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了解电动汽车的电动机控制

2020-03-29 17:14 次阅读

一位哲人曾经说过:知识如果不系统,那和段子有什么区别?

电动汽车现在如火如荼,我们都知道电动机性能彪悍。但电动机到底是怎么控制的呢?可能很多朋友并不了解,我写这篇文章就带你从古到今了解电动机的控制方式,让大家了解电动机控制的思路和办法,为了方便大家理解,我尽量不引入任何公式。

既然是从古到今,那么大家就不能着急,因为在人类刚刚使用电动机作为动力的时候,的确是有很多看似愚蠢但是没有办法的事情。

一说到电动机,大家肯定都知道直流电动机和交流电动机,所以,文章也要分成两个大部分,一个是直流电动机的控制,另外一个是交流电动机的控制。

直流电动机

直流电动机的原理大家都知道,不过是通电导体在磁场中受力,为了让导体转起来,需要不断的改变电流方向,因为如果不改变电流方向,导体只能转半圈,所以,对于直流电动机来讲,换向器是极为重要的。

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直流电动机原理

成也换向器,败也换向器。

因为有换向器,在结构确定的情况下,直流电动机转子的受力就是由电流和磁场强度决定的。磁场强度与励磁有关,励磁可以单独控制,所以直流电动机的转矩就直接与电流相关了。

电动机控制控的是什么?转多快和有多大劲。

转多快是怎么来的?就是有多大劲!所以归根结底是电动机有多大劲,也就是转矩。

所以,调速调的是啥?转矩。

OK了,直流电动机转矩直接与励磁和电流相关,我们都知道欧姆定律,电流与电压和电阻相关,所以对于直流电动机而言,调节电压、串接电阻、改变励磁都可以调速,且转矩和电压电流励磁都是线性关系。

所以,直流电动机的调速太简单了。

这几种调速方式都可以让直流电动机转矩发生变化从而转速发生变化,但是也各有特色。

调节电压的方式最为简单,调速范围也大,用的最多,但是需要有调节直流电压的装置。调节励磁也可以平滑调速,但是范围不大,一般配合调压调速进行小范围的弱磁升速。串接电阻呢,一般就是加入和切除电阻,调速范围也不小,但是一般是有级的调速。

综上,直流电动机调速,以调节电压最为方便。

前面说过,调节电压需要有改变直流电压的设备,但是我们都知道,交流电可以直接用变压器,直流点调压可没有那么简单。

于是,20世纪60年代以前,有一种调速方式应用广泛,那就是用发电机组给直流电动机供电,也就是用交流电动机带动直流发电机发电,然后让发出来的直流点再去带动直流电动机,再有一台发电机用于给直流电动机励磁,你没看错,为了让一台直流电动机正常拖动负载,需要至少两台与之容量相当的电机驱动和发电,还要一台用于励磁,设备多,体积大,成本高,效率低,这就是所谓的G-M系统。你还别觉得搞笑,20世纪60年代以前,这种系统真的广泛使用。

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这就是晶闸管

1957年,晶闸管问世,到20世纪60年代,成套的晶闸管整流装置也很快面世,这货可以把交流电整成直流电。终于,晶闸管取代了G-M系统,使电动机的控制进入了新的时期,也就是晶闸管-电动机调速系统,简称V-M系统。V-M系统通过控制晶闸管的开通时机来获得不同电压的直流电,直接驱动直流电动机,看上去很美,但是晶闸管这东西,其实就是巨大的二极管,只有单向导电,不能反着流,但是电动机有时候在制动的时候需要发电回馈能量啊,完了,这事V-M系统必须增加另一套变流装置回馈能量,变流装置直接增加一倍;除此之外,早期晶闸管对过电压、过电流和电压电流的尖峰都十分敏感,一不小心就烧坏;另外,频繁打开晶闸管会导致电力系统谐波和无功功率,特别是在电动机低速运行时候,系统谐波电流很大,无功功率很高,从而污染电网。

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PWM原理

随着电力电子技术和器件的发展,PWM技术成熟了,PWM其实就是通过高速的开关来实现直流的调压,一个周期内,开的时间长,平均电压就高,关的时间长,平均电压就低,调起来很方便,只要开关速度够快,电网的谐波就少,且电流更为连续。这货与电动机一见面,就大有取代V-M系统之势,这就是直流PWM调速

直流PWM系统,配合闭环控制,可以获得非常不错的调速性能,且结构比较简单,对电网污染小,用起来非常方便。看上去直流调速系统已经修炼成仙了,20世纪上半叶,高性能的可调速拖动都是直流电动机,但是换向器这个东西阴魂不散。

有换向器就有电刷,电刷和换向器是直接接触的,长期磨损,同时在换向的时候有巨大的电流变化,非常容易产生火花,然后电刷和换向器就在火花中倍受煎熬,煎的轻点还可以,重了就完蛋了。所以,换向器和电刷限制了直流电动机的容量和速度,使得直流电动机的调速遇到了瓶颈。

