了解電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)控制

一位哲人曾經(jīng)說過：知識(shí)如果不系統(tǒng)，那和段子有什么區(qū)別？

電動(dòng)汽車現(xiàn)在如火如荼，我們都知道電動(dòng)機(jī)性能彪悍。但電動(dòng)機(jī)到底是怎么控制的呢？可能很多朋友并不了解，我寫這篇文章就帶你從古到今了解電動(dòng)機(jī)的控制方式，讓大家了解電動(dòng)機(jī)控制的思路和辦法，為了方便大家理解，我盡量不引入任何公式。

既然是從古到今，那么大家就不能著急，因?yàn)樵谌祟悇倓偸褂秒妱?dòng)機(jī)作為動(dòng)力的時(shí)候，的確是有很多看似愚蠢但是沒有辦法的事情。

一說到電動(dòng)機(jī)，大家肯定都知道直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)，所以，文章也要分成兩個(gè)大部分，一個(gè)是直流電動(dòng)機(jī)的控制，另外一個(gè)是交流電動(dòng)機(jī)的控制。

直流電動(dòng)機(jī)

直流電動(dòng)機(jī)的原理大家都知道，不過是通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力，為了讓導(dǎo)體轉(zhuǎn)起來，需要不斷的改變電流方向，因?yàn)槿绻桓淖冸娏鞣较颍瑢?dǎo)體只能轉(zhuǎn)半圈，所以，對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來講，換向器是極為重要的。

直流電動(dòng)機(jī)原理

成也換向器，敗也換向器。

因?yàn)橛袚Q向器，在結(jié)構(gòu)確定的情況下，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的受力就是由電流和磁場(chǎng)強(qiáng)度決定的。磁場(chǎng)強(qiáng)度與勵(lì)磁有關(guān)，勵(lì)磁可以單獨(dú)控制，所以直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩就直接與電流相關(guān)了。

電動(dòng)機(jī)控制控的是什么？轉(zhuǎn)多快和有多大勁。

轉(zhuǎn)多快是怎么來的？就是有多大勁！所以歸根結(jié)底是電動(dòng)機(jī)有多大勁，也就是轉(zhuǎn)矩。

所以，調(diào)速調(diào)的是啥？轉(zhuǎn)矩。

OK了，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩直接與勵(lì)磁和電流相關(guān)，我們都知道歐姆定律，電流與電壓和電阻相關(guān)，所以對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)而言，調(diào)節(jié)電壓、串接電阻、改變勵(lì)磁都可以調(diào)速，且轉(zhuǎn)矩和電壓電流勵(lì)磁都是線性關(guān)系。

所以，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速太簡(jiǎn)單了。

這幾種調(diào)速方式都可以讓直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化從而轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，但是也各有特色。

調(diào)節(jié)電壓的方式最為簡(jiǎn)單，調(diào)速范圍也大，用的最多，但是需要有調(diào)節(jié)直流電壓的裝置。調(diào)節(jié)勵(lì)磁也可以平滑調(diào)速，但是范圍不大，一般配合調(diào)壓調(diào)速進(jìn)行小范圍的弱磁升速。串接電阻呢，一般就是加入和切除電阻，調(diào)速范圍也不小，但是一般是有級(jí)的調(diào)速。

綜上，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速，以調(diào)節(jié)電壓最為方便。

前面說過，調(diào)節(jié)電壓需要有改變直流電壓的設(shè)備，但是我們都知道，交流電可以直接用變壓器，直流點(diǎn)調(diào)壓可沒有那么簡(jiǎn)單。

于是，20世紀(jì)60年代以前，有一種調(diào)速方式應(yīng)用廣泛，那就是用發(fā)電機(jī)組給直流電動(dòng)機(jī)供電，也就是用交流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)發(fā)電，然后讓發(fā)出來的直流點(diǎn)再去帶動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，再有一臺(tái)發(fā)電機(jī)用于給直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁，你沒看錯(cuò)，為了讓一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)正常拖動(dòng)負(fù)載，需要至少兩臺(tái)與之容量相當(dāng)?shù)碾姍C(jī)驅(qū)動(dòng)和發(fā)電，還要一臺(tái)用于勵(lì)磁，設(shè)備多，體積大，成本高，效率低，這就是所謂的G－M系統(tǒng)。你還別覺得搞笑，20世紀(jì)60年代以前，這種系統(tǒng)真的廣泛使用。

