第七节
电机调速控制系统

电机调速控制装置是为电动汽车变速及变换方向而设置的，其作用是控制电机的电压或电流，完成电机的驱动转矩及旋转方向的控制。直流电机的调速方法，一是调节电枢电压，二是调节励磁电流。而常见的永磁无刷直流电机，其磁场均是固定的，拥有不可调的永磁体，因此只能调节电枢电压。调节电枢电压的方法常用的为晶闸管调压法，另外还有脉宽调制法（PWM）。PWM只能实现大功率调速，国内的超大功率调速还需依靠晶闸管实现可控整流来达到直流电机的调压调速。此外，还有弱磁调速（通过适当减弱励磁磁场的办法进行调速）。

早期的电动汽车直流电机的调速采用串接电阻或改变电机磁场线圈的匝数来实现，其调速是有级的，且会产生附加的能量消耗并使电机的结构复杂，现在已极少采用。目前电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地改变电机的端电压，控制电机的电流，来实现电机的无级调速，它也将慢慢被其他电力晶体管斩波调速装置所取代。从技术的发展来看，随着新型驱动电机的使用，电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用，将成为必然的趋势。

一、串励直流电机调速控制系统

直流电机具有控制技术简单成熟，转矩、转速特性比较符合理想牵引特性要求等特点，并且因为串励直流电机具有较大的起动转矩和过载能力，可以满足电动汽车快速起动、加速、爬坡、频繁起停等要求，所以目前电动汽车多选用串励直流电机作为驱动源。

在串励直流电机机械负载不变的条件下，人为调节电机转速的操作称为调速。有刷有齿串励直流电机的转速对电枢电流的变化关系，可依据直流电机的电势平衡方程式求得。影响有刷有齿串励直流电机转速的三个因素包括电源电压、串接在电枢回路中的电阻、电机气隙主磁通。改变以上三个因素中的任何一个，均能达到调节有刷有齿串励直流电机转速的目的。

目前，电动汽车用控制器，不管有刷、无刷，都采用PWM调速方式。控制器的调速原理通常是将直流电转换成宽度可调的脉冲，改变脉冲宽度即改变了电压的平均值，使得串励直流电机平稳地无级调速。

（1）串励直流电机与速度控制器连接 串励直流电机具有4个接线柱，2个是定子绕组出线接线柱，2个是转子绕组出线接线柱，分别为A ₁ 、A ₂ 、D ₁ 和D ₂ ，这4个接线柱中励磁绕组的2个接线柱离连接负载的出轴端比较近，此外2个是电枢的接线柱。观察电机接线柱旁边的标签，励磁绕组的标签为D ₁ 、D ₂ ，电枢出线的接线柱为A ₁ 、A ₂ 。

若把电刷与换向器之间用绝缘体隔开，电枢绕组的接线柱之间是断开的，测量电阻值为无穷大，而励磁绕组的接线柱一直是导通的状态。

速度控制器有4根引出线与3根转把（加速踏板）插接线，其中一红一黑是电源正负极引线；一根与电动机转子连接，是从控制器输出的电源线；一根和正反转开关连接，与控制器输出负极形成回路。电机的正反转由改变定子绕组的电流方向控制，因此定子绕组的两根线应与正反转开关转动片的2个接线柱连接。

用万用表蜂鸣器档测量正反转开关上的4根线，2根相通的是电机定子绕组线，测量有10kΩ阻值的是与速度控制器和电动机转子的连接线，定子绕组的2根线应与正反转开关的2个转动片接线柱相连。

（2）串励直流电机用有刷控制器的工作原理 串励直流电机用有刷控制器的工作原理框图如图2-45所示。

速度控制器的工作过程如下：

首先，蓄电池经内部稳压电路得到一个稳定电压，该电压给PWM主处理芯片供电，PWM主处理芯片供电后开始工作，当用户转动转把（踩加速踏板）时，PWM主处理芯片获得转把（加速踏板）的信号电压后，产生的脉冲信号经MOS管驱动电路放大，驱动MOS管工作，MOS管驱动有刷电动机旋转。限流保护电路用来保护电机绕组，欠压保护电路用于保护蓄电池。

