第一部分 控制电机基础

第1章 控制电机基础

1.1 控制电机的定义与分类

控制电机是指在自动控制系统中作状态监测、信号处理或伺服驱动等用途的各种电机、电机组件及其系统。

控制电机的种类较多，通常按其在控制系统中的作用不同，可分为信号控制电机和功率控制电机两类。

信号控制电机主要用于信号转换，比如将航向等角位移信号转换为电信号的同位器和旋转变压器、将转速信号转换成电信号的测速发电机等。这类信号控制电机在自动控制系统中主要作为敏感元器件、校正元器件、阻尼元器件和解算元器件使用。

功率控制电机主要用于将电信号转换成轴上的角位移或角速度、直线位移或线速度，从而带动控制对象运动。

控制电机包括伺服电动机、步进电动机、直线电动机、开关磁阻电动机、磁滞电动机、旋转变压器、超声波电动机、自整角机、无刷直流电动机、直流测速发电机、电动汽车电动机等。

伺服电动机是指应用于运动控制系统中的电动机，它的输出参数，如位置、速度、加速度或转矩是可控的；步进电动机是指一种多相同步电动机，它的定子绕组按一定程序励磁时，其转子按一定角位移（或直线位移）做增量运动；开关磁阻电动机是指采用定转子凸极且极数相接近的大步距磁阻式步进电动机的结构，根据转子位置信息，通过电子电路进行换相和/或电流控制的电动机；旋转变压器是指以可变耦合变压器原理工作的交流控制电机，它的二次侧输出电压与转子转角呈确定的函数关系；超声波电动机是指利用压电材料的逆压电效应，将电能转换成弹性体的超声振动，并通过摩擦传动的方式，将超声振动转换成转子运动的电动机。

与控制电机有关的术语主要有功率密度、转矩密度、峰值转矩、峰值电流、电气时间常数、热时间常数、机电时间常数等。控制电机的典型术语见表1-1。

1.2 控制电机的技术概况

电磁理论、电工技术、电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的快速发展促进了控制电机技术及产业的发展。总结控制电机的发展方向有如下六个方面。

1）无刷化：无刷化电动机可克服传统有刷直流电动机的缺点，比如换向火花大、电磁干扰严重、寿命短、更换不方便等。

2）极速化：为实现直接驱动、提高运行精度，需要速度极高或极低的电机。超声波电动机等各种新型的电机被不断开发并得到日益广泛的应用。

3）无级调速化：变频技术和反馈技术的发展促进了电机控制学科的发展，使得交流电机无级调速的实现变得相对容易和简单。

4）伺服化：机器人、机床和无人机行业的发展促进了电机伺服技术的进步。伺服电动机不仅仅实现电能与机械能之间的转换，还用作机电信号的转换、检测放大、执行、解算或控制等，在机电一体化设备中得到广泛的使用。

5）机电一体化：电机与后级的执行机构（各种机械、液压、气动装置等负载）整合形成机电一体化系统。机电一体化系统涵盖电机本体、计算机、控制器、功率变换器、传感器和控制技术等多个方面。

6）智能化：电机不仅提供动力，还提供高精度和复杂的运动控制，具备自适应、自学习、自保护、自存储和远程监控等功能。

控制电机技术包含电机本体的电磁设计技术、永磁材料的应用技术、自动控制理论的应用技术、电磁兼容的适用性技术、低不确定度和高精度的测试技术等核心技术。目前电磁设计技术、永磁材料的应用技术、自动控制理论的应用技术、低不确定度和高精度的测试技术较为成熟，但电磁兼容的适用性技术普及及掌握的程度较低。未来一段时间，如何确保控制电机的电磁指标满足相关标准的要求将是控制电机技术的一个发展趋势。

1.3 常见控制电机原理

1.3.1 伺服电动机

伺服系统理论是伺服电动机分析的基础。伺服系统是按照控制命令的要求，对机械位移、机械角度、力、转矩或加速度等信号进行变换、调控和功率放大等处理的系统。电气伺服系统由伺服电动机、反馈装置、功率驱动装置和控制器四部分组成，以电动机为执行元器件和控制元器件，将电动机的机械参数作为控制对象的自动控制系统。伺服电动机是伺服系统的中心，其性能决定着伺服系统的最终性能。伺服电动机及其系统如图1-1所示。

