5.5電動機控制系統(tǒng)
    在混合動力汽車上對電動機控制系統(tǒng)的終極目的是：保證車輛的安全、節(jié)能、環(huán)保以及舒適和通信等方面，對混合動力汽車的動力系統(tǒng)、車身、底盤和車載電子、電氣設(shè)備進行全方位的自動控制。因此對混合動力汽車智能化控制與智能汽車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本相同。車身、底盤、電子、電氣設(shè)備絕大部分可以與智能汽車通用，但混合動力汽車的特點，就在于動力系統(tǒng)與內(nèi)燃機汽車動力系統(tǒng)有本質(zhì)的區(qū)別。在混合動力汽車上是采用電源一電源轉(zhuǎn)換器一驅(qū)動電動機的動力系統(tǒng)，是屬于電力驅(qū)動技術(shù)范疇，因此，對混合動力汽車驅(qū)動電動機的控制和智能控制的研究，是混合動力汽車的關(guān)鍵技術(shù)。
    電動汽車的電動機有多種控制模式。傳統(tǒng)的線性控制，如PID，不能滿足高性能電動機驅(qū)動的苛刻要求。傳統(tǒng)的變頻變壓（VVVF）控制技術(shù)，不能使電動機滿足所要求的驅(qū)動性能。異步電動機多采用矢量控制（FOC），是較好的控制方法。近幾年，許多先進的控制策略。包括自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等適用于電動機驅(qū)動。
    自適應(yīng)控制包括自調(diào)節(jié)控制（STC）和模型參考自適應(yīng)控制（MRAC）。運用STC，控制器的參數(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的變化進行自動調(diào)整。關(guān)鍵是用一個識別模塊來跟蹤系統(tǒng)參數(shù)的變化，通過控制器的自調(diào)整模塊更新控制器的參數(shù)，以獲得理想的閉環(huán)控制性能。運用MRAC、輸出模型的響應(yīng)跟蹤參考模型的響應(yīng)，基于利用參考模型和系統(tǒng)輸出差別的自適應(yīng)算法，控制器的參數(shù)不斷加以調(diào)整，從而得到理想的閉環(huán)控制性能。現(xiàn)在，MRAC和STC都用于電動汽車無換向電動機驅(qū)動系統(tǒng)中。
    變結(jié)構(gòu)控制（VSC）已應(yīng)用到電動機驅(qū)動中，與自適應(yīng)控制進行競爭。運用VSC，系統(tǒng)提供不敏感的參數(shù)特性，規(guī)定誤差動態(tài)并簡化所執(zhí)行的操作。根據(jù)開關(guān)控制理論，系統(tǒng)必須按預(yù)定的軌道在相應(yīng)平面內(nèi)運行，而不管系統(tǒng)參數(shù)如何變化。
    模糊邏輯（FUZZY）和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Neural Networks）等技術(shù)也被引入電動機控制領(lǐng)域。模糊控制是一種語言過程，它基于人類使用的先前經(jīng)驗和試探法則。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制（NNC）、控制器有可能解釋系統(tǒng)的動態(tài)行為，然后自學(xué)并進行自我調(diào)整。這種控制策略能結(jié)合其他控制策略形成新的控制模式，如自適應(yīng)模糊控制，模糊NNC和模糊VSC等。不久的將來，利用人工智能（AI）的控制器不需人的干預(yù)就能進行系統(tǒng)診斷和錯誤修正。
    各種大功率電子器件，如MOSFET、IGBT、COMFET、MCT和STT等的使用，還有微機處理器DSP等硬件的應(yīng)用，為電動汽車的電動機控制方法和智能控制提供重要保證。
    1．混合動力汽車電動機的控制系統(tǒng)
    動力電池組、電流轉(zhuǎn)換器（逆變器）、發(fā)動機一發(fā)電機組和驅(qū)動電動機以及一些電氣線路共同組成了混合動力汽車動力系統(tǒng)和驅(qū)動力控制系統(tǒng)，因此混合動力汽車的關(guān)鍵是對動力電池組、發(fā)動機一發(fā)電機組、驅(qū)動電動機進行控制或智能控制。
    2．混合動力汽車電動機的控制系統(tǒng)的組成
    混合動力汽車上驅(qū)動電動機的控制系統(tǒng)基本由以下四部分組成。
    （1）信號輸入。駕駛員對加速踏板的位移量以及由電動機反饋的信號和監(jiān)測裝置反饋的信號等是混合動力汽車的主要輸入信號，該信號一般轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過接口輸入計算機中。
    （2）信號處理和輸出。車載計算機為核心的中央控制器作為信號處理和指令輸出的核心，在中央控制器中裝有測量元件、乘法器、比較元件、邏輯控制單元、數(shù)據(jù)庫和各種傳感器等電子器件，對輸入控制信號的輸入量進行快速、精確的運算，并產(chǎn)生相應(yīng)的偏差信號，將運算得出的微弱偏差信號，經(jīng)過放大元件進行放大或變換，使輸出指令的偏差信號足夠大，然后通過接口輸送到各個控制模塊中去。
    （3）執(zhí)行元件。控制模塊和各種執(zhí)行機構(gòu)是控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，根據(jù)放大元件所放大或變換的偏差信號，控制模塊和各種執(zhí)行機構(gòu)對被控制對象發(fā)出的控制指令，使被控制對象按照規(guī)定的指令（參數(shù)）運行。
    （4）信息反饋。電動機運轉(zhuǎn)監(jiān)測裝置上的傳感器，對電動機的運轉(zhuǎn)進行監(jiān)測，并將電動機運轉(zhuǎn)中的機械量和電量的變化及時反饋到中央控制器，中央控制器將反饋信息進行對比、運算后，對輸出的指令進行調(diào)整和修改，使被控制對象的運行參數(shù)與輸入信號的給定值趨向一致，并使被控制對象按照新的指令（參數(shù)）運行。
    3．變頻器
    1）變頻器的功能
    在混合動力汽車上，采用動力電池組的直流電作為電源，和采用三相交流電動機作為驅(qū)動電動機時，三相交流電動機不能直接使用直流電源，另外三相交流電動機具有非線性輸出特性，需要應(yīng)用變頻器中的功率半導(dǎo)體變換器件，來實現(xiàn)直流電源與三相交流電動機之間電流的傳輸和變換，并要求能夠?qū)崿F(xiàn)頻率調(diào)節(jié)，在所調(diào)節(jié)的頻率范圍內(nèi)保持功率的連續(xù)輸出，同時實現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)，能夠在恒定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)維持氣隙磁通恒定。將直流電變換為頻率和幅值可調(diào)且電壓可調(diào)的交流電來驅(qū)動三相交流電動機。
    用變頻器對三相交流電動機進行調(diào)速控制的控制系統(tǒng)的特點為：
    （1）實現(xiàn)了對三相交流電動機的調(diào)速控制，拓寬了交流電動機的轉(zhuǎn)速范圍，實現(xiàn)恒功率范圍內(nèi)的運轉(zhuǎn)，可以對交流電動機進行高速驅(qū)動。
    （2）可以實現(xiàn)大范圍內(nèi)的高效率連續(xù)調(diào)速控制。進行高頻率啟動和停止運轉(zhuǎn)，并進行電氣制動，快速控制交流電動機的正、反轉(zhuǎn)的切換。
    （3）所需要的電源容量較小，電源功率因數(shù)較大，可以用一臺變頻器對數(shù)臺交流電動機進行控制，組成高性能的控制系統(tǒng)等。
    2）變頻器基本結(jié)構(gòu)模型
    變頻器在混合動力汽車上應(yīng)用十分普遍，變頻器的基本功率電路有以下幾種。
    （1）交一直一交逆變器系統(tǒng)。在有220/380V交流電源處，一般采用交一直一交逆變器系統(tǒng)，基本功率電路如圖52所示。

