制,所以我们不能从永磁直流电机得到与励磁绕组直流电机相似的工作特性。
由于换向器和电刷的存在，励磁绕组直流电机和永磁直流电机存在同样的问题。 换向器引起转矩波动并限制了电机的转速，而电刷带来摩擦与射频干扰 (RFI)。而且，由于磨损和断裂，换向器和电刷需 定期维护 。这些缺点使其可靠性低且不适合于免维护工作，从而限制了它们在电动汽车驱动领域的广泛应用。
直流电机的控制直流电机的优势在于其成熟性和简单。由于气隙磁通?和电枢电流 Ia
能分别控制，因而电机转速 ωm和转矩 T也能分别控制，所以直流电机的控制很简单。无论是励磁绕组直流电机还是永磁直流电机，它们都满足以下 基本方程,
式中 E是反电动势,Va是电枢电压,Ra是电枢电阻,Ke称为反电动势常数或转矩常数，对于励磁绕组直流电机来说,?与可独立控制的磁场电流 If线性相关。而对于他励、串励、并励或复励直流电机来说，
则 If与 Ia或 Va或与 Ia,Va都有关。但是，永磁直流电机的?基本上是不可控制的。
直流电机的设计包括下列 主要尺寸,电枢的外径与铁芯长、电枢外径与铁芯长之比的优化、气隙长度、磁极对数、电枢槽的个数、电枢齿宽与槽深、线圈绕组匝数、槽满率、换向器的小节数、换向装置、单位磁路的磁通密度、励磁电流、单位热回路中的热阻抗、转速、转矩 和效率、单位重量转矩、铜和铁芯重量等。
meKE aaa IREV ae IKT
DC-DC转换器当 DC-DC转换器以斩波方式工作时，通常称为 直流斩波器,
广泛用于直流电机驱动的电压控制。
电动机工作模式，能量从能源流向负载；而第二象限型直流斩波器适用于再生制动，能量从负载流向能源；再生制动对电动汽车是非常重要的，能使其续驶里程延长 25%以上，在电动汽车驱动中是首选的；四象限直流斩波器不用机械接触器实现反向工作，而是用电子控制来实现正向的电动机工作模式和逆向的再生制动工作模式。
电压频率不变、脉宽可变时间时间时间脉宽固定、频率可变脉宽可变、频率可变电压电压直流斩波器的三种调压方式直流斩波器的输出电压有三种调节方式，即 脉宽调制 (PWM)方式,频率调制方式和限流控制方式 。第一种方法，斩波器的频率保持不变，只改变脉冲的宽度；第二种方法，脉冲宽度保持不变，斩波频率是可变的。第三种方法，
脉冲宽度和频率都是可变的，使负载电流控制在某个特定的最大值和最小值之间。
传统的电动汽车直流电机驱动通常采用 PWM控制或二象限直流斩波控制方式。
相应的控制依赖于占空比?的变化。
式中,Vs是供给的直流电压。当?>(E/Vs)时，工作于发电机模式 (Ia>0)；当
<(E/Vs)时，工作于再生制动模式 (Ia<0)；当?=(E/Vs)时，表示处于空载状态。
由于电流没有间断，所以不会出现不连续的导通模式。
sa VV
a
a
a R
EVI
软开关 DC-DC转换器软开关 DC-DC转换器 很少用于直流电机驱动的电压控制，主要原因在于它的发展比开关模式的功率器件的发展缓慢。而且，可用的软开关
DC-DC转换器不能控制再生制动的能量回流。直到现在，我们专门开发出了适用于电动汽车电机驱动的二象限软开关 DC-DC转换器，即二象限零电压变换 (2Q-ZVT)转换器，
它具有最小的电压与电流开关应力，
且能高效地工作于电动机和再生制动工作模式。图显示了 2Q-ZVT转换器控制的直流电动机驱动的结构简图。
在电动机工作模式，转换器的输出电压 V0由电压转化比 μm= V0/ Vi控制，该转化比与新的可控占空比的关系如下：
式中,δm定义为 S4,S5 和 S6的标准总周期,f是标准开关频率,λm是标准负载电流。当 f 选择为 0.04时，
μm对于 λm,μm对于 δm的工作特性如图 4.17所示。同样，再生制动时的电压转化比定义如下：