伺服电动机可实现高精度地控制速度和位置，可将电压信号转化为转矩和转速控制信号，进而实现电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电动机的转速受输入信号的控制能快速反应，在自动控制系统中，作为执行元件的伺服电动机具有机电时间常数小、线性度高、始动电压低等特性。

伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。

按照电机结构，直流伺服电动机分为永磁式和电磁式两种基本结构类型，电磁式直流伺服电动机分为他励、串励、并励和复励四种；按照转子的型式，直流伺服电动机可分为常规电枢转子、空心杯形转子和无槽电枢直流伺服电动机；按照控制方式，直流伺服电动机可分为励磁电压控制和电枢电压控制方式。按照转子的结构型式，直流伺服电动机可分为有刷和无刷电动机，有刷电动机成本低，结构简单，起动转矩大，调速范围宽，控制容易，维护不方便，电磁干扰大，对环境有要求；无刷电动机体积小，重量轻，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。

按照电机结构，交流伺服电动机分为永磁式和电磁式两种基本结构类型。按照电气原理，交流伺服电动机可分为同步和异步电动机；按照转子的结构型式，交流伺服电动机可分为绕线型转子、笼型转子和非磁性空心杯转子交流伺服电动机；按照控制方式，交流伺服电动机可分为幅值控制、频率控制、相位和幅相控制交流伺服电动机。

伺服系统通过传感器将电动机的转速、转矩、位移等信号反馈至电动机的控制端，控制端通过功率变换器驱动伺服电动机，从而实现电动机的转速、转矩等信号的高精度控制。按照驱动的伺服电动机类型，分直流伺服电动机和交流伺服电动机来分析其工作原理。

不考虑伺服系统中的传感器、反馈装置和功率变换器，直流伺服电动机的电气原理与他励式直流电机相同，其电气原理如图1-2所示，Uf为励磁电压，Uc为控制电压。忽略电枢回路电阻的影响，Uc=Ea=CenΦ，假设Uf恒定，则Uc∝n，当转速n上升时，通过“负反馈”使Uc下降，依据Uc=Ea=CenΦ，转速n随着Uc的下降而下降，该过程为直流伺服电动机实现转速高精度的控制过程。

交流伺服电动机定子的构造基本上与单相异步电动机相似，其电气原理如图1-3所示。其定子上装有两个位置互差90°的绕组，励磁绕组始终接在交流电压上；控制绕组连接着控制信号电压。当励磁绕组和控制绕组同时供电时，伺服电动机内部会产生椭圆形旋转磁场并使伺服电动机转动起来，从而实现机电能量交换。当励磁电压保持不变时，改变控制电压的大小，即可调节气隙磁动势的大小，从而实现调节电动机转速和转矩的目的。调节控制电压和励磁电压的相位，控制相位的“超前”或“滞后”即可控制伺服电动机的旋转方向。

电气伺服系统的基本结构由伺服电动机、反馈装置、功率驱动装置和控制器四部分组成，其中反馈装置包括电压传感器、电流传感器、光电编码器、磁编码器、霍尔位置传感器和温度传感器等，通常安装在伺服电动机的定子外壳或绕组中；功率驱动装置主要向伺服电动机提供主电路或控制电路所需的交流或直流驱动功率；控制器的作用是将反馈装置得到的信号经过比较、分析后输出控制信号，实现对功率驱动器的控制。通常情况下，功率驱动器和控制器集成为伺服驱动器。

直流伺服电动机与他励直流电动机的结构类似，由机座或外壳、定子铁心、定子绕组、转子铁心、转子绕组、换向器或无刷器件等器件构成；交流伺服电动机与单相异步电动机的结构类似，由机座或外壳、定子铁心、定子绕组和铸铝转子等器件构成。松下伺服电动机及伺服驱动器的外形图如图1-4所示。

直流伺服电动机的定子与他励直流电动机类似。交流伺服电动机的定子与单相异步电动机类似，励磁绕组和控制绕组嵌放至定子铁心中。转速、转矩和位移等传感器安装在定子上。

直流伺服电动机的转子与他励直流电动机类似。交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式。为使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应等性能，其具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种结构型式：采用高电阻率导电材料做成的导条形鼠笼转子和采用铝合金制成的空心杯形转子。

