电机控制系列综述

继续接着上一篇电机控制系列目录进行具体综述：

由于过去几十年来电机和电力驱动的快速发展，电机驱动系统的功率密度与内燃机（ICE）的功率密度相当，甚至超过内燃机的功率密度。电机系统的新兴技术主要有三类：1）拓扑结构；2） 控制策略；3）与其他领域的创新。电动汽车电机拓扑的一般分类图如图所示。应该注意的是，这里的高级类型指的是电动汽车应用的高级设计标准，尽管这些机器已经出现很长时间了。先进类型包括感应电机（IM）、开关磁阻电机（SRM）、永磁同步电机（PMSM）和永磁辅助同步磁阻电机（PMA-SynRM）。特别是，根据其转子电枢拓扑结构，IM有鼠笼型和绕线转子型。永磁体（PM）安装在不同的转子位置，永磁体可以产生两个主要分支：表面安装永磁体（SPM）和内部永磁体（IPM）。新兴的机器类型包括三大类：1）定子永磁电机；2） 通量可控（FC）机器；3）多端口机器。

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电动汽车机器控制策略的一般分类图如图所示。其中还包括传统的先进类型和新兴类型。此外，高级控制意味着对电动汽车应用的高级要求，尽管这些控制策略已经提出很长时间了。高级类型包括现场定向控制（FOC）、直接转矩控制（DTC）和模型预测控制（MPC）。新兴类型主要包括两类：容错控制和无传感器控制。由于对安全关键特性的要求越来越高，容错控制越来越受到关注。无传感器控制的实现可以为控制系统提供额外的位置信息，从而提高系统的鲁棒性。从应用角度来看，现有电动汽车主要可分为三类：1）纯电动汽车；2） 混合动力电动汽车；3）插电式HEV（PHEV）。纯电动汽车完全由电动推进系统供电，而电池和辅助动力装置为其电子设备供电。另一方面，HEV将传统的化石燃料动力传动系统与某些形式的电力推进相结合。PHEV是对具有车载充电能力的HEV的扩展开发。

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1、电机类型

先进的电机拓扑结构：（a） IM（鼠笼式）、（b） SRM、（c） PMSM（V型IPM型）、（d） PMA SynRM。

SRM的显著特点总结如下：1） 转子上没有绕组或PM。因此，转子具有简单、坚固和可靠的结构。2） 在特定的牵引力水平下，可以实现超过10000转/分的高速驱动。加上减速比高的变速箱，SRM驱动基本上可以满足电动汽车的扭矩和速度要求。3） 高速SRM具有高功率密度的优势，这是电动汽车牵引电机的一个重要问题。4） 在没有转子磁桥的情况下，可以抑制转子的机械故障。这提高了电动汽车应用的安全性和容错性。5） 电动机和发电机模式都出现在运行期。当SRM用作电动汽车的牵引电机时，应避免电反馈和反向扭矩。6） SRM存在较大的转矩脉动和显著的电磁振动。这可能会对驾驶员和乘客造成声学噪声污染。

IM的不同特征总结如下：1） IM在建造成本和维护成本上比PM机器便宜。作为回报，车辆驱动系统的成本大大降低。高功率驱动系统将受益于新技术和电力设备。2） PM的缺失提高了鲁棒性和可靠性，这使得IM能够在恶劣的道路条件或车辆应用环境中运行。3） 三相IM具有同步电机无法获得的起动转矩。良好的启动性能保证了车辆应用。4） IM可以达到高效率，尽管不高于PMSM。这减少了驱动系统的损失并提高了整个车辆的效率。5） IM的高精度速度控制是困难的。

PMSM的不同特征总结如下：1） 强磁性PM为线圈提供残余磁通，这在很大程度上提高了机器的整体性能。2） 众所周知，PMSM具有最高的转矩密度、功率密度和效率。这将提高车辆的行驶里程。3） 在高速驱动下需要磁通弱化技术，这增加了去磁化的风险。在其控制器中应该涉及更复杂的控制策略。4） 稀土永磁体存在涡流损耗、去磁风险和机械故障。因此，应仔细考虑电动汽车系统的可靠性和容错性。5） 由于永磁体引入了强大的磁力，其电动汽车推进系统的振动可能很大。