式中,δr定义为 S4,S5 和 S6的标准总周期,λr是再生制动时的标准负载电流。
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电机两种模式下的等效电路和工作波形电机牵引模式
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电机再生制动模式模式电机不同模式的工作特性曲线
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电机牵引模式
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再生制动模式转速控制直流电机的 转速控制 可以通过 电枢控制和励磁控制 。当直流电机电枢电压减小时，电枢电流和电机转矩就会降低，由此引起电机转速降低。
反之，当电枢电压增加时，电机转矩就会增加，由此会引起电机转速增加。
为使电动汽车的直流电机有较宽的转速控制范围，电枢控制必须和励磁控制相结合。当电机转速在零与基速之间时，励磁电流保持在额定值，采用 电枢控制 。当电机转速超过基速时，电枢电压保持在额定值，采用 励磁控制 。
采用电枢与励磁控制相结合相应的所允许的最大转矩与最大功率如图所示。他励直流电机在电动机和再生制动两种工作模式时的转矩 /转速特性曲线如图所示。
电枢绕组控制 励磁绕组控制转矩功率基速转速转速牵引转矩制动转矩磁通不变电压减小电压不变磁通增加
4.3 感应电机无换向器电机驱动比传统的有换向器直流电机驱动优点多。目前,感应电机 驱动在各种无换向器电机驱动中技术最成熟。
感应电机有两种类型,绕线式转子电机和鼠笼式电机 。由于绕线式感应电机成本高、需要维护、
缺乏坚固性，因而没有鼠笼感应电机应用广泛，
特别是在电动汽车的电力驱动中。鼠笼感应电机简称为感应电机。
感应电机驱动除了具有无换向器电机驱动的共同优点外，还具有成本低，坚固等优点。这些优点超过了其控制复杂的缺点，推动感应电机在电动汽车驱动中的广泛应用。
系统结构在电动汽车驱动中，感应电机驱动分为 单电机型和多电机型 。
图示单电机驱动的结构，由三相鼠笼型感应电机、三相电压型 PWM
逆变器、电子控制器、减速器和差速器组成。
多电机系统由多个电机、多个逆变器、集中或分布式控制器和可变速比的变速器组成。
这两种结构各有各的优点，在现代电动汽车上都有应用。这两种结构的特点是：三相感应电机是专门设计的、并与驱动桥集成为一体；三相 PWM逆变器具有再生制动的功能，并有轻微的谐波失真；电子控制器能完成电机的各种驱动控制；
采用固定速比的减速器提供爬坡时的低速大转矩。
减速器和差速器三相鼠笼感应驱动电机三相电压型PW M逆 变器带微处理器的控制器驾驶员的命令反馈信号感应电机用于电力驱动的感应电机在原理上与工业中用的感应电机基本相同。然而，这种电机需要专门设计，转子铁芯和定子铁芯由薄硅钢片叠加而成，以减少铁损，
鼠笼采用铜条减少线圈损失，定子铁芯采用 C级绝缘，
可直接用低粘度的油来冷却，采用铸铝机座来减小电机总重量。尽管电机的电压等级受电动汽车动力电池的数量、重量和类型的限制，但仍需合理采用高电压和低电流的电机设计，以减少功率逆变器的成本和体积。尽管轴承摩擦、通风损失以及驱动桥配合公差影响电机的最大转速，但仍需采用高速运行使电机的尺寸和重量最小化，弱磁控制要求杂散电抗小 。 电动汽车运行时的电机工作特性,爬坡时要求低速高转矩，
巡航要求高速低转矩，车辆超车时具有瞬时超负载能力 。
为了优化电机的几何形状和参数,通常使用 CAD 技术,