這就是晶閘管

1957年，晶閘管問世，到20世紀(jì)60年代，成套的晶閘管整流裝置也很快面世，這貨可以把交流電整成直流電。終于，晶閘管取代了G－M系統(tǒng)，使電動(dòng)機(jī)的控制進(jìn)入了新的時(shí)期，也就是晶閘管－電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱V－M系統(tǒng)。V－M系統(tǒng)通過控制晶閘管的開通時(shí)機(jī)來獲得不同電壓的直流電，直接驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，看上去很美，但是晶閘管這東西，其實(shí)就是巨大的二極管，只有單向?qū)щ?，不能反著流，但是電?dòng)機(jī)有時(shí)候在制動(dòng)的時(shí)候需要發(fā)電回饋能量啊，完了，這事V－M系統(tǒng)必須增加另一套變流裝置回饋能量，變流裝置直接增加一倍；除此之外，早期晶閘管對(duì)過電壓、過電流和電壓電流的尖峰都十分敏感，一不小心就燒壞；另外，頻繁打開晶閘管會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)諧波和無功功率，特別是在電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)候，系統(tǒng)諧波電流很大，無功功率很高，從而污染電網(wǎng)。

PWM原理

隨著電力電子技術(shù)和器件的發(fā)展，PWM技術(shù)成熟了，PWM其實(shí)就是通過高速的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)直流的調(diào)壓，一個(gè)周期內(nèi)，開的時(shí)間長，平均電壓就高，關(guān)的時(shí)間長，平均電壓就低，調(diào)起來很方便，只要開關(guān)速度夠快，電網(wǎng)的諧波就少，且電流更為連續(xù)。這貨與電動(dòng)機(jī)一見面，就大有取代V－M系統(tǒng)之勢(shì)，這就是直流PWM調(diào)速。

直流PWM系統(tǒng)，配合閉環(huán)控制，可以獲得非常不錯(cuò)的調(diào)速性能，且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，對(duì)電網(wǎng)污染小，用起來非常方便。看上去直流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)修煉成仙了，20世紀(jì)上半葉，高性能的可調(diào)速拖動(dòng)都是直流電動(dòng)機(jī)，但是換向器這個(gè)東西陰魂不散。

有換向器就有電刷，電刷和換向器是直接接觸的，長期磨損，同時(shí)在換向的時(shí)候有巨大的電流變化，非常容易產(chǎn)生火花，然后電刷和換向器就在火花中倍受煎熬，煎的輕點(diǎn)還可以，重了就完蛋了。所以，換向器和電刷限制了直流電動(dòng)機(jī)的容量和速度，使得直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速遇到了瓶頸。

什么？無刷直流？你別急，聽我慢慢講。

直流不行，交流來湊。

交流電動(dòng)機(jī)

說交流電動(dòng)機(jī)就不能不提交流發(fā)電機(jī)。

目前我們使用的電能絕大部分是交流電，而發(fā)電機(jī)幾乎都是交流發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)本質(zhì)上其實(shí)是一個(gè)東西，因?yàn)殡妶?chǎng)和磁場(chǎng)本來就有相互作用，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，描述此關(guān)系的就是麥克斯韋方程組。

所以，對(duì)于交流發(fā)電機(jī)來講，導(dǎo)體在磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)（或者說磁場(chǎng)在導(dǎo)體中旋轉(zhuǎn)），獲得交流電，而如果把交流電通入線圈，獲得的就是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。

有了這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，接下來就有意思了。

假如我在這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中放入一個(gè)閉合導(dǎo)體，那么此導(dǎo)體就因?yàn)榍懈畲鸥芯€會(huì)產(chǎn)生電流，而有了電流，此導(dǎo)體就會(huì)在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中受力運(yùn)動(dòng)，楞次定律說的就是這回事。

如果此閉合導(dǎo)體可以自由運(yùn)動(dòng)，那么他就會(huì)跟著此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)楞次定律很容易理解，閉合導(dǎo)體雖然跟著磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，但是總歸不如磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的快。如果不理解楞次定律的話，可以這么理解：如果兩者轉(zhuǎn)的速度一樣快了，那么此閉合導(dǎo)體就不會(huì)切割磁感線了，也就沒有電流了，沒有電流就無法受力旋轉(zhuǎn)了。所以，要想受力，就必須轉(zhuǎn)的比磁場(chǎng)慢那么一點(diǎn)點(diǎn)。

