現(xiàn)在全球面臨能源短缺、環(huán)境污染問(wèn)題，電動(dòng)汽車(chē)使用電力驅(qū)動(dòng)，有助于這些問(wèn)題的解決，發(fā)展前景廣闊。目前，有多種類(lèi)型電機(jī)，可用于電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)，文中比較、分析了不同類(lèi)型電機(jī)，介紹了其速度控制策略。

文獻(xiàn)[1]介紹比較了感應(yīng)電機(jī)與同步磁阻電機(jī)技術(shù)，提出同步磁阻電機(jī)技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)的結(jié)論；文獻(xiàn)[2]介紹了基于模糊控制方法，進(jìn)行無(wú)刷直流電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)速度控制的實(shí)現(xiàn)方案；文獻(xiàn)[3]介紹了永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的磁通弱化控制策略，可以更加高效、穩(wěn)定地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；文獻(xiàn)[4]對(duì)集成轉(zhuǎn)磁齒輪電機(jī)的控制進(jìn)行介紹，這是一種新型電機(jī)，可高效地控制往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；文獻(xiàn)[5]介紹了一種感應(yīng)電機(jī)速度控制的方案，并進(jìn)一步介紹了應(yīng)用這種電機(jī)的電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能比較[1]

電機(jī)在全球減少能源消耗中，發(fā)揮著重要作用，因?yàn)樗鼈兯牡碾娏?，約占世界電力使用總量的一半。降低電機(jī)的能量消耗，可以通過(guò)使用更高效的電機(jī)和通過(guò)變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而能夠根據(jù)負(fù)載變化，進(jìn)行電機(jī)的精確控制。

感應(yīng)電機(jī)已經(jīng)并且仍然是該行業(yè)中，占主導(dǎo)地位的電機(jī)技術(shù)，但市場(chǎng)上也有更有效的電機(jī)技術(shù)。在工業(yè)電機(jī)中，感應(yīng)電機(jī)兩種最重要的競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)，分別是永磁同步電機(jī)和同步磁阻電機(jī)。文中對(duì)感應(yīng)電機(jī)和同步磁阻電機(jī)，進(jìn)行了技術(shù)方面的比較。

表1 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)IES級(jí)別確定

當(dāng)前，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）將國(guó)際效率（IE）定為四個(gè)等級(jí)：IE1-標(biāo)準(zhǔn)效率、IE2-效率高、IE3-超高效、IE4-超級(jí)效率和IE5-當(dāng)前最高等級(jí)。證監(jiān)會(huì)規(guī)定（EC）新的感應(yīng)電機(jī)不得低于IE3能效水平。只有大中型感應(yīng)電機(jī)（大于30KW）才可能達(dá)到IE5水平，而低功率的同步磁阻電機(jī)也可達(dá)到IE5的效率水平。

同步磁阻電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)都具有起動(dòng)能力，但變頻器會(huì)影響著電機(jī)效率。當(dāng)前，對(duì)于變頻器驅(qū)動(dòng)的不同電機(jī)，性能比較還不夠深入。文中對(duì)這兩種類(lèi)型電機(jī)性能，進(jìn)行了比較研究（見(jiàn)文中表1）。得出了同步磁阻電機(jī)至少可在低至中等功率變速系統(tǒng)中，替代感應(yīng)電機(jī)，進(jìn)而可節(jié)約電能，降低能耗的結(jié)論。

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制策略

2.1 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)速度控制 [2]

基于電流波形，永磁無(wú)刷電機(jī)可分為無(wú)刷交流電機(jī)（BLAC）和無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）。與BLAC和異步電機(jī)等相比，BLDC有著高效率、高功率因數(shù)、無(wú)噪音、緊湊、可靠、低維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在電力牽引、飛機(jī)、軍事裝備、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備等行業(yè)得到了迅速的普及。模糊邏輯在機(jī)械控制中應(yīng)用廣泛，包括電機(jī)控制。

