驱动电机及控制技术

本书系统地分析了新能源汽车用驱动电机及控制技术，分别为：直流电机及控制技术、直流无刷电机及控制技术、交流异步电机及控制技术和永磁同步电机及控制技术。 

本书系统地分析了新能源汽车用驱动电机及控制技术，分别为： 直流电机及控制技术、直流无刷电机及控制技术、交流异步电机及控制技术和永磁同步电机及控制技术。在详细叙述之前还简要介绍了电磁学、电力电子技术和控制技术的基础知识。本书注重理论联系实际,内容较为新颖且丰富,具有鲜明的特色。
本书可作为新能源汽车技术、汽车电子技术、机电一体化、电气工程等相关专业的教材,也可用作电动汽车维修行业员工的培训教材或电机相关工程技术人员的参考书。

第1章绪论

 

1.1新能源汽车概述

 

1.1.1新能源汽车的定义及分类

 

1.1.2电动汽车的关键技术

 

1.2电动汽车电机驱动概述

 

1.2.1电动汽车用电机的使用环境与要求

 

1.2.2电动汽车电机驱动系统的组成与类型

 

1.3电机控制技术概述

 

1.3.1电机控制技术的发展

 

1.3.2电机控制技术的研究现状

 

思考题与练习题

 

第2章电磁学基础知识

 

2.1电磁学基本概念

 

2.1.1电路的基本概念

 

2.1.2磁场的基本概念

 

2.2电机磁路理论基础

 

2.2.1磁场与磁能

 

2.2.2机电能量转换

 

2.2.3电磁转矩的控制

 

思考题与练习题

 

第3章电力电子技术基础知识

 

3.1电力电子技术概述

 

3.1.1电力电子器件简介

 

3.1.2变换电路与控制技术简介

 

3.2电力电子器件

 

3.2.1电力二极管

 

3.2.2晶闸管

 

3.2.3电力晶体管

 

3.2.4电力场效应晶体管

 

3.2.5绝缘栅双极晶体管

 

3.3电力电子变换电路

 

3.3.1可控整流电路

 

3.3.2直流变换电路

 

3.3.3逆变电路

 

3.4电力电子器件的驱动电路

 

3.4.1GTR基极驱动电路

 

3.4.2MOSFET栅极驱动电路

 

3.4.3IGBT栅极驱动电路

 

思考题与练习题

 

第4章控制技术基础知识

 

4.1控制理论基础

 

4.1.1自动控制系统的基本概念

 

4.1.2控制系统的数学模型

 

4.1.3线性系统的时域分析法

 

4.1.4线性离散系统

 

4.2微控制器基础

 

4.2.1PWM概述

 

4.2.2PWM结构和原理

 

4.2.3PWM的操作设置

 

4.2.4PWM的应用与实例

 

思考题与练习题

 

第5章直流电机及控制技术

 

5.1直流电机的基本原理

 

5.1.1直流电机的工作原理及结构

 

5.1.2直流电机的磁场分析

 

5.1.3直流电机基本方程式及工作特性

 

5.2直流电机的拖动原理

 

5.2.1直流电机的机械特性

 

5.2.2直流电机的起动

 

5.2.3直流电机的调速

 

5.2.4直流电机的电动与制动运行

 

5.3直流电机的功率变换器

 

5.3.1功率变换器概述

 

5.3.2直流电机的PWM变换器

 

5.4直流电机的控制技术

 

5.4.1直流电机转速负反馈单闭环控制系统

 

5.4.2直流电机转速电流双闭环控制系统

 

5.4.3直流电机调速控制系统实例

 

思考题与练习题

 

第6章直流无刷电机及控制技术

 

6.1直流无刷电机的基本原理

 

6.1.1直流无刷电机的基本结构及工作原理

 

6.1.2直流无刷电机的位置传感器

 

6.1.3直流无刷电机的电子换相器

 

6.2直流无刷电机的数学模型及特性分析

 

6.2.1直流无刷电机的数学模型和传递函数

 

6.2.2直流无刷电机的特性分析

 

6.3直流无刷电机的控制技术

 

6.3.1直流无刷电机的控制技术概述

 

6.3.2直流无刷电机的起停控制和软起动

 

6.3.3直流无刷电机的换相控制

 

6.3.4直流无刷电机的调速控制

 

6.3.5直流无刷电机的制动控制

 

6.3.6直流无刷电机的闭环控制

 

6.4直流无刷电机的调速控制系统实例

 

6.4.1硬件系统

 

6.4.2控制系统

 

6.4.3基本控制方法

 

思考题与练习题

 

第7章交流异步电机及控制技术

 

7.1三相异步电机的基本结构和工作原理

 

7.1.1三相异步电机的基本结构

 

7.1.2三相异步电机的工作原理

 

7.2交流电机的绕组、电动势和磁动势

 

7.2.1交流电机的绕组

 

7.2.2交流电机绕组的电动势

 

7.2.3交流电机绕组的磁动势

 

7.3三相异步电机的运行分析

 

7.3.1三相异步电机的空载运行

 

7.3.2三相异步电机的负载运行

 

7.3.3三相异步电机的功率和转矩平衡方程式

 

7.3.4三相异步电机的工作特性

 

7.4三相异步电机的拖动原理

 

7.4.1三相异步电机的机械特性

 

7.4.2三相异步电机的起动

 

7.4.3三相异步电机的调速

 

7.4.4三相异步电机的制动

 

7.5三相异步电机的调速控制系统

 

7.5.1常用的几种驱动变换电路

 

7.5.2异步电机转速开环控制系统

 

7.5.3异步电机转速闭环控制系统

 