什么?无刷直流?你别急,听我慢慢讲。

直流不行,交流来凑。

交流电动机

说交流电动机就不能不提交流发电机。

目前我们使用的电能绝大部分是交流电,而发电机几乎都是交流发电机,发电机和电动机本质上其实是一个东西,因为电场和磁场本来就有相互作用,变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,描述此关系的就是麦克斯韦方程组。

所以,对于交流发电机来讲,导体在磁场旋转(或者说磁场在导体中旋转),获得交流电,而如果把交流电通入线圈,获得的就是一个旋转的磁场。

有了这个旋转磁场,接下来就有意思了。

假如我在这个旋转磁场中放入一个闭合导体,那么此导体就因为切割磁感线会产生电流,而有了电流,此导体就会在旋转磁场中受力运动,楞次定律说的就是这回事。

如果此闭合导体可以自由运动,那么他就会跟着此旋转磁场运动,根据楞次定律很容易理解,闭合导体虽然跟着磁场旋转,但是总归不如磁场旋转的快。如果不理解楞次定律的话,可以这么理解:如果两者转的速度一样快了,那么此闭合导体就不会切割磁感线了,也就没有电流了,没有电流就无法受力旋转了。所以,要想受力,就必须转的比磁场慢那么一点点。

就这慢的一点点,说明转的速度比磁场慢,也就是和磁场不同步,不同步就是异步了,没错,这就是异步电动机的基本原理。

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交流异步机

如果旋转磁场中放置一块永磁体或者电磁铁,那情况就不一样了。磁体或者电磁铁会跟着旋转磁场运动,如果自由运动的话,那么磁体或者电磁铁会与旋转磁场相同的速度旋转,也就是同步旋转。没错,这就是交流同步电动机。

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交流同步机

两种电动机原理类似,但是能量传递是不一样的,所以其数学模型和控制方式也有差别,必须分开来讲。

交流异步机

交流异步电动机就是我们平时所说的感应电机。其中有一种比较常用的电动机,转子为笼型结构,俗称鼠笼电动机。它们的结构都非常简单,没有换向组件和电刷,因此成本低廉,皮实耐操,稳定可靠,不需要特殊维护,应用十分广泛。

但是异步电动机虽然结构简单,控制起来却很麻烦:定子中的功率由一部分被用来励磁,还被馈送到转子,一部分用来做功产生转矩,也就是说电流中用来励磁的部分也用来产生转矩的部分无法直接区分开来,所以异步电动机无法像直流电动机一样直接控制电压或者电流来控制转矩。

当然,异步电动机转起来之后,旋转磁场的速度是由交流电的频率的决定的,定子与转子的转速差,也就是异步的异,我们称为转差,则与电压、电流和电阻有关系,并且这些关系互相关联,所以控制起来非常复杂。

根据上面的说法,其实异步电动机控制交流电频率、电压、或者转子的电阻、电机的磁极分布都可以调速,但是控制转子电阻和磁极分布要么与电机结构有关,要么无法实现无极调速。实现无极调速用调节频率和电压的方法可以实现,且与电机结构无关。下文重点介绍这两种调速方式。

调压调速:对异步电动机来讲,调节电压可以调节转速,但改变的只有转差率,所以调速范围不大。在对电动机结构进行优化,增大转子的电阻值后,调压调速的调速范围变大,但是仍然不够大,一般只能用在调速要求不高的场合,应用并不广泛。变频调速:说到变频,大家可能都听说过。变频调速的全称是变压变频调速(VVVF),也就是在改变频率的时候改变电压,这样异步电动机的调速范围就足够大了。

变频调速的重点就是变频器,有了变频器,异步电动机就可以获得需要的频率和电压,从而实现大范围的调速,特斯拉采用交流感应电机使用的就是这种调速方式。

随着电力电子技术的发展,变频技术越来越成熟,变频器可以分为两个大类:交交变频和交直交变频。

交交变频将交流电直接通过电力电子器件变换为另一个频率的交流电,最高输出频率不能超过输入频率的一半,所以一般只用在低转速、大容量的系统中,可以省去庞大的齿轮减速箱。交直交变频器将交流电先整流变成直流,再通过逆变器变成可控频率和电压的交流,配合PWM技术,这种变频器可以实现大范围的变压变频。

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近些年芯片技术的迅速发展,产生强大的数字信号处理器(DSP),异步电动机的数学模型虽然复杂,但是有了强大的计算能力,依然可以通过计算将电流中的励磁分量和转矩分量计算出来并分别控制,配合功能完善的变压变频器,诞生了SVPWM和DTC等高精度控制方式,使异步电动机的调速性能越来越强大,以至于完全可以与直流电动机媲美调速性能。