“模糊”一詞指的是所涉及的邏輯，可以處理不能僅僅表示為“真”或“假”的概念，而是“部分真實(shí)”。模糊邏輯是一種基于“真度”而不是通常的“真”或“假”（1或0）布爾邏輯的計(jì)算方法。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上，模糊邏輯可以被認(rèn)為是一種結(jié)合多值邏輯、概率論的數(shù)學(xué)理論。研究表明，模糊邏輯控制器（FLC）比經(jīng)典PID等控制器，有更強(qiáng)的魯棒性及更好的抗噪聲能力。

文中采用FLC對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的速度進(jìn)行控制（圖1），可以控制電動(dòng)汽車(chē)中的無(wú)刷直流電機(jī)，為其提供一種速度控制系統(tǒng)。采用模糊邏輯技術(shù)，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)在反電動(dòng)勢(shì)變化和固定條件下的速度進(jìn)行估計(jì)。最后，利用基于速度和轉(zhuǎn)子位置模糊估計(jì)的比例積分（PID）控制器來(lái)控制轉(zhuǎn)速。

為了檢驗(yàn)使用這種模糊邏輯和PID控制器結(jié)合的轉(zhuǎn)速控制方法，汽車(chē)的速度響應(yīng)和零穩(wěn)態(tài)誤差，文中利用MATLAB/SIMULINK軟件對(duì)諧振逆變器供電的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。

2.2 同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高效磁通弱化控制策略[3]

由于電池容量有限，汽車(chē)應(yīng)用中的電機(jī)通常采用降低體積和質(zhì)量的方法，來(lái)優(yōu)化能效。由于永磁材料的優(yōu)異性能、現(xiàn)代逆變器技術(shù)的進(jìn)步，以及復(fù)雜的控制算法的發(fā)展，永磁同步電機(jī)廣泛用于汽車(chē)領(lǐng)域。

圖1 電驅(qū)動(dòng)控制圖

理想情況下，在永磁同步電機(jī)中，永磁材料在氣隙產(chǎn)生磁通分布，會(huì)在定子繞組中產(chǎn)生正弦波形電壓。在保持逆變器電壓的弱磁區(qū)域中，已經(jīng)提出了各種控制算法，以獲得期望的轉(zhuǎn)矩-速度性能。通過(guò)控制最佳直流母線電壓、最大輸入電壓和額定轉(zhuǎn)矩，電機(jī)會(huì)達(dá)到一個(gè)基本速度。

當(dāng)超過(guò)這個(gè)速度時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將超過(guò)最大施加電壓，從而使電機(jī)的相電流不符合維持該速度的需求。為了克服這種情況，必須弱化氣隙磁通，進(jìn)而減小感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。相互氣隙磁鏈?zhǔn)寝D(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈的乘積，這種磁通弱化控制的過(guò)程類(lèi)似于在非永磁直流電機(jī)中進(jìn)行磁通弱化。

文中設(shè)計(jì)了一種控制電路和控制策略（圖2），可以弱化氣隙磁通。仿真表明，該方法在恒轉(zhuǎn)矩角區(qū)域，顯著地控制了永磁同步電機(jī)的氣隙磁通。為了在通量減弱期間實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的期望性能，減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，需要保持氣隙磁通做功功率恒定。將來(lái)，文中會(huì)進(jìn)一步在實(shí)車(chē)環(huán)境中，對(duì)這一控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。

圖2 PMSM 速度控制的系統(tǒng)控制圖

2.3 電機(jī)傳動(dòng)中集成轉(zhuǎn)磁齒輪電機(jī)的控制[4]

在各種各樣的應(yīng)用中，電機(jī)需要以相對(duì)低的速度和大扭矩驅(qū)動(dòng)負(fù)載進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。目前實(shí)現(xiàn)這種負(fù)載驅(qū)動(dòng)主要有兩種解決方案。一種是使用高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)，通過(guò)機(jī)械裝置將其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，但是中間階段一般會(huì)降低整體效率和可靠性，需要定期維護(hù)。

為了解決這些問(wèn)題，一個(gè)解決方案是使用一個(gè)線性電機(jī)，直接連接到負(fù)載的全電動(dòng)系統(tǒng)。第二種方案是集成轉(zhuǎn)磁齒輪集成電機(jī)（MITROMAG）。MITRO?MAG是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)和磁齒輪轉(zhuǎn)子裝置（TROMAG）通過(guò)機(jī)械連接進(jìn)行工作，可作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。TROMAG是一種磁裝置，通過(guò)磁場(chǎng)將其轉(zhuǎn)子的低扭矩、高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈退僦本€運(yùn)動(dòng)，反之亦然。在電動(dòng)運(yùn)行模式下，TROMAG轉(zhuǎn)子是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，因此其轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)往復(fù)荷載。