    （2）交一交變頻器系統(tǒng)。在有220/380V交流電源處，還可以采用交一交變頻器系統(tǒng)，其基本功率電路如圖53所示。

    （3）直一交逆變器系統(tǒng)。在混合動力汽車有直流動力電池組電源時，還可以采用直一交逆變器系統(tǒng)，其基本功率電路如圖54所示。

    3）變頻器的種類
    隨著電氣設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，變頻器和逆變器都是采用現(xiàn)代電子控制技術(shù)或智能控制，使它們在多種電動機的控制上得到廣泛應(yīng)用，變頻器有多種結(jié)構(gòu)模型和多種應(yīng)用場合，可以用以下方法分類，使讀者對變頻器有一個較完整的了解。
    （1）按主要功率電路分為以下幾種。
    ①電壓型變頻器。電壓型變頻器又稱為電壓源逆變器，其主要功率電路結(jié)構(gòu)模型如圖55所示，最簡單的電壓型變頻器由可控整流器和電壓型逆變器組成，用晶閘管整流器調(diào)壓，逆變器調(diào)頻，電源電流經(jīng)過整流器整流為直流電，經(jīng)平滑大電容濾波，使得中間直流電源近似恒壓源和低阻抗，經(jīng)過逆變器輸出的交流電壓，具有電壓源性質(zhì)，不受負載性質(zhì)的影響，適合于多電動機的驅(qū)動，但調(diào)速動態(tài)響應(yīng)較慢，由于反饋能量傳送到中間直流電環(huán)節(jié)并聯(lián)的電容中，會導(dǎo)致直流電壓上升，為防止換流器件被損壞，需要在功率電路配置專門的放電電路。

