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[摘要]讨论电动汽车交流驱动系统的性能、特点，并简要分析异步电机的矢量控制方案和直接转矩控制方案，探讨永磁同步电机的特点及发展前景。
[关键词]电动汽车 矢量控制 直接转矩控制 永磁同步电机
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110131－01
一、引言
随着石油资源的日益减少和人们环保意识的提高，电动汽车的发展越来越受到人们的重视。在电池技术未能取得根本突破的情况下，续驶里程的不足已成为制约电动汽车发展的主要瓶颈。电机驱动控制系统是电动汽车三大关键技术之一，解决这一关键技术具有重要的意义。
二、电动汽车对驱动系统的要求
电动汽车通过电机控制器驱动电机，电机将电能转换为机械能来驱动汽车。电动汽车对驱动控制系统的基本要求如下：
1．足够大的起动转矩，以满足电动汽车快速启动、加速、爬坡、频繁启/停的要求，通常电机的过载系数应达3～4。
2．电机的调速范围大，一般在25%～100%最大转速范围内，近似有小转矩、恒功率的输出特性，满足电动汽车最高车速和公路巡航行驶工况的要求。
3．具有良好的效率特性，在较宽的转速/转矩范围内，获得最优的效率，提高一次充电后的持续行驶里程，一般要求在典型的驾驶循环区，获得 85%～93%的效率。
4．再生制动时的能量回收率高。
5．快速的转矩响应特性，在各种车速范围内能快速而柔和地控制驱动和制动转矩；在多电机系统中，要求电机可控性高、稳态精度和动态特性好。
三、交流驱动系统
（一）异步电机及其控制方案
以交流感应电动机为驱动电机构成的驱动系统称交流感应电动机驱动系统，通常简称为交流驱动系统。
就交流电动机与直流电动机相比，具有效率高、体积小、质量轻、免维护、坚实可靠、易冷却、寿命长等优点，但控制电动机的逆变器较复杂。
就交流驱动系统和直流驱动系统比较而言，交流电动机本身比直流电动机成本低，而逆变器比直流电动机控制系统成本高。然而，随着电力电子技术的不断发展，两个系统的成本差距将日益趋近。从目前来看，交流驱动系统总成本高于直流驱动系统的成本，但由于交流驱动系统效率高、质量轻，能更有效地实现再生制动等固有特点。
目前应用在异步电机上的处于主流地位的驱动方案主要有矢量控制方案和直接转矩控制方案 。
1．矢量控制
交流感应电动机的矢量变换控制，简称矢量控制是德国学者Blaschke等人于1971年首先提出的，矢量控制成功的解决了交流电动机电磁转矩的有效控制，像直流调速系统一样，实现了交流电动机的磁通和转矩分别度量控制，从而使交流电动机变频调速系统具备直流调速系统的全部优点。
交流感应电动机的矢量变换控制是以产生同样的旋转磁场为准则，建立三相交流绕组电流、两相交流绕组电流和在旋转坐标上的正交绕组直流电流之间的等效关系，从而可按直流电动机的控制规律来控制交流电动机。
2．直接转矩控制
直接转矩控制技术是继矢量控制之后又一高性能的交流变频调速技术，该技术摒弃了矢量控制中电流解耦的控制思想，去掉了PWM脉宽调制器和电流反馈环节，转而通过检测母线电压和定子电流，直接计算出电机的磁链和转矩，并利用两个滞环比较器，直接实现对定子磁链和转矩的解耦控制。
在静止的两相坐标系下（其直轴a轴在定子相A轴线上），异步电机的定子磁链和电磁转矩的计算式
基于直接转矩控制的异步电机调速系统原理如下。如图3-1-1所示首先给定转矩指令信号 和磁链幅值给定信号 。直流母线电压 和相电流被检测出来后经过静止3/2变换得到两相静止坐标系下的直轴分量和交轴分量即 、和 、。其定子磁链和电磁转矩分别由式（3-1-1）、式（3-1-3）得到，定子磁链的位置角则由式（3-1-5）得到。所得到的定子磁链和转矩的估计值与相应的给定值经滞环比较后，输出相应的逻辑信号连同定子磁链位置角一起输出给开关表以决定相应桥臂上的功率开关器件的开关状态。
电压开关状态选择是直接转矩控制的一个核心组成。一个典型的电压型逆变器总共有8种开关状态，如图3-1-2所示。