伺服电动机（系统）具有调速范围宽、机械特性和调节特性为线性、无“自转”现象和快速响应四个显著的特点，其基本参数有工作区、特征参数、稳态性能和动态性能等。驱动电动机以额定工作点表征其工作能力，伺服电动机则用工作区表征其基本工作特性；特征参数包括反电动势常数、转矩常数、机械时间常数、机电时间常数和电气时间常数等；稳态性能包括转速调整率、调速比、静态刚度、定位精度和稳态跟踪误差等；动态性能包括转矩波动系数、频带宽度、超调量、阶跃输入的转速响应时间、转矩变化的时间响应和变量建立时间等。

1.3.2 步进电动机

步进电动机是一种控制系统中的执行元件，由专用驱动器供给电脉冲，其功能是将脉冲电信号变换为相应的角度或直线位移。步进电动机的位移与脉冲数成正比，转速或线速度与脉冲频率成正比，在负载能力范围内这些关系不因供电电源的电压、负载大小和环境条件的波动而变化。步进电动机能在较宽的范围内通过改变脉冲频率按照控制脉冲的要求迅速实现起动、反转、制动和无级调速等功能。步进电动机在开环控制系统中作为执行元件应用较为广泛。

1．步进电动机的分类

按照励磁方式分类，步进电动机可分为磁阻式步进电动机、永磁式步进电动机和感应式步进电动机；按照电动机运动方式，步进电动机可分为旋转型和直线型步进电动机；按照相数分类，可分为单相、两相、三相等多相步进电动机。

2．步进电动机的工作原理

三相磁阻式步进电动机的电气接线图如图1-5所示。定子有6个极，每两个相对极绕有一相控制绕组；转子上有4个齿，齿宽与定子的极靴宽相等。当U相通电、V和W相不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，转子齿1和2的轴线与定子U极的轴线重合；当V相通电、U和W相不通电时，转子按逆时针方向旋转30°，转子齿1和2的轴线与定子V极的轴线重合；同理，当W相通电、U和V相不通电时，转子接着按逆时针方向旋转30°，转子齿1和2的轴线与定子W极的轴线重合。如此按照U-V-W-U-V-W-U-…的顺序不断给控制绕组提供励磁电流，转子就会一步一步按照逆时针方向连续转动，转子的转速取决于控制绕组的通断频率，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序，这就是步进电动机的工作原理。

步进电动机与脉冲驱动器和功率电源配套使用，步进电动机驱动器系统图如图1-6所示。驱动器中的脉冲分配器将连续脉冲信号按照一定的规律通过功率放大器输入至步进电动机的控制绕组，以达到控制步进电动机的转速和位移的目的。

某些场合，为了控制转速或位移的精度，也会引入类似伺服电动机的“闭环”控制系统。

3．步进电动机的基本结构

步进电动机及其控制器如图1-7所示。步进电动机和控制器通过控制线和电源线连接。为了将旋转运动转换为直线运动，步进电动机的输出轴一般制造成如图所示的“丝杠”结构。

步进电动机的基本结构包括机座、定子和转子。定子极靴上放置有励磁绕组，定子极靴和转子铁心上开有小的齿槽，转子铁心不放置绕组。定转子冲片结构如图1-8所示。

按照控制节拍和供电电源的相数，步进电动机的定子铁心冲制为相应数量的极靴，定子铁心如图1-9所示。控制绕组放置在极靴中，控制绕组向步进电动机提供励磁磁通。

步进电动机的转子铁心由硅钢片压制而成，铁心外圆开有均匀的齿槽，转子铁心不放置绕组。

步进电动机的主要参数为额定电压、额定电流、步距角、转动惯量等；主要的性能指标为最大静转矩、步距角误差、静态温升、转矩特性、运行矩频特性、起动矩频特性、起动惯频特性和升降频时间等。

1.3.3 直线电动机

直线电动机是不需要任何中间机构而将电能直接转换成直线运动的电气装置。直线电动机具有直接驱动、机械损耗低、噪声低、控制特性好、动态响应快、定位精度高和速度范围宽等特点。按照功能用途可分为力电机、功电机和能电机。按照结构型式可分为平板形、圆筒形、圆盘形和圆弧形。按照工作原理可分为直线电动机和直线驱动器，直线电动机主要包括直线感应电动机、直线同步电动机、直线直流电动机、直线步进电动机和混合式直线电动机；直线驱动器主要包括直线振荡电机等。