一般用两维有限元方法 (FEM)实现静态和动态电磁场分析。基于感应电机热力场分析的三维有限元方法
(FEM)现在特别受欢迎 。 由于电机起动时的表面效应会引起损失密度分布随时间变化，因此会在转子条和端环上产生严重的瞬时热应力。图是基于热力场 FEM
分析的电动汽车感应电机一个转子槽距的瞬时温度分布。
感应电机的设计主要考虑定子铁芯的内外径、铁芯长度、
气隙长度、磁级数、定子槽数、转子槽数、定子齿宽和槽深、转子齿宽和槽深、每相线圈匝数、槽满率,单位磁路的磁通密度、感应电流,单位热回路的热阻抗、转速、
转矩和效率,单位重量转矩、
铜铁芯和磁铁芯的重量等。
逆变器电动汽车驱动中，感应电机使用的几乎都是 专用的三相电压型 PWM逆变器,逆变器的设计很大程度上依赖于功率器件的技术。目前,基于逆变器的 IGBT
最受人青睐，被许多现代电动汽车采用。由于硬开关逆变器的拓扑结构几乎是固定不变的，所以逆变器的设计通常取决于功率器件的选择和 PWM 的变换方案。
选择功率器件的 标准 是：由于变换过程中会产生浪涌电压，所以要求其额定电压至少是蓄电池额定电压的两倍，；要求额定电流足够大，不需要再并联功率器件；为抑制谐波和噪音，要求开关速度足够高。功率器件模块是二合一型,即 两个元件串联,并且每个元件上跨接一个反并联二极管,使布线和干扰电阻最小。另一方面，选择 PWM 变换方案时，要求其输出基波的幅值和频率能平稳变化；输出谐波失真最小；开关算法要求用尽可能少的硬件和软件实时执行；在蓄电池电压波动大的情况下，比如 -
35%～ +25%，控制器不能失去控制。
有许多 可用的 PWM方案,如正弦波 PWM,均衡
PWM,优化 PWM、三角波 PWM,随机 PWM,等效面积 PWM,滞环 PWM和 空间矢量 PWM 等。其中电流控制滞环 PWM和空间矢量 PWM在电动汽车感应电机驱动中得到了广泛应用。电压控制型等面积
PWM方案是专门为以蓄电池为动力的电动汽车感应电机驱动设计的。
改进的软开关逆变器的拓扑结构自 1986年直流电路的逆变器问世以来，人们就一直为感应驱动电机开发软开关逆变器。接着，人们又提出了许多改进的软开关逆变器的拓扑结构，如谐振直流电路、
串联谐振直流电路、并联谐振直流电路、
同步谐振直流电路、谐振变换、辅助谐振整流极和辅助谐振缓冲逆变器。其中，辅助谐振缓冲逆变器 (ARS)是专门为电动汽车驱动开发的。
通过采用辅助开关、谐振感应线圈和谐振缓冲电容可得到软开关的条件,ARS逆变器的两种三相拓扑结构如图所示
-ARS 逆变器在电动汽车驱动中更受青睐，
因为它有大功率的容量、没有漂移电压或过压给辅助功率开关带来危害、不需要另外安装电压或电流传感器、其谐振开关没有跨接反并联的快速可逆恢复二极管等。
尽管逆变器实际应用之前还需要不断完善，
尤其应降低它的控制复杂性，同时为确保感应电机驱动变速控制，需要修正它的
PWM开关方案。实际商业化的电动汽车电力驱动系统中，还没有使用软开关逆变器。
感应电动机感应电动机三相 ARS逆变器拓扑结构,
星形结构三角形结构单相 ARS逆变器工作原理及模式V s
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9
感应电机转速控制由于感应电机的直轴和交轴的磁耦合作用，导致它动态模型的 高度非线性,使得感应电机的控制比直流电机要复杂得多。为了实现感应电机的理想控制，许多新的控制方法被应用到电动汽车的感应电机驱动中来，其中较为成功的是,变压变频 (VVVF)控制、磁场定向控制 (FOC) 也称矢量控制或解耦控制,变极控制 。 感应电机转速控制的基本方程为：
sp fsNN s 1601
式中 N是电机转速,NS是同步旋转磁场转速,p 是磁极对数,f 是电源频率。