7.5.4异步电机矢量调速控制系统

 

思考题与练习题

 

第8章交流同步电机及控制技术

 

8.1永磁同步电机的基本结构和工作原理

 

8.1.1永磁电机的转子结构

 

8.1.2永磁同步电机的工作原理

 

8.2永磁同步电机的电磁关系及特性分析

 

8.2.1永磁同步电机的磁动势分析

 

8.2.2永磁同步电机的电动势分析

 

8.2.3永磁同步电机的功率关系与功角（矩角）特性

 

8.3永磁同步电机的控制技术

 

8.3.1永磁同步电机的起动和制动

 

8.3.2永磁同步电机的调速控制系统

 

8.4永磁同步电机在电动汽车中的应用

 

8.4.1电机驱动系统概述

 

8.4.2电机驱动系统的组成与工作原理

 

思考题与练习题

 

参考文献

当今关于环保和能源的问题备受关注，为解决这些问题，新能源汽车呈现出加速发展的趋势。驱动电机控制系统是新能源电动汽车动力系统的核心关键部件，而且必须适应新能源电动汽车极为苛刻的工况。随着新能源电动汽车的技术发展和产业发展，急需驱动电机及控制技术方面专业书籍来培训高校学生和相关技术人员，用于指导科研和生产实践。

本书结合目前新能源电动汽车用驱动电机的主流技术，并结合编者多年来车用驱动电机及其控制系统的开发、应用和培训经验，全面系统地分析了驱动电机及控制技术。全书共分8章。第1章阐述了新能源汽车用驱动电机及其控制技术的概况；
第2～4章分别介绍了电磁学、电力电子技术和控制技术基础知识；
第5～8章分别系统地分析了新能源电动汽车用直流电机及控制技术、直流无刷电机及控制技术、交流异步电机及控制技术和永磁同步电机及控制技术。

作为全国高职示范院校，在长期办学实践中我们深深感到高职教材的编写一定要与专业培养目标定位相适应，在内容上与市场岗位需求保持高度一致，注重培养学生的学习能力、分析能力及创新能力。本书主要突出以下特色：
①将培养学生的学习能力、分析能力及创新能力放在首位；
②在强调基础知识与基本技能训练的同时，特别注重理论与实践相结合，为学生未来的职业发展打下坚实的基础；
③力求图文并茂。

本书由深圳职业技术学院朱小春副教授主编。全书由深圳职业技术学院贺萍教授主审。在本书的编写过程中，参考了较多的同类专著、教材和有关文献资料，在此对有关作者表示感谢。

由于编者水平所限，书中必定有不妥和错误之处，恳请读者提出宝贵意见。

 

编者2017年4月

第3章电力电子技术基础知识
3.1电力电子技术概述电力电子技术（power electronics technology）与信息电子技术（模拟电子技术和数字电子技术）构成了电子技术的整体。国际电气和电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）的电力电子学会对电力电子技术的定义是： 有效地使用电力半导体器件，应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现多电能的高效能变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。电力电子技术包括电力电子器件、变换电路和控制电路三个部分，其中，电力电子器件是基础，变流技术是电力电子技术的核心。随着科学技术的发展，电力电子技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前，电力电子技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。3.1.1电力电子器件简介20世纪50年代，个晶闸管（thyristor）诞生后，电力电子器件如雨后春笋般问世并得到发展。以器件为核心的电力电子技术的发展大体可划分为两个阶段： 1957—1980年称为传统电力电子技术阶段； 1980年至今称为现代电力电子技术阶段。1. 传统电力电子器件晶闸管有两大突破： 一方面是功率变换能力的突破； 另一方面是实现了弱电控制强电变换的突破。晶闸管的出现使电子技术步入了功率领域，在工业上引起一场技术革命，晶闸管的派生器件越来越多，功率越来越大，性能越来越好。截至1980年，由普通晶闸管衍生出了快速晶闸管（fast switching thyristor,FWT）、逆导晶闸管（reverseconducting thyristor，RCT）、双向晶闸管（triode AC semiconductor switch，TRIAC）和不对称晶闸管（asymmetrical silicon controlled rectifier，ASCR）等，从而形成了一个晶闸管大家族。与此同时，各类晶闸管的电压、电流、电压变化率、电流变化率等参数均有很大提高，开关特性也有很大改善。传统的电力电子器件已发展到相当成熟的地步，但在实际应用上存在着两个制约其继续发展的重要因素。一是控制功能上的欠缺，它通过门极只能控制开通而不能控制关断，所以称之为半控制器件。要想关断这种器件必须另加用电感、电容和辅助开关器件组成的强迫换流电路，这样将使整机体积增大、重量增加、效率降低。二是因它立足于分立元器件结构，工作频率难以提高，一般情况下难以高于400Hz，因而大大地限制了它的应用范围。由于上述两个原因，以半控制器件晶闸管为代表的传统电力电子器件的发展受到极大的影响。以晶闸管为核心的变换电路应用在直流传动、机车牵引和电化电源等领域，由于这些电路的功率因数低、网侧及负载上的谐波严重，因此阻碍了它们的继续发展。新型电力电子器件的迅速发展，为电力电子变换电路带来新的转机。但是，晶闸管系列器件的价格相对低廉，在大电流、高电压的发展空间依然较大，尤其在特大功率应用场合，其他器件尚且不易替代。在我国，以晶闸管为核心的应用设备仍有许多在生产现场使用，晶闸管及与其相关的知识目前仍是初学者的基础。2. 现代电力电子器件20世纪80年代以来，微电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一代高频化、全控型的电力集成器件，从而使电力电子技术由传统的电力电子技术跨入现代电力电子技术的新时代。