直线电动机的工作原理与旋转电动机类似，将旋转电动机沿径向剖开并将圆周展开，就可得到图1-10所示的直线电动机。

下面以直线感应电动机为例，讲述直线电动机的工作原理。

直线电动机的初级嵌入多相绕组并通入对称正弦交流电后，会产生如图1-11所示的行波磁场，行波磁场沿着直线运动，其运动速度称为同步速度。次级导体在行波磁场的切割下，将产生感应电动势并产生感应电流。感应电流与磁场相互作用产生电磁力，如初级固定，则次级顺着行波磁场的方向做直线运动。改变通电电源的相序，可改变直线运动的方向，这就是直线电动机的工作原理。

直线电动机由旋转电动机演变而来，由定子演变而来的一侧为初级，由转子演变而来的一侧为次级。实际应用中初级和次级的长度不相同，如图1-12所示。仅在一边安放初级或次级，称为单边型直线电动机，此类电动机存在垂直方向的吸引力。为了消除吸引力的影响，在初次或次级的两边都装上次级或初级，该种结构型式称为双边型直线电动机，如图1-13所示。

直线电动机的主要参数为同步速度、堵动推力、堵动电流、推力常数、定位力、推力波动、推力/动子质量比和移差率等。

1.3.4 开关磁阻电动机

开关磁阻电动机与高速大步距的反应式步进电动机类似。开关磁阻电动机的定子供电电源的换相与转子位置相关，依据转子位置检测器提供的位置反馈信息来实现定子绕组的开关控制，从而实现电动机的运转和能量交换。相对于步进电动机的“开环控制”，开关磁阻电动机属于转子位置的闭环控制类电动机。

四相8/6极开关磁阻电动机的工作原理如图1-14所示。当控制器接收到位置传感器反馈的各相定转子齿极相对位置的信号时，控制器进行判断处理。判断处理的原则如下：图中A相齿极轴线与转子1的轴线不重合的情况下，控制器发出驱动信号使A相绕组通电，其他相不通电，由于磁路总是沿着磁阻最小的路径形成电动机的磁路，A相齿极轴线与转子1的轴线会产生切向磁拉力，使转子发生转动，直至A相齿极轴线与转子1的轴线重合，切向磁拉力消失，转子停止转动。依次对定子绕组A-B-C-D相绕组通电，转子将处于连续旋转状态；改变定子绕组通电的相序，转子的转向将发生改变，这就是开关磁阻电动机的工作原理。

开关磁阻电动机可分为单凸极结构和双凸极结构。定子上装有多相励磁绕组，转子由硅钢片叠压压制而成且无励磁绕组或永磁体。典型开关磁阻电动机定转子如图1-15所示。

1.3.5 磁滞电动机

磁滞电动机是由交流电源供电、通过磁滞材料产生的磁滞力矩工作的一种同步电动机，其突出特点是能在起动转矩的作用下自动起动、在转速达到同步转速后电动机能稳定运行。

按照电源相数，磁滞电动机可分为三相、两相和单相电动机；按照定子结构，磁滞电动机可分为凸极式、爪极式、罩极式和隐极式电动机；按照转子结构，磁滞电动机可分为外转子和内转子结构，内外转子可分为杯形转子、叠片转子、实心转子、片绕转子和组合型转子。

磁滞电动机的工作原理图如图1-16所示。定子为二极永磁体，转子由实心磁滞材料构成。定子永磁体在转子周围产生恒定磁场，转子在恒定磁场的作用下被磁化，定转子磁场的轴线重合，如图1-16a所示，定转子磁场力沿着径向相互平衡，电动机不产生转矩。当定子永磁体转动一定角度时（见图1-16b），由于转子磁滞材料的磁滞作用使得转子磁化磁场仍然基本保持在原磁化方向，这样定子永磁体磁场和磁化后的转子磁场轴线不再重合，定转子间将产生电磁拉力，分解的切向电磁拉力使转子开始旋转，直至达到定子旋转磁场的同步转速为止。随着转子转速的增大，磁化频率逐渐减小，磁滞损耗也相应地降低，直到达到同步转速后磁化频率和磁滞损耗为零。