通过改变 f,p 和 s 来控制电机转速，一般采用控制多种变量的方法。高级的控制策略和复杂控制算法如自适应控制、变结构控制和最优控制等已经得以使用，以获得快速响应、高效率和宽转速范围。
VVVF 控制此方法是在基频以下用恒压恒频控制，基频以上用变频恒压控制。在频率很低时，定子阻抗下降，通过提高电压来补偿电源电压与感应电动势之间的压降。第一段在电机频率低于基频时，产生额定转矩，称为 恒转矩区 ；在第二段，定子电压保持恒定，滑差增加到最大值，电机 功率维持在额定值不变 。在高速区，滑差维持常数，而定子电流衰减，转矩以速度的平方减少。因为变压变频控制方法具有气隙磁通偏移和延时响应等 缺点,在高性能电动汽车的驱动中 较少使用 这种方法。
增益电压对频率逆变器和感应电动机车轮电动机轮速负载转矩参考
恒转矩定子电流转矩定子电压滑差基速转速恒功率 高速矢量控制为了改善电动汽车感应驱动电机的动态特性，应 优先 选择 FOC 而不是 VVVF
控制。通过使用 FOC控制,把静态参考坐标系（ d-q坐标系）变换为同步旋转坐标系下（ x-y坐标系）的新数学模型，如图所示。这样，电机的所有变量如电源电压 Vs、定子电流 is、转子电流 ir和转子磁通链 λr在稳态时可用标量表示。
当 x轴与转子磁通链矢量的方向一致时，参考坐标系 (α-β坐标系 )就与转子磁通同步旋转，如图所示。这里 isα和 isβ分别是定子电流在 α轴和 β轴上的分量。电机转矩 T为,
式中 M是绕组间的互感,Lr 是转子绕组的自感。 λr可写成 Misα，因此转矩方程可写成：
Isα可作为 is的励磁分量，其作用是建立气隙磁通，而 isβ可作为 is的转矩分量，
产生期望的电机转矩。因此只要保持励磁分量不变，通过采用 FOC方法，调节转矩分量就可有效地控制电机转矩。
实现 FOC的方法分成两类,直接 FOC 和间接 FOC 。直接 FOC 需要直接测量转子磁通，增加了实施的复杂性和低速测量时的不可靠性，很少用于电动汽车的驱动。间接 FOC是用计算代替直接测量决定转子磁通，比直接 FOC更容易实现，因此，间接 FOC在高性能电动汽车驱动中的应用具有很好的前景。
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iLMpT 23
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自适应控制尽管间接 FOC在高性能感应电机驱动中得到了广泛应用,但应用在电动汽车中仍存在许多缺点。特别是转子时间常数
Lr/Rr(对解耦有重要影响 ) 随工作温度和磁饱和度的变化会发生很大变化，导致 FOC控制性能变差。
一般有两种方法可解决这个问题，一种方法是对转子 时间常数在线辩识,采用 FOC控制器来更新参数；另一种方法是用复杂的控制算法使 FOC控制器不受电机参数变化的影响。
解耦控制
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三相逆变器
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参考模型
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效率优化控制感应电机驱动采用传统的 FOC,
控制电流的励磁分量在恒功率区负载变化时基本保持不变。
大部分运行条件下，它的铁芯损耗没有铜耗明显,因此传统的 FOC能提供最大的单位安培转矩。
但是 轻载运行时，铁耗与铜耗相当，会使效率很低 。电动汽车在运行过程中，由于车载能量有限、负载和速度变化范围大，电动汽车电机驱动系统的效率应在整个运行区优化。