    電壓型變頻器的三相逆變電路是由六個具有單向?qū)щ娦缘墓β拾雽?dǎo)體電子開關(guān)所組成，每個電子開關(guān)上反并聯(lián)一個續(xù)流二極管，六個電子開關(guān)每隔60“電角度觸發(fā)導(dǎo)通一次。
    ②電流型變頻器。電流型變頻器又稱為電流源逆變器，其結(jié)構(gòu)模型如圖56所示，最簡單的電流型變頻器由晶閘管整流器和電流逆變器組成，用晶閘管整流器調(diào)壓，逆變器調(diào)頻，電源電流經(jīng)過整流器整流為直流電，利用串聯(lián)在回路中的大容量電感起限流作用，使得中間直流電波平滑輸出，逆變器向負載輸出的交流電流為不受負載影響的矩形波，具有電流源性質(zhì)，電流型變頻器調(diào)速動態(tài)響應(yīng)快，可以實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)動并便于反饋制動。

    在電動機制動時，可以通過中間直流電環(huán)節(jié)的電壓反向的方式使整流電路變?yōu)槟孀冸娐罚瑢⒇撦d反饋的能量回饋給電源，而且在負載短路時比較容易處理，更適合于混合動力汽車應(yīng)用。
    電流型變頻器的三相逆變電路仍然是由六個具有單向?qū)щ娦缘墓β拾雽?dǎo)體電子開關(guān)所組成，但在每個電子開關(guān)上沒有反并聯(lián)續(xù)流二極管。
    （2）按開關(guān)方式分。一般變頻器按開關(guān)方式分類時，是指按變頻器中的逆變器開關(guān)方式分類，一般分為以下幾種。
    ①PAM （Pulse Amplitude Modulation）控制。PAM稱為脈沖振幅調(diào)制，是指在變頻器整流電路中對輸出電壓（電流）的幅值進行控制，以及在變頻器逆變電路中對輸出的頻率進行控制的控制方式，PAM控制時在逆變器換流器件的開關(guān)頻率（載波頻率）為變頻器的輸出頻率，是一種同步調(diào)速方式。
    PAM控制載波頻率比較低，在用PAM控制進行調(diào)速驅(qū)動時，電動機的運轉(zhuǎn)效率高，噪聲較低。但PAM控制必須對整流電路和逆變器電路同時進行控制，控制電路比較復(fù)雜，另外在電動機低速運轉(zhuǎn)時波比較大，其基本電路如圖57所示。

    ②PWM （Pulse Width Modulation）控制，PWM稱為脈沖寬度調(diào)制，是在變頻器的逆變電路中，同時對輸出電壓（電流）的幅值和頻率進行控制的控制方式。在PWM控制時，比較高的頻率對逆變電路的半導(dǎo)體開關(guān)元器件進行通斷控制，通過改變輸出脈沖的寬度來實現(xiàn)控制電壓（電流）的目的。PWM控制時變頻器輸出的頻率不等于逆變電路換流器件的開關(guān)頻率，屬于異步調(diào)速方式。
    PWM控制方式可以減少高次諧波帶來的各種不良影響，轉(zhuǎn)矩波動小，控制電路簡單，成本也較低。但當載波頻率不合適時，電動機在運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生較大的運轉(zhuǎn)噪聲，在系統(tǒng)中增加一個調(diào)整變頻器載波頻率的系統(tǒng)，即可降低電動機在運轉(zhuǎn)時的運轉(zhuǎn)噪聲。
    通常采用正弦波PWM的控制，通過改變PWM輸出的脈沖寬度，使電壓的平均值近似于正弦波，可以使異步電動機在進行調(diào)速運轉(zhuǎn)時能夠更加平穩(wěn)。電壓型PWM控制基本電路如圖58所示。