二、交流异步电机调速控制系统

交流异步电机常见的调速方法包括3种：变级调速、变频调速、变转差率调速。

采用变级调速，电机转向的改变仅需变换磁场三相电流的相序即可，可使控制电路简化。交流异步电机采用变级调速属于有级的调速方式，调速的机械特性不如直流电机。

采用变频调速控制技术，可使电动汽车的制动能量回收控制更加便捷，控制电路更加简单。

采用变转差率调速，方法有定子调压调速、转子串电阻调速和串级调速等，因其结构复杂，应用较少。

目前，交流调速已经成为满足各种生产工艺要求及节约电能的重要措施。在多种交流调速方法中，变频调速的应用发展最快，虽然变频器的生产成本稍高，但其调速性能和装置效率始终处于各种调速方法之首，因此现在变频调速的应用已成为交流电机调速的主流。

三、开关磁阻电机调速控制系统

开关磁阻电机调速控制系统（SRD）是当今世界最新、性能价格比最高的调速系统。它是一种基于改变供电电源频率的调速方式，即交流变频调速。开关磁阻电机调速控制系统已经实现智能化与模块化，不但调速性能优越，而且各种保护功能也很完善，现已经大量使用。这项技术调速范围宽广，机械特性良好，起动、制动性能卓越，并且具有节能、易维护等优点。

SRD系统是开关磁阻电机与电力电子技术相结合而产生的一种机电一体化装置，主要由开关磁阻电机、功率变换器、单片机、电流和位置检测器五大部分组成。开关磁阻调速电机的调速功能是由开关磁阻电机转子位置检测器、功率变换器及控制器（即单片机）共同配合实现的。

功率变换器是开关磁阻电机运行时所需能量的提供者，是连接电源与电机绕组的开关部件，它将电源能量反馈给电机，也可以将电机内的磁场储能反馈回电源，其功率变换电路所用的开关部件为快速绝缘栅双极型晶体管。单片机为SRD系统的控制核心，只需通过修改软件即可满足用户多种性能要求。

随着科技能力的不断进步，以及半导体集成控制技术水平的提高，SRD系统必将得到广泛应用。

四、无刷直流电机调速控制系统

（1）无刷直流电机调速控制原理 无刷直流电机（BLDCM）是一种新型的机电一体化产品，它既有异步电机结构简单、运行可靠和维护方便的特点，又有直流电机调速性能好的优点，所以广泛应用于电动汽车。

目前，国外一些公司开发有无刷直流电动汽车控制系统专用集成电路，使得无刷直流电机的控制电路更加简单。这种控制电路具有集成度高、电路简单、抗干扰能力强等特点。无刷直流电机控制系统的工作原理框图如图2-46所示。无刷直流电机的工作过程如下：

蓄电池电压经内部稳压电源后作为提供控制器内部电子元器件的工作电压向PWM主处理芯片提供电压，PWM主处理芯片按照无刷电机的霍尔信号对三路MOS管驱动电路给出有选择性的打开和关闭信号，以完成对电机的换相。同时，PWM主处理芯片根据转把（加速踏板）的输入电压大小，将相应脉冲宽度的方波信号和三路MOS管导通信号混合，以达到控制电机速度的目的。

MOS管是大电流开关元件，其导通和关闭时间受导通信号与PWM芯片信号合成的混合信号控制。欠电压保护电路在蓄电池电压降低至控制器设定值以下时，停止PWM芯片信号输出，避免蓄电池因过放电而损坏。限流保护电路是对控制器输出的最大电流进行限制，以保证控制器、电机等不会出现允许范围以上的大电流。

（2）无刷直流电机与控制器连接

无刷直流电机与控制器的连接如图2-47所示。