滑模控制器 坐标变换
P W M 逆变器
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和估算器
s
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和估算器
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速度控制器
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速度传感器变极控制改变感应驱动电机的极对数可调节旋转磁场的同步转速。鼠笼电机比绕线式电机优点多，
能自动使转子的极数适合定子的极数。早期，变极控制由机械接触器来实现，只能获得不连续的两三个转速。随着功率电子和控制技术的发展,变极控制能用电子控制的方式来实现,基本原理如图所示。每相定子绕组由两组线圈组成，线圈组电流方向的变化使极对数发生变化。
一种新型双逆变器的 6相变极控制的电动汽车感应电机驱动系统如图所示，能用 4极和 8极运行，对应的最大转矩特性如图所示。 因此，高速恒功率区得以延伸，特别适合于电动汽车巡航。
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SN
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5.0
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4.4 永磁电机永磁驱动电机 的分类多种多样，根据输入电机接线端的波形，可分为：
– 永磁直流电机
– 永磁交流电机由于永磁交流驱动电机没有电刷、换向器或滑环，因此也可称为 永磁无刷驱动电机 。
根据输入电机接线端的交流波形，永磁无刷电机可分为 永磁同步电机和永磁无刷直流电机 。
输入永磁同步电机的是 交流正弦或近似正弦波,采用连续转子位置反馈信号来控制换向；
而永磁无刷直流电机输入的是 交流方波,采用离散转子位置反馈信号控制换向。由于方波磁场与方波电流之间相互作用而产生的转矩比正弦波大，所以,永磁无刷直流电机的功率密度大,但是由功率器件的换向电流引起的转矩脉动也大，而正弦波产生的转矩基本是恒转矩或平稳转矩，这与绕线转子同步电机相同。
4.41 永磁混合式电机这种电机的特点是既有永磁体又有励磁绕组。永磁体通常嵌入转子之中，励磁绕组固定于定子之上。这种驱动电机没有采用任何特殊的控制策略,通过调节直流励磁电流来控制气隙磁通，就可获得比其他永磁电机宽的转速范围 。特别是在高速区，弱磁控制能很好的满足电动汽车恒功率运行的要求。
由于这种电机的结构和磁路与其它电机不同，它可归为另一类永磁无 刷电机。因此,永磁电机 可分为以下几类：
– 永磁直流电机；
– 永磁同步电机；
– 永磁无刷直流电机；
– 永磁混合式电机。
后三类统称为 永磁无刷电机,由于没有传统直流电机的电刷和换向器，
因此永磁无刷电机几乎可与感应电机竞争媲美。
永磁材料的性能钕 -铁 -硼 钐 -钴 铝镍钴 V 铁氧体剩余磁感应强度 Br (kG) 12.5 8.7 12.8 3.8
矫顽力 Hc (kOe) 10.5 8.0 0.6 3.0
最大磁能积 BHmax(MGOe) 36.0 18.3 5.5 3.5
回复磁导率?r 1.8 1.0 4.0 1.0
居里温度 (?C) 310 720 800 310
温度系数 (%/?C) –0.13 –0.04 –0.03 –0.19