    ③高載頻PWM控制。高載頻PWM稱為高載脈沖寬度調(diào)制，是PWM控制方式的改進，在高載頻PWM控制方式中，將載頻的頻率提高到超過人耳可以分辨的頻率（10～20kHz）以上，從而降低電動機運轉(zhuǎn)噪聲，由于高載頻PWM要求逆變器的換流器件的開關(guān)速度很快，因此只能采用IGBT和MOSFET等有較大容量的半導(dǎo)體元器件，但變頻器的容量還是受到限制，高載頻PWM控制時變頻器輸出的頻率不等于逆變電路換流器件的開關(guān)頻率，是屬于異步調(diào)速方式，高載頻PWM控制適用于低噪聲型變頻器。
    （3）按工作原理分，變頻器按工作原理分類有以下幾種。
    ①V/f變頻器。V/ f（幅／頻比）變頻器在工作時對變頻器的電壓幅度和頻率同時進行控制，使V/ f保持一定，來獲得電動機所需要的轉(zhuǎn)矩。V/ f控制方式是一種比較簡單的控制方式，多用于對精度要求不太高的通用變頻器中，控制電路的成本也比較低。
    ②轉(zhuǎn)差率控制變頻器。轉(zhuǎn)差率控制變頻器是V/ f變頻器的改進，轉(zhuǎn)差率控制變頻器控制系統(tǒng)中，利用裝在電動機上的速度傳感器的速度閉環(huán)控制和變頻器電脈沖控制電動機的實際轉(zhuǎn)速。變頻器的輸出頻率則是由電動機的實際轉(zhuǎn)速與所需要轉(zhuǎn)差頻率而被自動設(shè)定的，從而達到在進行速度調(diào)控的同時控制電動機輸出轉(zhuǎn)矩的目的。這種變頻器的優(yōu)點是：在負載發(fā)生較大變化時，仍然可以保持較高的速度精度和較好的轉(zhuǎn)矩特性。
    ③矢量控制變頻器。矢量控制變頻器的原理是將交流電動機定子電流進行矢量變換，按矢量變換規(guī)律由三相變?yōu)閮上啵瑢㈧o止坐標轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標，把交流電動機定子電流矢量分為產(chǎn)生磁場的勵磁電流分量和與其相垂直的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量。在控制中同時對定子電流的幅值和相位進行控制，也就是對定子電流矢量的控制。
    矢量控制方式可以對交流電動機進行高性能的控制，采用矢量控制方式不僅使交流電動機的調(diào)速范圍可以達到直流電動機的水平，而且可以控制交流電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。矢量控制方式一般需要準確地掌握所控制的電動機的性能參數(shù)，因此需要變頻器與專用電動機配套使用，新型矢量控制方式具有自調(diào)整功能，自調(diào)整矢量控制方式可以在電動機正常運轉(zhuǎn)之前，自動對電動機的運轉(zhuǎn)參數(shù)進行識別，并根據(jù)識別情況調(diào)整和控制計算中的有關(guān)參數(shù)，使得自調(diào)整矢量控制方式能夠應(yīng)用到普通交流電動機上。
    （4）按用途分為以下幾種。
    ①通用變頻器。通用變頻器可以對普通交流電動機進行控制。分為簡易型通用變頻器和高性能通用變頻器兩種。簡易型通用變頻器，主要用于對調(diào)速性能要求不高的場合。高性能通用變頻器在控制系統(tǒng)硬件和軟件方面增加了相應(yīng)的功能，用戶可以根據(jù)電動機負載的特性選擇算法和對變頻器的參數(shù)進行設(shè)定，如圖59所示為通用變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，此類通用變頻器具有以下功能。

      ·對電動機具有全區(qū)域自動轉(zhuǎn)矩補償功能，防止失速功能和過轉(zhuǎn)矩限定運行等。
      ·對帶勵磁釋放型制動器電動機進行可靠的驅(qū)動和調(diào)速控制，并保證在帶勵磁釋放型制動器電動機的制動器能夠可靠釋放。
      ·減少機械振動和降低沖擊作用的功能。
      ·運轉(zhuǎn)狀態(tài)檢測顯示功能，根據(jù)設(shè)定機械運行的互鎖，使操作人員及時了解和控制變頻器的運行狀態(tài)，對機械進行保護等。
    ②高頻變頻器。在混合動力汽車上常采用高速電動機，用PAM控制方式控制的高速電動機用變頻器輸出的頻率可達到3kHz，可以在驅(qū)動交流電動機時，最高轉(zhuǎn)速可達到18000r/min。
    ③高性能專用變頻器。高性能專用變頻器基本上都采用了矢量控制方式，并與專用電動機配套使用，在調(diào)速性能和對轉(zhuǎn)矩的控制方面都超過了直流伺服系統(tǒng)，而且能夠滿足特定的電動機的需要，一般在混合動力汽車上都采用高性能專用變頻器進行控制。
高性能專用變頻器的主要功能如下。
．根據(jù)駕駛儀操縱裝置輸入的信號和各部分傳感器的反饋信號自動調(diào)節(jié)與控制電動機
  的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。
·在恒轉(zhuǎn)矩范圍和恒功率的大范圍內(nèi)對電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進行調(diào)節(jié)與控制。
．蓄電池過電壓或不足電壓的限制。
．制動能量的反饋回收。
．自動熱控制、保護系統(tǒng)和安全系統(tǒng)。
．在顯示屏上顯示蓄電池、動力系統(tǒng)和車輛的動態(tài)信號等。
（5）各種不同控制方式變頻器的特點。
各種控制方式變頻器的應(yīng)用范圍和基本特性對比見表7 。

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