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摘要：本文以电动汽车牵引异步电机驱动技术仿真研究作为主要课题，在电动汽车牵引异步电机驱动原理的基础上，给出电动汽车牵引异步电机矢量控制驱动方案，通过了解矢量控制驱动的主要原理，给出两相电机矢量控制策略，并进行仿真分析，证实了该控制方法的正确性。而后设计电动汽车牵引异步电机直接转矩驱动方案，通过仿真得知单相电机直接转矩控制方案转矩脉动比矢量控制方案更大。与矢量控制相比，直接转矩驱动控制方法动态响应更为快速。
关键词：电动汽车；牵引异步电机；电机驱动；变频调速
在本课题中，传统的单相电动机驱动方法显然已无法满足这种要求。从上世纪 50 年代末以来，电力电子技术、计算机技术和交流电机控制技术的迅速发展，出现了一种新的驱动方法——变频调速。变频调速作为一种新的电机驱动方法，就是通过整流桥将工频电源整流成直流电源，再通过控制电力电子器件构成的逆变器来提供可变频率的电源给电机，使电机的同步转速能够变化，从而改变电动机的转速。变频调速以其优异的调速性能，受到广泛地重视，成为最具有发展前景的焦点技术。
1 电动汽车牵引异步电机驱动原理
1.1 电机调速基本原理
由电机学知，交流异步电动机的转速公式如下：
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（2-1）
式中 Pn为电动机定子绕阻的磁极对数；f1为电动机定子电压供电频率；s为电动机的转差率。从式（1-1）中可以看出，调节交流异步电动机的转速有三大类方案。
1）改变电动机的磁极对数
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（2-2）
由公式可知，当电源频率f1不变时，通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数Pn，即可以改变异步电动机的同步转速n，从而达到调速的目的。这种方式比较简单，只要求电机定子绕组有多个抽头，然后通过触点的通断来改变电动机的磁极对数。采用这种控制方式，电机转速的变化是有级的，不连续的，一般最多只有三档，适用于自动化程度不高且只须有级调速的场合。
（2）变转差率调速
改变转差率调速的方法很多，常用的方案有：异步电动机定子调压调速，电磁转差离合器调速和绕线式异步电动机转子回路串电阻调速，串级调速等。
1.2 单机交流调速系统原理
交流调速控制作为对电机控制的一种手段。作用相当明显，就交流调速系统目前的发展水平而言，可概括的如下：
（1）从中容量等级发展到了大容量、特大容量等级。解决了交流调速的性能指标，填补了直流调速系统在特大容量调速中的空白。
（2）可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期的连续运行能力，从而满足有些场合不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求。
（3）可以使交流调速系统实现高性能、高精度的转速控制。除了控制部分可以得到和直流调速控制同样良好的性能外，异步电动机本身固有的优点，又使整个系统得到更好的动态性能。采用数字锁相控制的异步电动机变频调速系统，调速精度可以达到0.002%。
1.3 电机变频调速原理
本文中的单相交流电机将采用变频调速的方式，由上文中交流电机转速公式可知我们可以通过改变输入的频率来控制单相电机的转速，从而达到调速的目的。通过单相电机主绕组与副绕组之间的相位超前90°或滞后90°来控制单相电机的正反转。
1.4 单相电机逆变器拓扑结构
为获得相位互差90°的对称两相电压，实现单相电机变频调速，两相电机变频器主电路的拓扑结构有如图2-2所示的三种形式：
（a）双半桥电路组合；
（b）双全桥电路组合；
（c）三相桥式电路；
1.5 SVPWM的基本原理
所谓的SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波便可得到正弦波输出数字控制是SPWM目前常用的控制方法。可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制时根据指令调出；或者通过软件实时生成SPWM波形；也可以采用大规模集成电路专用芯片产生SPWM信号。随着数字信号处理技术的蓬勃发展，数字控制技术已经成功地应用到电力电子与电力传动控制领域中来，逆变器的数字控制逐渐成为研究热点。
2 电动汽车牵引异步电机矢量控制驱动
2.1 两相电机矢量控制策略
定子绕组电流产生旋转的定子磁场，磁体转子产生转子磁场，两个磁场叠加形成电机的气隙磁场，气隙磁场为耦合叠加产生，不利于分析研究。为简化单向异步电机模型，将气隙磁场与空间位置角解耦，通过坐标变换化简变系数高阶微分方程。
2.2 两相电机的SVPWM控制策略的实现
根据上述控制原理，并结合本次研究的单向异步电机的转子结构特点及其用途，将采用SVPWM调制技术，SVPWM调制通过控制三相逆变器的功率开关按照一定顺序进行切换，使逆变器输出一定规律脉宽的PWM波，在单向同步电机定子线圈中形成正弦电流，使电机定子磁链矢量形成圆形旋转磁场。为了进一步优化电机的转矩性能，本节将滞环控制器和选择开关表用SVPWM代替，在一个周期内能够得到任意的参考电压矢量，可以对其进行连续控制，减小转矩波动，保持逆变器开关频率恒定。
3 电动汽车牵引异步电机矢量控制驱动仿真
根据电机矢量控制策略的思想：需要将定子电流矢量从三相静止坐标系下变换到两相静止坐标系，依据功率不变的等效原则与磁势不变原则，得到Clark变换矩阵。在控制系统中需要在将两相坐标系转换为旋转坐标系即Park变换，这样就将交流电机模型转化直流电机模型，这样只需要对交直轴电流进行控制，再将控制量经过反变换，就可以获得良好的电机驱动控制性能。
4 结论
本文结合单相感应电机的特点，对其驱动技术进行了仿真研究，主要完成了以下工作：
第一，根据控制原理，设计了两相交流感应电机的矢量控制系统，建立了两相三桥臂逆变器数学模型与两相感应电机的矢量控制模型。通过仿真证实了该控制方法的正确性。
第二，通过选择最佳的作用电压矢量，将磁链和转矩限制在各自相应的滞环带内，从而实现对磁链和转矩的直接控制。经过仿真得知单相电机直接转矩控制方案转矩脉动比矢量控制方案更大。
参考文献
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