钕 -铁 -硼 (Nd-Fe-B) 永磁材料自从 1983年被发现之后，由于它具有最高的剩磁和矫顽力，以及相对低的价格，使得它在永磁电机中具有很好的应用前景。 永磁材料的特性通常与温度有关，一般永磁体随温度的增加而失去剩磁，如果永磁体的温度超过居里温度，则其磁性为零。退磁特性曲线也随温度变化，在一定温度范围内，其变化是可逆的，且近似线性。因此，在设计永磁电机时，必须考虑电机运行过程中温度的变化范围。
2
4
6
8
10
12
0 2 4 6 8 10 12
矫顽力 (kO e )
磁通密度（kG）
铝镍钴合金钕铁硼稀土钐钴铁氧体
4.42 永磁直流电机用永磁体代替励磁线圈和磁极,传统的绕线式励磁直流电机就变成了 永磁直流电机 。使用永磁体可节省空间、减少励磁损失，因此 永磁直流电机的功率密度和效率较高，永磁体的磁导率低，因而可以减少永磁直流电机的电枢反应，使换向得以改善 。这些优点促进了它在电力驱动中的应用。
与绕线式励磁直流驱动电机类似，永磁直流驱动电机也采用 变压控制的直流斩波器输入 。二者的不同之处在于永磁直流驱动电机的励磁不能控制，而绕线励磁直流电机的励磁电流可用另外一种斩波器单独控 制，因此永磁电机不能得到类似于绕线直流电机的工作特性。
与绕线励磁直流电机一样,永磁直流驱动电机的缺点是存在换向器和电刷。换向器会产生转矩波动,同时电刷会带来摩擦和射频干扰 (RFI)，
而且换向器和电刷需要定期维护，因而它们在电力驱动中不再具有吸 引力。不过,由于这类电机控制简单，在 低功率 的电动汽车如电动自行车和电动三轮车中仍然有所应用。
4.43 永磁无刷电机永磁无刷电机是电力驱动感应电机的最有力的竞争对手。 它的优点如下：
– 由于电机由高能永磁材料励磁，对于给定的输出功率，
它的重量和体积能够大大减小，使得 功率密度 提高。
– 由于转子无绕组，无铜损，其 效率高于 感应电机。
– 电机发热主要集中在定子上,易于采取措施散热 。
– 永磁励磁不受制造缺陷、过热或机械损坏的限制，因而 可靠性 较高。
– 转子电磁时间常数小,动态性能好 。
A.系统结构用于电力驱动的永磁无刷电机的结构与感应电机相似，主要可选的结构有单电机和多电机驱动以及固定速比和可变速比变速器等。单电机驱动系统的结构主要由永磁无刷电机、电压型逆变器、
电子控制器、减速器和差速器组成。与感应驱动电机相比，其 基本结构 主要有两点不同：
– 永磁无刷电机 不仅仅局限于三相，实际上，更高相位的电机可减小相电流，降低功率元件的额定电流。
– 逆变器 除了能为正弦波永磁无刷电机产生 PWM 波，还要求能为方波永磁无刷电机产生方波。
B.永磁同步电机如果励磁绕组用永磁体代替，传统的同步电机就变成永磁同步电机。
正弦波定子电流和正弦反电动势相互作用产生转矩。
与绕线转子同步电机类似，永磁同步电机的转子与旋转磁场 同步旋转,
旋转磁场的转速 取决于电源频率 。与经典多相交流电机的同步电机和感应电机类似，永磁同步电机产生瞬时连续变化的转矩或称平稳转矩。
根据永磁体在转子上的安装位置不同,永磁同步电机可分为 表面式和内置式 。表面式同步电机的优点是结构简单，由于永磁体的磁导率接近空气，所以永磁同步电机有较大的有效气隙，电枢反应大大降低。与表面式同步电机相比，内置式永磁电机有较高的 磁显性,可产生额外的磁阻转矩分量，这在恒功率运行时是很有用的，将永磁体嵌入转子，
可保持高速运行时的机械完整性。
永磁同步电机控制策略与感应电机相似。
N S
N
N
N
S
S
S
D 轴
Q 轴非磁性槽楔永磁体气槽非磁性轴自我调节效率优化控制的永磁同步驱动电机效率优化三相逆变器永磁同步电动机蓄电池频率指令
P W M 信号电压传感器直流电流传感器
f
)( fKV?