就這慢的一點(diǎn)點(diǎn)，說明轉(zhuǎn)的速度比磁場(chǎng)慢，也就是和磁場(chǎng)不同步，不同步就是異步了，沒錯(cuò)，這就是異步電動(dòng)機(jī)的基本原理。

交流異步機(jī)

如果旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中放置一塊永磁體或者電磁鐵，那情況就不一樣了。磁體或者電磁鐵會(huì)跟著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，如果自由運(yùn)動(dòng)的話，那么磁體或者電磁鐵會(huì)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相同的速度旋轉(zhuǎn)，也就是同步旋轉(zhuǎn)。沒錯(cuò)，這就是交流同步電動(dòng)機(jī)。

交流同步機(jī)

兩種電動(dòng)機(jī)原理類似，但是能量傳遞是不一樣的，所以其數(shù)學(xué)模型和控制方式也有差別，必須分開來講。

交流異步機(jī)

交流異步電動(dòng)機(jī)就是我們平時(shí)所說的感應(yīng)電機(jī)。其中有一種比較常用的電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu)，俗稱鼠籠電動(dòng)機(jī)。它們的結(jié)構(gòu)都非常簡(jiǎn)單，沒有換向組件和電刷，因此成本低廉，皮實(shí)耐操，穩(wěn)定可靠，不需要特殊維護(hù)，應(yīng)用十分廣泛。

但是異步電動(dòng)機(jī)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制起來卻很麻煩：定子中的功率由一部分被用來勵(lì)磁，還被饋送到轉(zhuǎn)子，一部分用來做功產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，也就是說電流中用來勵(lì)磁的部分也用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的部分無法直接區(qū)分開來，所以異步電動(dòng)機(jī)無法像直流電動(dòng)機(jī)一樣直接控制電壓或者電流來控制轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)然，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)起來之后，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度是由交流電的頻率的決定的，定子與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速差，也就是異步的異，我們稱為轉(zhuǎn)差，則與電壓、電流和電阻有關(guān)系，并且這些關(guān)系互相關(guān)聯(lián)，所以控制起來非常復(fù)雜。

根據(jù)上面的說法，其實(shí)異步電動(dòng)機(jī)控制交流電頻率、電壓、或者轉(zhuǎn)子的電阻、電機(jī)的磁極分布都可以調(diào)速，但是控制轉(zhuǎn)子電阻和磁極分布要么與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)，要么無法實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速用調(diào)節(jié)頻率和電壓的方法可以實(shí)現(xiàn)，且與電機(jī)結(jié)構(gòu)無關(guān)。下文重點(diǎn)介紹這兩種調(diào)速方式。

調(diào)壓調(diào)速：對(duì)異步電動(dòng)機(jī)來講，調(diào)節(jié)電壓可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，但改變的只有轉(zhuǎn)差率，所以調(diào)速范圍不大。在對(duì)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增大轉(zhuǎn)子的電阻值后，調(diào)壓調(diào)速的調(diào)速范圍變大，但是仍然不夠大，一般只能用在調(diào)速要求不高的場(chǎng)合，應(yīng)用并不廣泛。變頻調(diào)速：說到變頻，大家可能都聽說過。變頻調(diào)速的全稱是變壓變頻調(diào)速（VVVF），也就是在改變頻率的時(shí)候改變電壓，這樣異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍就足夠大了。

變頻調(diào)速的重點(diǎn)就是變頻器，有了變頻器，異步電動(dòng)機(jī)就可以獲得需要的頻率和電壓，從而實(shí)現(xiàn)大范圍的調(diào)速，特斯拉采用交流感應(yīng)電機(jī)使用的就是這種調(diào)速方式。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻技術(shù)越來越成熟，變頻器可以分為兩個(gè)大類：交交變頻和交直交變頻。

交交變頻將交流電直接通過電力電子器件變換為另一個(gè)頻率的交流電，最高輸出頻率不能超過輸入頻率的一半，所以一般只用在低轉(zhuǎn)速、大容量的系統(tǒng)中，可以省去龐大的齒輪減速箱。交直交變頻器將交流電先整流變成直流，再通過逆變器變成可控頻率和電壓的交流，配合PWM技術(shù)，這種變頻器可以實(shí)現(xiàn)大范圍的變壓變頻。

近些年芯片技術(shù)的迅速發(fā)展，產(chǎn)生強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型雖然復(fù)雜，但是有了強(qiáng)大的計(jì)算能力，依然可以通過計(jì)算將電流中的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量計(jì)算出來并分別控制，配合功能完善的變壓變頻器，誕生了SVPWM和DTC等高精度控制方式，使異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能越來越強(qiáng)大，以至于完全可以與直流電動(dòng)機(jī)媲美調(diào)速性能。