磁滞电动机的基本结构与实心转子感应电动机类似，由定子、转子和端盖等构成。定子结构与一般感应电动机类似；转子一般由磁滞层、轴套和转轴构成，磁性轴套由导磁性能良好的电工纯铁或低碳钢构成，非磁性材料由不导磁的材料构成。磁通穿过磁滞层的磁路如图1-17所示。

磁滞电动机的主要性能包括堵转转矩、牵入转矩、最大同步转矩、空载起动电压、起动时间、转速温度、机械特性曲线、工作特性曲线。

1.3.6 旋转变压器

旋转变压器是一种基于变压器原理的精密电磁感应元件，相对于普通静止变压器，它是一种运动型变压器，旋转变压器主要用作信号的检测和传递。旋转变压器在经过模-数转换器进行解码后，大量应用于有定位要求的高性能位置伺服系统中作精密传感元件，如高精度机床伺服系统、精密机器人伺服机构、新能源汽车电驱动系统及高性能武器装备伺服系统等。

按输出电压与转子转角的函数关系，旋转变压器分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器和特殊函数旋转变压器；按有无电刷和集电环集电装置分为接触式旋转变压器和无接触式旋转变压器；按极对数多少分为单对极旋转变压器和多对极旋转变压器；按用途分为用于解算装置的旋转变压器和用于控制系统作位置检测和数据传输用的旋转变压器；按原理分为磁阻式旋转变压器、绕线式旋转变压器、无刷绕线式旋转变压器。

旋转变压器的工作原理与普通变压器相似，普通变压器的一次和二次绕组相对固定、其输出电压和输入电压之比为常数，而旋转变压器可看作为一次绕组和二次绕组之间的电磁耦合随着转子转角变化而变化的变压器，输出电压与转子转角保持着某种函数的关系。旋转变压器及其相关信号示意图如图1-18所示。

旋转变压器的常用结构与一般两相绕组绕线转子异步电动机类似。旋转变压器的定转子铁心由冲片叠压而成，定转子嵌放有电磁绕组，或设计成开关磁阻的形式。磁阻式旋转变压器的结构与一般磁阻式电动机的结构类似，定子铁心布置有励磁绕组、输出绕组或补偿绕组，转子铁心上不带绕组。

旋转变压器的主要性能包括输入电压、输出电压、机械精度、输入阻抗、输出阻抗、剩压、相位移等。

唐为（上海）电机制造有限公司设计生产的TW74系列磁阻式旋转变压器的主要参数见表1-2。

1.3.7 超声波电动机

超声波电动机是利用压电材料（压电陶瓷）的逆压电效应而设计的一种新型电动机，工作时超声波电动机将电能转换为弹性体的超声振动，并通过摩擦传动的方式将超声振动转换成运动器件的转动或直线运动。一般情况下，振动频率为20kHz以上，因为这个频率段已经超出了人耳所能感知的声波范围，因此这类电动机被称为超声波电动机。

超声波电动机技术是振动学、声波学、摩擦学、动态设计、电力电子、自动控制、新材料和新工艺等学科综合的新技术。

按照运动方式，超声波电动机可分为直线型和旋转型电动机；按照机构方式，超声波电动机可分为行波型和驻波型电动机；按照转子运动的自由度，超声波电动机可分为单自由度电动机和多自由度电动机；按照弹性体和移动体的接触方式，超声波电动机可分为接触式和非接触式电动机。

超声波电动机由底座、压电材料、弹性体、转轴和机壳构成。典型的行波型超声波电动机运行原理如图1-19所示。电动机运行时，高频驱动电源给压电材料提供驱动信号，该驱动信号在压电材料中产生机械振动，驱动电源极性相互交替，在定转子之间会产生一定方向的振动波，在高频振动波的驱动下，定转子之间所产生的摩擦力驱动转子运动。

超声波电动机一般采用闭环控制。根据超声波电动机的传动原理，通常采用控制电压幅值、变频控制、相位差控制和正反脉宽调幅控制四种方式控制电动机的速度。由于响应速度快，易于实现低速起动，采用变频控制实现电动机调速的应用方案较多。超声波电动机变频调速控制系统原理框图如图1-20所示。

