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电机驱动系统关键技术

时间:2022-11-08 百科知识 版权反馈
【摘要】:对于交流电动机的矢量控制是根据直流电动机的模型进行控制的,因而沿用了直流电动机的概念。能量回收技术也称为再生制动或回馈制动,是新能源汽车在制动或减速运行工况时把车轮的动能转换为电能,并反馈给动力蓄电池的一种制动方式。能量回收技术是新能源汽车所独有的,在减速或制动时将车辆行驶的部分动能以电能的形式存储起来实现节能,采用能量回收技术后能够节省 10%~20%的能量,可以有效延长新能源汽车的续驶里程。

1. 弱磁控制技术

弱磁控制最初应用于直流电动机调速系统中,直流电动机在满磁及额定速度下可以输出最大转矩,此时若要输出更高的转速则需要减小励磁,但同时要以减小转矩为代价,一般直流调速器用到的多。

弱磁的概念也来自于直流传动控制,在直流电动机转速计算公式中速度与磁场的强度成反比。一般电动机的控制在其达到额定转速之前是按照恒转矩方式进行控制的,电机速度与电枢电压成正比,而达到了额定转速后则按照恒功率方式进行控制,电枢电压保持恒定,电机转速与磁场强度成反比。

对于交流电动机的矢量控制是根据直流电动机的模型进行控制的,因而沿用了直流电动机的概念。对于交流电动机的调速控制,当电机的转速达到额定转速时,相应的电压、电流等参数都达到额定值;当电机需要超过额定转速运行时,不可能再通过升压等方式提高转速,而需要进行弱磁控制;当交流电动机的电压为额定电压,频率超过额定频率时,就进入了弱磁控制调速区。

就具体的控制方式而言,在电流闭环条件下,当电机采用弱磁控制时,输出功率不变,但转矩降低,这是因为电流受控制系统限制不再增加,磁通减小而导致的;在转矩闭环条件下,当电机采用弱磁控制时,若要保持转矩不降低,则输出电流要相应的增加以弥补磁通减小的损失。此时电机处于过载状态,输出功率相应的增大。

2. 能量回收技术

能量回收技术也称为再生制动或回馈制动,是新能源汽车在制动或减速运行工况时把车轮的动能转换为电能,并反馈给动力蓄电池的一种制动方式。此工况下,驱动电机运行在发电状态。

能量回收技术是新能源汽车所独有的,在减速或制动时将车辆行驶的部分动能以电能的形式存储起来实现节能,采用能量回收技术后能够节省 10%~20%的能量,可以有效延长新能源汽车的续驶里程。

驱动电机减速或制动都是通过逐渐减小驱动电机运行频率实现的,在频率减小的同时,电动机的同步转速会随之下降,而由于机械惯性的原因,电动机的转子转速并未降低,或是转子转速的变化有一定的时间滞后,这时就会出现实际转速大于给定转速,从而出现电动机反电动势高于其输入电压的情况,此时驱动电机就变成发电机,不但不消耗电能,反而可以通过电机控制器向动力蓄电池反馈电能。这样既可以获得良好的制动效果,又可以将动能转换为电能。

但是在能量回收的过程中,车辆的动能不可能全部转换为电能输送给动力蓄电池,损失的能量包括空气阻力、车轮滚动阻力、系统损耗、驱动电机损耗等。制动回收的电能是不确定的因素,不能作为可靠稳定的能量来源来计算车辆的动力性能,一般能量回收技术作为节约能源和延长续驶里程的辅助手段。

3. 无位置传感器控制技术

对于驱动电机控制系统,位置传感器本身存在以下缺点:

① 增加了电动机的体积和成本。

② 增加了转轴的惯量,影响系统的动态及静态性能。

③ 系统连线倍增,降低系统的抗干扰能力。

④ 在某些高温、振动或腐蚀性环境中,位置传感器会降低系统可靠性

目前主要的无传感器位置检测方法有反电动势过零点检测法、反电动势三次谐波积分检测法、续流二极管检测法、反电动势积分法、磁链估计法、扩展卡尔曼滤波法、电感测量法、电流法、涡流效应检测法、智能控制检测法等。

(1)反电动势过零点检测法

反电动势过零点检测法是目前技术最成熟、实现最简单、应用最广泛的转子位置检测方法。这种方法应用于三相六拍、绕组星型接法、120°两两通电方式的直流无刷电动机。其原理为:在直流无刷电动机稳态运行时,忽略电动机电枢反应的前提下,通过检测关断相反电动势的过零点来获得永磁转子的关键位置信息,从而可以控制绕组电流的换相,实现电动机的运行。这种方法用三相低通滤波器和电压比较器所组成的电子电路取代传统的位置传感器,实现了转子位置信号的获得。目前应用最广泛的就是这种方法,尤其在家电领域。20世纪80年代,日本首次在空调中实现了无刷直流电动机(压缩机)的无传感器控制,取得了良好的效果。

这种方法的缺点是静止或低速时反电动势信号为零或很小,难以得到有效的转子位置信号,系统低速性能较差,需要采用开环控制方式进行起动,此外为消除PWM调制引起的高频干扰,对反电动势信号进行深度滤波会造成与速度有关的相移,为保证正确的电流换向,需要对此进行补偿。反电动势过零点检测法的前提是忽略电枢反应,这会与实际运行有一定的误差。