所以，對(duì)于電動(dòng)汽車來講，異步電動(dòng)機(jī)皮實(shí)耐用，過載能力強(qiáng)，控制算法又如此成熟，完全可以拿來用。

交流同步機(jī)

同步電動(dòng)機(jī)原理

交流同步機(jī)的原理前面說過了，它沒有轉(zhuǎn)差率，在結(jié)構(gòu)確定的情況下，控制電壓不能改變轉(zhuǎn)速，所以在變頻器出現(xiàn)之前，同步電動(dòng)機(jī)是完全不能調(diào)速的。變頻器的出現(xiàn)讓交流同步電動(dòng)機(jī)也有了巨大的調(diào)速范圍，因其轉(zhuǎn)子也有獨(dú)立勵(lì)磁（永磁體或者電勵(lì)磁），其調(diào)速范圍要比異步電動(dòng)機(jī)更寬，同步電動(dòng)機(jī)煥發(fā)了新的生機(jī)。

就頻率控制方法而言，同步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可以分為他控變頻調(diào)速和自控變頻調(diào)速。

他控變頻調(diào)速：變頻調(diào)速系統(tǒng)是獨(dú)立于電動(dòng)機(jī)的，也就是電動(dòng)機(jī)本身沒有轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置。自控變頻調(diào)速：電動(dòng)機(jī)本身自帶轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器等轉(zhuǎn)子位置信號(hào)獲取裝置，使用此裝置的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)來控制變壓變頻調(diào)速裝置的換相時(shí)刻。

對(duì)于他控變頻調(diào)速，朋友們應(yīng)該也看出來了，和異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速類似，也可以根據(jù)其數(shù)學(xué)模型采用SVPWM等控制方式來實(shí)現(xiàn)控制，其性能還要優(yōu)于普通交流異步電動(dòng)機(jī)。

如果你很敏感，你會(huì)對(duì)自控變頻調(diào)速更感興趣。

自控變頻同步電動(dòng)機(jī)在發(fā)展過程中曾經(jīng)有多種名字，比如無換向器電機(jī)；當(dāng)采用永磁體且輸入三相正弦波時(shí)，可以稱為永磁同步電動(dòng)機(jī)；而如果輸入方波，那么就可以稱為梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)，沒錯(cuò)，這就是大家經(jīng)常BB的無刷直流機(jī)（BLDM）。

無刷直流電機(jī)

有人把無刷直流電動(dòng)機(jī)自控變頻調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為“直流變頻”，實(shí)際上是很荒謬的，因?yàn)橹绷麟姼揪蜎]有頻率一說。然而，很遺憾，這種叫法目前幾乎廣泛流傳。

對(duì)于無刷直流電機(jī)，調(diào)速的時(shí)候表面上只控制了輸入電壓，但電機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)變壓控制了頻率，用起來和直流電機(jī)幾乎一樣，非常方便。如果采用勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁可以單獨(dú)控制，還可以增大調(diào)速范圍；如果采用永磁體，那么勵(lì)磁控制起來就比較麻煩，且還有退磁問題，無法使調(diào)速范圍媲美勵(lì)磁繞組的無刷直流電機(jī)。然而，有了永磁體加持，特別是采用了稀土金屬永磁，如釹鐵硼、釤鈷等磁體的，其磁性強(qiáng)大，不需要專門的勵(lì)磁繞組，在同等容量的情況下，電機(jī)體積更小，重量更輕，效率更高，結(jié)構(gòu)更緊湊，運(yùn)行更可靠，動(dòng)態(tài)性能更好，在電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)等方面都獲得了廣泛的應(yīng)用。

特斯拉在Model3上采用的就是這種電動(dòng)機(jī)。

差不多了，雖然這篇文章里略過了繞線式電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等類型的電機(jī)，雙饋調(diào)速、轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、串級(jí)調(diào)速等調(diào)速方式，但是對(duì)常見的直流和交流電動(dòng)機(jī)類型、特點(diǎn)、調(diào)速方式進(jìn)行了梳理，相信通過此篇文章，大家會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制有一個(gè)大的框架形式的理解，這樣我的目的也就達(dá)到了。

歡迎留言討論，互相交流。

因成文倉促，文中難免疏漏錯(cuò)誤，歡迎朋友們批評(píng)指正。

對(duì)了，文章的第一句話，是我說的。