读取 I
dc
& V
dc
dcdc
IVP?
P 是否增加？
四步是否在同一个方向？
VV
VVVVVV 4
是否是否
C.永磁无刷直流电机如果交换永磁直流电机的定子和转子,就变成了 永磁无刷直流电机 。 这类电机的显著优点是无刷，消除了电刷带来的许多问题；
而且方波电流和方波磁场相互作用可产生大转矩。相解耦型永磁无刷直流电机与永磁同步电机相比，有更好的动态特性和弱磁控制能力。
多相多极相解耦的永磁无刷直流电机五相 22极相解耦永磁无刷直流驱动电机如图所示。电机有 20个定子槽，一个线圈的两边分别放在相临的定子槽
1和槽 2里，同相的另一个线圈放在槽 11和槽 12里，这两个线圈串联在一起。其它绕组按同样方法放置。转子由
22块永磁体组成，形成 22个磁极，相邻的磁极构成一对磁极，这表明相邻两个槽距是 11/10极距。每极每相的槽数是非整数排列，定子与转子在任何位置的电磁力是一样的，因此可消除永磁电机产生的齿槽效应引起的转矩波动。当 S极的槽内电流流向读者,N极的槽内电流背离读者时，如图所示，转子产生的转矩方向是逆时针的，
反之亦然。通过定子槽与转子磁极的配合,任何时刻都有四相绕组通电、一相绕组不通电 。
导通状态由转子位置传感器的反馈信号决定，传感器由安装在电机机座（端盖）的光电器件和安装在转子轴上的齿盘构成。反馈信号有两个作用：通过判断转子位置来决定每相绕组的通电状态；为控制器提供转速信号。
由换向逻辑决定电机的旋转方向，换向频率要与电机转速匹配。通过调节电源电压很容易实现这类电机的速度控制。
由于相解耦，每相与传统直流电机一样可以独立控制，
因此用于直流电机的控制技术在这类电机中很容易实现，
如速度反馈和电流反馈闭环控制系统 。与感应电机的矢量控制比较，由于没有矢量变换，电机的控制更简单。
通过调节电源电压,很易实现电机恒转矩运行 。
S1 S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
S9
S 1 0
Vm
V m '
a
b
c
d
e
A
B
C
D
E
参考 控制器电流反馈位置和转速信号反馈
Sw
D,永磁混合式电机如果在永磁直流电机中加入 附加励磁绕组,就可以加宽转速范围。关键是控制励磁电流，在高速恒功率区运行时，对永磁体产生的气隙磁场进行弱磁控制。由于既有永磁体又用励磁绕组，所以叫 永磁混合式电机 。永磁混合式电机一般采用串联和并联结构。由于永磁体磁导率低，串联结构通常要求感应电动势比较高，所以没有并联结构受人们青睐。这类电机的缺点是 结构相对较复杂 。
图所示的是人们为电动汽车驱动新开发的一种 永磁混合式驱动电机 。
它独特的结构由爪型转子、固定励磁绕组和定子组成。 永磁体嵌入转子之中，励磁绕组放在内转子和外转子之间的环行固定区域里。
外壳 定子铁心定子
N 极轴轴承后支架轴承静止的励磁绕组
S 极转子励磁绕组支架
4.5 开关磁阻电机一般 开关磁阻驱动电机 由开关磁阻电机、功率变换器、传感器和控制器 四部分组成，其中开关磁阻电机起关键作用，它能将电能转变成机械能。图显示了三种开关磁阻电机的基本结构，它们是根据不同的定子和转子磁极数来区分的。
功率转化器控制器 传感器开关磁阻电机位置电流参考速度工作原理图示是四相 8/6-极开关磁阻驱动电机,图中只画出了其中一相绕组的情况。 由于定子和转子极是凸极结构，