(2)反电动势三次谐波积分检测法

这种方法适用于120°导通、绕组星形接法的无刷直流电动机的控制系统,由于梯形波的反电动势必然包含有三次谐波分量,对此分量进行积分,当积分值为零时即可获得相应的转子位置信息。其实现方法是在三相星形绕组上并联一个星形电阻网络,通过电阻网络中性点与直流侧中点之间的电压获得三次谐波,省去了电动机绕组与电阻网络两中点之间的连线。相比而言,采用反电动势过零点检测法的调速范围为1 000~6 000 r/min,而反电动势三次谐波积分检测法可以获得更宽的调速范围(100~6 000 r/min),这种方法同样需要采用开环起动方式,但性能比反电动势过点零点检测法更优越。

与反电动势过零点检测法相比,反电动势三次谐波积分检测法和电动机速度、负载情况无关,受逆变器引起的干扰影响小,对滤波器要求低,移相误差小,有更宽的调速范围,低速时三次谐波信号依然可以检测,所以起动和低速性能更好,在更宽的调速范围内该方法可以获得更大的单位电流出力和更高的电机效率。

(3)续流二极管检测法

续流二极管检测法是通过检测反并联于逆变器功率开关管的续流二极管中非导通二极管的导通截止情况来判断转子的磁极位置。这种方法实际上是对反电动势过零点的检测,但能够改善无刷直流电动机的低速性能,获得更好的调速范围(45~2 300 r/min)。由于静止时无法检测转子位置,仍需要开环起动方式,但是较好的低速性能改善了低速运行特性。这种方法的缺点是检测电路使硬件电路更加复杂,并增加了控制难度。

(4)反电动势积分法

反电动势积分法是对非导通相绕组的反电动势积分从而获得转子位置,当关断相的反电动势过零点时开始对其绝对值积分,当积分值达到一个设定的阈值时停止积分,此时获得的转子位置,对应于转子绕组的环流时刻,改变阈值即可实现高速时为提高转矩而采取的换流相角度超前控制。因为低速时反电动势信息很弱,因此该方法同样需要采用开环起动方式。逆变电路功率开关管的开关噪声会影响这种检测方式的低速特性。

(5)磁链估计法

磁链估计法是利用测量定子电压和电流而估算出磁链,然后根据磁链与转子位置的关系估算出转子位置。该方法包含两个电流环结构,内环矫正磁链的估计值,外环调整位置的估算值。这种方法有较高的准确度,受被测量误差和电动机参数变化的影响较小,在从静止开始的宽调速范围内,该方法都能够准确的检测转子位置,可以应用于永磁同步电动机和无刷直流电动机的无位置传感器控制。

(6)扩展卡尔曼滤波法

扩展卡尔曼滤波法(EKF)常用于永磁同步电动机的无位置检测磁场定向控制中,但因其算法计算量大而限制了在实际中的应用。具有强大计算能力的数字处理器(DSP)解决了这个问题,DSP的快速计算能力实现了扩展卡尔曼滤波法的应用(共500条指令,13 μs的执行时间),保证了实时获得转子位置、转速和转矩信息,使系统的可靠性和运行性能大大提高。

(7)电感测量法

在内置式(IPM)无刷直流电动机中,电动机绕组电感和转子位置也有一定的对应关系,电感测量法就是通过检测内置式无刷直流电动机绕组电感的变化来判断出转子的位置。通过分析绕组星形接法的IPM无刷直流电动机,当两相绕组电感量相等的时刻对应于反电动势过零点,磁势绕组中性点电位为直流侧中点电压,在空调压缩机的实验中,其调速范围为500~7 500 r/min,尽管低速时反电动势很小,但中性点电位代表着转子位置信息,所以这种方法有良好的低速性能,但是需要对绕组电感进行实时测量,在具体的实现方式上难度较大。

(8)电流法

针对反电动势过零点检测法随速度改变而变化的相位差问题,进而提出了通过检测电动机定子相电流波形来判断转子位置的相电流检测电路,再与霍尔传感器进行对比,在 696~3 174 r/min范围内该电路都能作为位置检测电路,很好地实现转子位置检测功能。

(9)涡流效应检测法

在永磁转子表面粘贴部分非磁性导电材料,通过测量此材料中的涡流影响引起的开路相电压变化来判断出转子位置,保证无刷直流电动机在起动和低速时的可靠运行。因为该方法对电动机的结构有所改变,增加了电动机的设计加工难度,因此在实际应用中并不多。

(10)智能控制检测法

近年来,随着控制技术的不断发展,智能控制技术逐步从理论研究走向实践应用,利用模糊控制或神经网络控制策略建立电压、电流和转子位置的相互关系,基于检测到的电压和电流信号来估算转子位置,从而实现电动机无位置传感器控制的方法,就是一种典型的智能控制检测法。

新能源汽车辅助系统的空调压缩机、高压散热风扇、高压水泵一般都采用无位置传感器控制方法。

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