（二）同步电机及其驱动方案
在电动汽车上使用的同步电机是永磁同步电机（PM）。永磁同步电机的磁刚 有内装式和凸装式之分，前者比较流行。因内装式结构的电机具有较强的鲁棒性及可达到较高的运行转速，还因其有效气隙较小，表现出较强的电枢反应，因此可以控制电机在恒转矩及弱磁恒功率运行区达到高速运行，非常适合电动汽车的运行特点。永磁同步电机驱动控制系统比较复杂，因此为达到最佳控制效果，常常将两种或几种控制方案结合运用。
1．采用最大转矩控制和弱磁控制原理以实现电机的效率最佳化和宽范围的调速。该控制方案就是在低速区段内将由d-q轴决定的电流向量控制在其最大效率线上；在高速区段内，由于电压饱和现象出现，则把电流控制在非常接近电压饱和边界线上。为减少效率的损失和保证弱磁范围内转矩的最大化，该系统强调了转子位置检测器的精度。
2．集转矩控制和 PWM控制于一身的控制方案。转矩控制方案可以在整个运行范围内获得良好的转矩线性度，而 PWM 控制则可以对电池电压实现最有效的使用。
四、结束语
通过对电动汽车交流驱动系统的分析比较，可以看出异步电机结构坚固，体积小，质量轻，控制方法成熟可靠，在目前的情况下异步电机交流驱动系统事实上已使其成为电动汽车驱动系统方案的最佳选择。随着永磁材料性能的不断提高和价格的下降，永磁电机的适于拖动和牵引的性能正在被广大电动汽车厂商所重视，永磁电机交流驱动系统必将成为电动汽车驱动的主流。
参考文献：
[1]李华德，交流调速控制系统，北京，电子工业出版社，2002.
[2]黄立培，电动机控制，北京，清华大学出版社，2003.
[3]曹秉刚、张传伟，电动汽车技术进展和发展趋势西安交通大学学报，2004，38（1）：1-5.
[4]李夙，异步电动机直接转矩控制．北京：机械工业出版社，1996.
[5]陈清泉、孙逢春、祝嘉光编著，现代电动汽车技术．北京：北京理工大学出版社，2002.
作者简介：
代晓鸥，女，辽宁工程技术大学电气与控制工程学院硕士研究生，电力电子与电力传动专业。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
[关键词]电动汽车 矢量控制 直接转矩控制 永磁同步电机
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110131－01
一、引言
随着石油资源的日益减少和人们环保意识的提高，电动汽车的发展越来越受到人们的重视。在电池技术未能取得根本突破的情况下，续驶里程的不足已成为制约电动汽车发展的主要瓶颈。电机驱动控制系统是电动汽车三大关键技术之一，解决这一关键技术具有重要的意义。
二、电动汽车对驱动系统的要求
电动汽车通过电机控制器驱动电机，电机将电能转换为机械能来驱动汽车。电动汽车对驱动控制系统的基本要求如下：
1．足够大的起动转矩，以满足电动汽车快速启动、加速、爬坡、频繁启/停的要求，通常电机的过载系数应达3～4。
2．电机的调速范围大，一般在25%～100%最大转速范围内，近似有小转矩、恒功率的输出特性，满足电动汽车最高车速和公路巡航行驶工况的要求。
3．具有良好的效率特性，在较宽的转速/转矩范围内，获得最优的效率，提高一次充电后的持续行驶里程，一般要求在典型的驾驶循环区，获得 85%～93%的效率。
4．再生制动时的能量回收率高。
5．快速的转矩响应特性，在各种车速范围内能快速而柔和地控制驱动和制动转矩；在多电机系统中，要求电机可控性高、稳态精度和动态特性好。
三、交流驱动系统
（一）异步电机及其控制方案
以交流感应电动机为驱动电机构成的驱动系统称交流感应电动机驱动系统，通常简称为交流驱动系统。
就交流电动机与直流电动机相比，具有效率高、体积小、质量轻、免维护、坚实可靠、易冷却、寿命长等优点，但控制电动机的逆变器较复杂。
就交流驱动系统和直流驱动系统比较而言，交流电动机本身比直流电动机成本低，而逆变器比直流电动机控制系统成本高。然而，随着电力电子技术的不断发展，两个系统的成本差距将日益趋近。从目前来看，交流驱动系统总成本高于直流驱动系统的成本，但由于交流驱动系统效率高、质量轻，能更有效地实现再生制动等固有特点。
