电机控制系统现状及未来趋势

1. 电机控制系统现状与不足

基于转子磁场定向的矢量控制技术是近 20 年来实际应用最为普遍的高性能交流调速系统，在交流驱动系统中的应用也是最成熟的，其动态性能好、调速范围宽，主要缺点是控制性能受电动机的参数变化影响。由于定子磁通定向只涉及定子电阻，所以对电动机参数的依赖大大减弱，尤其是不受转子参数变化的影响。直接转矩控制通过转矩偏差和定子磁通偏差来确定电压矢量，不需要像矢量控制那样进行复杂的坐标变换，控制系统及计算过程大大简化，为实现转矩的快速响应，直接转矩控制系统不采用传统的 PI 调节器，而用两点式（Bang-Bang）控制，但由此会产生转矩脉动，限制系统的调速范围，这是其缺点之一；直接转矩控制的另一缺点是低速性能差，这是由于系统未能摆脱电动机参数（主要是定子电阻）所带来的影响。电动机高速运行时，电压很大，定子电阻的影响可以忽略不计，但低速运行时，定子电压小，定子电阻的影响就不可忽略，且定子电阻随温度的变化而发生变化。各种定子电阻观测器是比较有效解决该问题的方法。另外，利用定子电压的三次谐波分量计算气隙磁通的直接转矩控制，完全摆脱了定子电阻的影响，从根本上解决了电动机参数影响的问题，具有较好的低速性能。因此，消除或减小转矩脉动，提高调速范围，加快动态响应，将是电动机控制系统的发展方向，也是直接转矩控制与适量控制相竞争的关键点。目前国内外的研究方向是将现有的直接转矩控制方式与适量控制相结合，取长补短，构成性能更加优越的控制系统。

采用常规的适量控制方式的交流感应电动机，在低负荷区效率低、功率因数低、不能较好地匹配电动汽车的驱动装置。提高驱动效率、实现节能、延长一次充电行程，对电动汽车而言是至关重要的。相应地，最大效率控制是一种具有发展前景的控制方式。新能源汽车驱动用感应电动机的最大效率控制技术的本质是在整个运行过程中，在每一个工作点上都使系统效率最大，这是与传统控制方式不同的。传统控制方式中被控变量不是效率的函数，致使效率只能在某一工作点或一个极小区域内效率最高。但是，因为弱磁调速时转矩响应慢，控制装置复杂，成本较高，实用性较低等缺点，最大效率控制技术还有待于发展和改进。

对于电动机的控制，目前采用经典控制方法。经典控制理论对于非线性、时变耦合系统有较好的控制效果。而驱动电机的复杂运行工况以及高精度、高智能的要求使得控制系统更加倾向使用智能控制算法，比如，一般的线性控制方式并不适用于开关磁阻电动机（SRM）控制系统，香港大学把模糊逻辑控制（FLC）和滑膜控制（SMC）相结合，提出了滑膜模糊控制（FSMC），这样综合了FLC和SMC的优点，实现了对SRM的控制。

2. 电动机控制系统的未来展望

随着微电子技术的发展，DSP电动机控制芯片日益成熟，通过软件实现驱动电机控制系统的全数字化，不仅可以提高系统性能、简化结构、降低成本，而且控制灵活、易于升级。目前基于CAN总线的全数字控制系统已经成为新能源汽车电控系统硬件组成的主要模式。

电动机控制技术包括执行机械技术、逆变与电动机驱动技术、运行信息及信号检测、电动机系统的集成。驱动控制系统是多门学科、理论和技术的有机融合和交叉，其他相关技术的发展和进步都将对驱动电机及其控制系统产生深远影响，从而引起设计理论、设计方法的优化和控制方式的革新，仅将电动机理论、电力电子技术、计算机技术和控制理论机械地组合在一起的研究方法已经无法满足高性能驱动系统的要求，因此应根据具体的车辆运行要求和现有技术水平对驱动电机及其控制系统进行专业化设计。

变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家系统、遗传算法等非线性智能控制技术，都将独自或相互结合应用于电动机控制系统中，这些技术或者不需要精确建模，或者善于处理非线性问题，智能控制技术的应用将使系统结构简单、响应迅速、鲁棒性好，大大提高电动机控制系统的综合性能。

新能源汽车驱动系统的主要参数包括转矩、转速、效率、外形尺寸、质量、可靠性以及成本等。另外，传动系统的适配性、安装要求以及额定电压等也影响到驱动系统的设计或选择，如驱动电机与机械传动装置优化组合、电动机与发动机一体集成为混合动力发动机总成、电动机与逆变器一体机成为混合动力变速器总成、驱动电机与动力电池逆变器的优化组合等，都成为驱动系统的发展趋势。

驱动电机控制系统无位置传感器，将使电动机结构更加紧凑，性能更加稳定，并且节约成本。未来的驱动电机及控制器将向无传感器方向发展。

整体而言，驱动电机控制系统将趋向小型化、轻量化、易于产业化、高容量、高效节能、响应迅速、调速性能好、可靠性高、成本低、免维护。驱动系统性能的改进与提升，对新能源汽车的推广有深远的影响和积极的促进作用。