所以,对于电动汽车来讲,异步电动机皮实耐用,过载能力强,控制算法又如此成熟,完全可以拿来用。

交流同步机

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同步电动机原理

交流同步机的原理前面说过了,它没有转差率,在结构确定的情况下,控制电压不能改变转速,所以在变频器出现之前,同步电动机是完全不能调速的。变频器的出现让交流同步电动机也有了巨大的调速范围,因其转子也有独立励磁(永磁体或者电励磁),其调速范围要比异步电动机更宽,同步电动机焕发了新的生机。

就频率控制方法而言,同步电动机变压变频调速系统可以分为他控变频调速和自控变频调速。

他控变频调速:变频调速系统是独立于电动机的,也就是电动机本身没有转子位置检测装置。自控变频调速:电动机本身自带转子位置检测器等转子位置信号获取装置,使用此装置的转子位置信号来控制变压变频调速装置的换相时刻。

对于他控变频调速,朋友们应该也看出来了,和异步电动机的变频调速类似,也可以根据其数学模型采用SVPWM等控制方式来实现控制,其性能还要优于普通交流异步电动机。

如果你很敏感,你会对自控变频调速更感兴趣。

自控变频同步电动机在发展过程中曾经有多种名字,比如无换向器电机;当采用永磁体且输入三相正弦波时,可以称为永磁同步电动机;而如果输入方波,那么就可以称为梯形波永磁同步电动机,没错,这就是大家经常BB的无刷直流机(BLDM)。

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无刷直流电机

有人把无刷直流电动机自控变频调速系统简称为“直流变频”,实际上是很荒谬的,因为直流电根本就没有频率一说。然而,很遗憾,这种叫法目前几乎广泛流传。

对于无刷直流电机,调速的时候表面上只控制了输入电压,但电机的自控变频调速系统自动根据变压控制了频率,用起来和直流电机几乎一样,非常方便。如果采用励磁绕组,励磁可以单独控制,还可以增大调速范围;如果采用永磁体,那么励磁控制起来就比较麻烦,且还有退磁问题,无法使调速范围媲美励磁绕组的无刷直流电机。然而,有了永磁体加持,特别是采用了稀土金属永磁,如钕铁硼、钐钴等磁体的,其磁性强大,不需要专门的励磁绕组,在同等容量的情况下,电机体积更小,重量更轻,效率更高,结构更紧凑,运行更可靠,动态性能更好,在电动汽车的驱动等方面都获得了广泛的应用。

特斯拉在Model3上采用的就是这种电动机。

差不多了,虽然这篇文章里略过了绕线式电机、步进电机、开关磁阻电机等类型的电机,双馈调速、转差离合器调速、串级调速等调速方式,但是对常见的直流和交流电动机类型、特点、调速方式进行了梳理,相信通过此篇文章,大家会对电动机的控制有一个大的框架形式的理解,这样我的目的也就达到了。

欢迎留言讨论,互相交流。

因成文仓促,文中难免疏漏错误,欢迎朋友们批评指正。

对了,文章的第一句话,是我说的。

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关于电动汽车电机的电控技术

电动机控制器在某铁路的应用

在推进社会进步和经济发展过程中,铁路一直处于重要位置,自铁路运行以来,我国铁路系统中重要部分主要体现在道岔转换设备上,因...
发表于 05-07 06:20 75次 阅读
电动机控制器在某铁路的应用

沃尔沃可能让电动汽车轻15%是真的吗

    沃尔沃汽车宣布,他们在汽车电池轻量化方面取得了一项重大技术成果,可以让当前的电动汽车变轻15%。目前,这项技术...
发表于 04-24 06:48 139次 阅读
沃尔沃可能让电动汽车轻15%是真的吗

电动汽车交流充电桩怎么设计?

汽车是现代生活中不可或缺的交通工具,但随着能源危机和环境污染问题日益严峻,传统燃油汽车的发展面临着越来越大的压力。电动汽...
发表于 04-20 06:54 115次 阅读
电动汽车交流充电桩怎么设计?

单相异步电动机的工作原理是什么?

单相异步电动机的工作原理
发表于 04-07 09:01 166次 阅读
单相异步电动机的工作原理是什么?

关于PLC的问题

生产线有三台三相异步电动机要求必须按顺序手动启动,统一停止,请为其设计程序并上传 ...
发表于 03-21 18:15 239次 阅读
关于PLC的问题

重卡后视镜自动折叠怎么实现?

各位电子发烧大佬好,我想请问一下,重卡电动后视镜可用什么电动机来进行操作运转,实现自动折叠功能呢? ...
发表于 01-07 22:39 453次 阅读
重卡后视镜自动折叠怎么实现?

电动机正反转控制电路怎么实现?

电动机正反转控制电路
发表于 11-11 05:17 648次 阅读
电动机正反转控制电路怎么实现?

控制直流电动机起动的原理图是什么?

按速度原则控制直流电动机起动原理图
发表于 11-01 03:06 219次 阅读
控制直流电动机起动的原理图是什么?

请问固态继电器怎么控制电动机单向运转?

固态继电器控制电动机单向运转电路
发表于 10-24 02:36 234次 阅读
请问固态继电器怎么控制电动机单向运转?