目前应用在异步电机上的处于主流地位的驱动方案主要有矢量控制方案和直接转矩控制方案 。
1．矢量控制
交流感应电动机的矢量变换控制，简称矢量控制是德国学者Blaschke等人于1971年首先提出的，矢量控制成功的解决了交流电动机电磁转矩的有效控制，像直流调速系统一样，实现了交流电动机的磁通和转矩分别度量控制，从而使交流电动机变频调速系统具备直流调速系统的全部优点。
交流感应电动机的矢量变换控制是以产生同样的旋转磁场为准则，建立三相交流绕组电流、两相交流绕组电流和在旋转坐标上的正交绕组直流电流之间的等效关系，从而可按直流电动机的控制规律来控制交流电动机。
2．直接转矩控制
直接转矩控制技术是继矢量控制之后又一高性能的交流变频调速技术，该技术摒弃了矢量控制中电流解耦的控制思想，去掉了PWM脉宽调制器和电流反馈环节，转而通过检测母线电压和定子电流，直接计算出电机的磁链和转矩，并利用两个滞环比较器，直接实现对定子磁链和转矩的解耦控制。
在静止的两相坐标系下（其直轴a轴在定子相A轴线上），异步电机的定子磁链和电磁转矩的计算式
基于直接转矩控制的异步电机调速系统原理如下。如图3-1-1所示首先给定转矩指令信号 和磁链幅值给定信号 。直流母线电压 和相电流被检测出来后经过静止3/2变换得到两相静止坐标系下的直轴分量和交轴分量即 、和 、。其定子磁链和电磁转矩分别由式（3-1-1）、式（3-1-3）得到，定子磁链的位置角则由式（3-1-5）得到。所得到的定子磁链和转矩的估计值与相应的给定值经滞环比较后，输出相应的逻辑信号连同定子磁链位置角一起输出给开关表以决定相应桥臂上的功率开关器件的开关状态。
电压开关状态选择是直接转矩控制的一个核心组成。一个典型的电压型逆变器总共有8种开关状态，如图3-1-2所示。
（二）同步电机及其驱动方案
在电动汽车上使用的同步电机是永磁同步电机（PM）。永磁同步电机的磁刚 有内装式和凸装式之分，前者比较流行。因内装式结构的电机具有较强的鲁棒性及可达到较高的运行转速，还因其有效气隙较小，表现出较强的电枢反应，因此可以控制电机在恒转矩及弱磁恒功率运行区达到高速运行，非常适合电动汽车的运行特点。永磁同步电机驱动控制系统比较复杂，因此为达到最佳控制效果，常常将两种或几种控制方案结合运用。
1．采用最大转矩控制和弱磁控制原理以实现电机的效率最佳化和宽范围的调速。该控制方案就是在低速区段内将由d-q轴决定的电流向量控制在其最大效率线上；在高速区段内，由于电压饱和现象出现，则把电流控制在非常接近电压饱和边界线上。为减少效率的损失和保证弱磁范围内转矩的最大化，该系统强调了转子位置检测器的精度。
2．集转矩控制和 PWM控制于一身的控制方案。转矩控制方案可以在整个运行范围内获得良好的转矩线性度，而 PWM 控制则可以对电池电压实现最有效的使用。
四、结束语
通过对电动汽车交流驱动系统的分析比较，可以看出异步电机结构坚固，体积小，质量轻，控制方法成熟可靠，在目前的情况下异步电机交流驱动系统事实上已使其成为电动汽车驱动系统方案的最佳选择。随着永磁材料性能的不断提高和价格的下降，永磁电机的适于拖动和牵引的性能正在被广大电动汽车厂商所重视，永磁电机交流驱动系统必将成为电动汽车驱动的主流。
参考文献：
[1]李华德，交流调速控制系统，北京，电子工业出版社，2002.
[2]黄立培，电动机控制，北京，清华大学出版社，2003.
[3]曹秉刚、张传伟，电动汽车技术进展和发展趋势西安交通大学学报，2004，38（1）：1-5.
[4]李夙，异步电动机直接转矩控制．北京：机械工业出版社，1996.
[5]陈清泉、孙逢春、祝嘉光编著，现代电动汽车技术．北京：北京理工大学出版社，2002.
作者简介：
代晓鸥，女，辽宁工程技术大学电气与控制工程学院硕士研究生，电力电子与电力传动专业。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”