MITROMAG通過(guò)磁場(chǎng)，完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，與可提供同樣速度和力量的直驅(qū)永磁直線電機(jī)相比，MITROMAG重量更輕、結(jié)構(gòu)更加緊湊、成本更低。在機(jī)器人、航空航天、海浪波能量轉(zhuǎn)換和汽車(chē)懸架等方面，可發(fā)揮更大作用。

文中建立了TROMAG非線性動(dòng)態(tài)模型，可以進(jìn)行振蕩試驗(yàn)，用來(lái)預(yù)測(cè)設(shè)備的動(dòng)態(tài)行為。該模型首先用于預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子振蕩測(cè)試中的齒輪行為，并通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)，驗(yàn)證了模型結(jié)果的準(zhǔn)確性?；邶X輪的動(dòng)態(tài)模型，可進(jìn)一步用于研究TROMAG、旋轉(zhuǎn)電機(jī)和線性負(fù)載組成的傳動(dòng)系性能。

2.4 電動(dòng)汽車(chē)感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[5]

直流電機(jī)可用于驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，但直流電機(jī)結(jié)構(gòu)笨重，可靠性低、效率低、維護(hù)成本高。此外，無(wú)刷直流（BLDC）電動(dòng)機(jī)和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（IM）也可用于電動(dòng)汽車(chē)，但BLDC電機(jī)非常昂貴且機(jī)械強(qiáng)度低。另一方面，IM具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、維護(hù)工作量少、可靠性高、可在惡劣環(huán)境下運(yùn)行的特點(diǎn)，因此適用于工業(yè)應(yīng)用。

與直流電機(jī)相比，IM的速度控制非常復(fù)雜。IM的速度可以通過(guò)改變施加電壓的頻率來(lái)控制。變頻驅(qū)動(dòng)器（VFD）可以使用空間矢量脈寬調(diào)制（SVP?WM）和正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓頻率的控制。

文中提出了一種改進(jìn)的電動(dòng)汽車(chē)IM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（圖3），其電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制算法見(jiàn)圖4。使用VFD來(lái)驅(qū)動(dòng)使用電池組的三相感應(yīng)電機(jī)。采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)VFD。為了使系統(tǒng)更高效，使用再生制動(dòng)裝置回收制動(dòng)能量。另外，還使用太陽(yáng)能電池板，用于輔助供能。

圖3 電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

圖4 控制算法流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

同步磁阻電機(jī)在低至中等功率變速系統(tǒng)中，可以替代感應(yīng)電機(jī)，有節(jié)約電能效果。

本文介紹了FLC對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的速度進(jìn)行控制，介紹了同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高效磁通弱化控制策略和集成轉(zhuǎn)磁齒輪集成電機(jī)（MITROMAG）控制策略，最后總結(jié)了感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]Karkkainen H,Aarniovuori L,Niemela M,et al.Technology comparison of induction motor and synchronous reluctance motor[C]//IECON 2017-,Conference of the IEEEIndustri?al Electronics Society.IEEE,2017:2207-2212.

[2]MV Rajkumar,G Ranjhitha.Fuzzy based Speed Control of Brushless DCMotor fed Electric Vehicle[J].IJISSET,2017,3(3).

[3]Sain C,Padmanaban S,Banerjee A,et al.An efficient flux weakening control strategy of a speed controlled permanent magnet synchronous motor drive for light electric vehicle ap?plications[C]//Calcutta Conference.IEEE,2018.

[4]Pakdelian S,Moosavi M,Hussain H A,et al.Control of an Electric Machine Integrated With the Trans-Rotary Magnet?ic Gear in a Motor Drive Train[J].IEEE Transactions on In?dustry Applications,2017,53(1):106-114.

[5]Shafiq S,Aslam M A,Khalid M,et al.Implementation of electric drive system using induction motor for traction ap?plications[C]//International Conference on Clean Electrical Power.2017:673-677.