所以每相绕组的电感 L随转子位置的变化而变化，如图所示。 开关磁阻电机的工作原理遵循磁阻最小的原则,如图所示，当 B相绕组受到激励时，为减小磁路的磁阻，转子顺时针旋转，直到转子极 2与定子极 B相对，此时磁路的磁阻最小 (电感最大 )。然后，切断绕组 B的激励，
给绕组 A施加激励，磁阻转矩使转子极 1与定子极 A相对。转矩方向一般指向最近的一对磁极相对的位置。
因此，根据转子位置传感器的反馈信号，相绕组按 B-A-D-C的顺序导通，使转子沿顺时针方向连续旋转。
1
S
2
S
A
B
C
D
A'
B'
C'
D'
1
2
3
1'
2'
3'
磁极相对 磁极错开
m a x
L
m i n
L
1
2
3
转矩
0
0
转子的角位置转子的角开关磁阻电机的两个特点转矩的方向不受相电流方向的影响，
当电感增加时，产生电机转矩； 相反，产生负转矩即制动转矩。所以，每相只在半极距内产生正转矩，因此易产生转矩波动，
通过增加电机相数可减小转矩波动。
开关磁阻电机有两个基本工作方式开关磁阻电机有两个基本工作方式如图所示。
当转速低于基速时,对电流进行斩波限幅，称为 电流斩波控制 (CCC)。
在 CCC方式,触发角和关断角不变，
触发角仅由速度反馈决定。通过改变电流限制可控制转矩，因此用
CCC 可得到恒转矩特性。
在高速区工作，峰值电流受相绕组的感应电动势所限制。它的特性可以通过调节不同转子位置所对应的开关相位来控制，称为 角位置控制
(APC)。在 APC方式,可获得恒功率工作特性。在临界转速达到它们的极限值。
随后,开关磁阻电机不再保持恒功率的工作特性，而进入串励特性区。
L
on
o f f
1
2
0
i
L
on
o f f
1? 2?
i
0
CCC 模式 APC 模式
0
b
sc
c o n s t,?T
c o n s t,T,c o n s t
2
T
转矩转速串励直流A P CCCC
开关磁阻电机的控制开关磁阻驱动电机的控制要求独特，因此感应电机和同步电机的控制 方法不再适用。我们知道传统的控制方法如 PID控制不适用于电动汽车，所以人们为电动汽车驱动的开关磁阻电机新开发了一种 模糊滑模控制 (FSMC)方法,这种方法综合利用了模糊逻辑控制 (FLC) 和滑模控制 (SMC)。
由于 FLC 控制在不使用控制系统数学模型的条件下，能够将语言控制策略转换为自动控制，所以可用来处理复杂、不能精确定义的系统。
但由于模糊控制规则是靠经验决定的，它的隶属函数的选择主要靠试 错法，因此 FLC 设计费时，而且受控系统的动态响应也不能事先确定。
应用 SMC方法，控制系统对于外来干扰和参数变化具有很强的鲁棒性。
因此，可以通过预定状态轨迹的理想滑模面来支配受控系统的动态特性。但由于系统的各种非理想性如开关磁滞性、控制系统和数字采样 的延时等的存在,状态轨迹通常沿非理想滑模面振颤，这种不期望的振颤在控制系统产生 高频非模型控制的动态特性 。
FSM方法 结合 了 FLC 和 SMC 的优点，即用 SMC 克服开关电机的非线性，而用 FLC 减少控制振颤。
电动汽车开关磁阻电机的速度控制系统电动汽车开关磁阻电机的速度控制系统如图所示，它由两个闭环组成，一个是内部的电流环，另一个是外部的速度环。 FSMC的 输入 是参考速度与反馈速度之差，而 输出 是参考转矩。它的参考电流用开关磁阻电机的非线性转矩 -
角特性表示。
F S M C
转速控制
*
T
*
i
S M C 电流控制
CCC
A P C
功率转换器
S R M
电子换向器编码器
dt
d?
i
i
*
),( iT?