PMA SynRM的独特特征总结如：1） 从减少损失、降低过热风险和提高转子强度的角度来看，较少的稀土永磁体提高了机器和电动汽车系统的可靠性。2） 磁阻转矩的利用减少了活性磁性材料的安装，这有助于实现高成本效益的推进系统。3） 磁通减弱和高速驱动可以很容易地实现。4） 转子上的空气屏障的设计和优化往往是复杂和耗时的，尤其是当转子包含多层磁屏障和众多设计参数时。5） 它包括提供比PMSM对应产品更高的功率密度的潜力。6） PMA SynRM符合未来环保和可持续的设计理念。

2、电机拓扑

除了用于商用电动汽车的传统先进电机拓扑结构外，还出现了用于电动汽车的新兴电机拓扑结构。现有的单转子电机无法适应当前各种应用的要求。例如，单转子电机的转矩密度相对较低，并且它不适合于一些需要大牵引力的车辆。然后，提出了一种新型电机，即双定子电机，以提高转矩密度。关于双转子电机的创新，源于对混合动力汽车功率分配装置的研究。现有的动力分配装置采用机械变速箱作为动力传递装置，效率低、振动大、噪音大。然后，双转子电机可以有效地解决这个问题，因为它使用磁力来传递扭矩和功率，从而可以消除物理接触。然而，双转子和DS电机要用于商业目的还有很长的路要走，因为它们的机械结构复杂，并且与单转子电机相比，功率因数相对较低。这些新兴的拓扑结构往往具有紧凑而复杂的结构，从某些角度来看，这适用于电动汽车动力总成。

用于电动汽车应用的双定子永磁电机的特点总结如下：1） 具有大扭矩容量、高可靠性、灵活性和效率，这些都是HEV E-CVT系统多模式运行的基本特征。2） 在HEV E-CVT系统中，可以用作起动机和能量传输部件或牵引电机。在两种操作模式下，内部绕组都能容纳能量并与电池组交换能量。因此，在紧急情况下，额外的定子有助于提供额外的电源以具有更高的可靠性。3） 当作为起动机和能量传输部件运行时，发动机与其一起启动。因此，它可以有助于更短的启动时间、更高的稳定性和节能，这在城市车辆中是优选的。4） 与普通同步永磁电机相比，永磁电机具有更高的转矩密度，有效地提高了空间利用率。与多端口配置相结合，可以实现更高的灵活性、可靠性和冗余性。这为电动汽车/混合动力汽车的应用提供了广阔的前景。5） 同时，与单定子电机类型相比，DS电机在扭矩传递方面具有更大的潜在挑战。中间转子需要更复杂的机械设计。为了更好地固定转子，可以采用双边固定，用四个轴承和两个底板作为支撑，但这种机械配置仍然存在较大的质量和尺寸，这限制了DS机器的应用。因此，应该在挑战和优势之间做出妥协，以进一步扩大DS机器的应用范围。

定子永磁电机即FSPM电机可以适应大转矩容量、双极磁链和具有高正弦模式的EMF：1） 设计、比较、分析和控制都包含在用于EV/HEV应用的FSPM机器的研究中。由于更高的冗余度、更好的磁性能和更高的灵活性，多端口FSPM机器吸引了越来越多的关注。2） 多端口定子永磁电机的多端口协作，如DS、双转子和双绕组协作策略，适应了多模式操作的优势，在电动汽车的复杂操作环境中具有更高的兼容性。3） 与转子永磁电机的同类产品相比，简单的转子配置使转子固定更简单。因此，可以简化这种DS机器的机械配置。它仍然受到DS机器的更大尺寸和更高质量特性的影响。因此，在这种挑战和更高的磁性能之间也应该做出妥协。

3、本体设计

许多新兴的机器拓扑结构需要开发设计方法以及特定的设计问题。由于结构越来越复杂，已经研究了先进的设计方法。本节讨论电动汽车电机的设计方法和关注点。特别是，这些方法包括有限元法、分析法、系统级和高效设计。功率损耗特性是牵引机开发中最重要的标准之一。设计过程中应包括详细的损失分析。特别是，典型电机的主要损耗可分为三大部分：绕组铜损耗、转子涡电流（EC）损耗和定子铁损耗。