超声波电动机具有低速大转矩、电磁兼容性好、动态响应快、控制性能强、运行无噪声、断电自锁、微位移特性、环境适应性优等特点。超声波电动机广泛应用在航空航天、汽车制造、生物工程、仪器仪表等行业，例如用于照相机的自动调焦装置、具有振动报时功能和日历翻转用的手表、轿车门窗驱动器等。

1.3.8 自整角机

自整角机是一种将转角变换成电压信号或将电压信号转换成转角以实现角度数据的远距离传输、变换和指示的元件。通常情况下，自整角机所构成的伺服系统由两台或多台自整角机组合使用，一台自整角机实现将转角转换成电压信号或将电压信号转换成转角，另外一台或几台自整角机实现将电压信号转换成转角或将转角转换成电压信号，通过电路上的联系，使机械上相互不相连的两根或多根转轴自动地保持同步旋转。自整角机伺服系统的基本回路如图1-21所示。自整角机的基本机构与绕线型异步电动机相似，但其本质及作用原理不同。

按照电源相数，自整角机可分为单相自整角机和三相自整角机；按照工作原理，自整角机可分为力矩式自整角机和控制式自整角机；按照产品结构，自整角机可分为接触式自整角机和非接触式自整角机。

力矩式自整角机的主要性能指标包括零位电压、比整步转矩、阻尼时间；控制式自整角机的主要性能指标包括零位电压、比电压、输出相位移、静态误差。

1.3.9 无刷直流电动机

无刷直流电动机是随着半导体电子技术发展而出现的新型机电一体化电动机，是现代电子技术、微电子技术、控制理论和电机技术相结合的产物。

有刷直流电动机通过电刷、换向器使转动的电枢绕组与电源连接，实现电源的“整流”和“逆变”的功能。由于有刷直流电动机存在换向器的摩擦损耗、精度低、噪声大、换向过程会产生电火花危害和电磁兼容干扰无可避免等弱点，随着电力电子技术和永磁材料的普及和发展，替代有刷电动机的新型无刷直流电动机应运而生。

无刷直流电动机是采用半导体开关器件来实现电子换向的，由电动机本体、电子转换电路和位置传感器构成，其换向模式分为方波驱动和正弦波驱动。“换向功能”由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。无刷直流电动机原理图如图1-22所示。

位置传感器按转子位置的变化沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流，即：检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，霍尔元件、磁敏二极管、磁敏电阻器或专用集成电路等磁敏传感器件安装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管，转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会产生一定频率的脉冲信号。采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等电磁传感器部件，当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产生幅值随转子位置而变化的高频调制信号。

无刷直流电动机的控制方法主要有三种，分别为最简控制方式、调压控制方式和电流滞环PWM控制方式。其中电流滞环PWM控制方式是目前应用最多的一种，该方式直接控制电动机的相电流，因此相比最简控制方式和调压控制方式的控制方式性能更好，能较好地抑制电流的脉动。

1.3.10 电动汽车驱动电动机

电动汽车系统由电池、驱动电机系统、汽车底盘、制动系统、操作控制器等构成，其中驱动电机系统由驱动电动机和驱动电机控制器构成，典型电动汽车系统如图1-23所示。

电动汽车最早采用直流电机系统，其特点是控制器成本低、控制简单，但重量大、需定期维护。随着电力电子技术及自动控制技术的发展，异步电机及永磁电机等交流电机系统体现出比直流电机系统更加优越的性能，目前已逐步取代了直流电机系统。借助于设计方法、开发工具及永磁材料的不断进步，用于驱动的永磁同步电动机也得到了飞速的发展。

电动汽车系统对驱动电机系统的要求至少包括以下六个方面。

1）成本：要求电动汽车系统的价格和内燃机系统的价格水平相同。

2）性能：起动转矩大、恒功率范围宽、瞬时功率大、过载能力强、加速性能好。

3）调速范围广：调速范围包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区、要求低速运行时具有大转矩以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区要求低转矩时具有较高的转速，以满足汽车在平坦的路面上能保持高速行驶的要求。同时要求在整个运行范围内具有较高的效率以提高一次充电的行驶里程。

4）最优的能量利用率：在最轻重量的条件下，具有最优的电气和机械效率。

5）安全可靠性强：满足车辆的各种工况，比如高低温环境、剧烈的振动等。

6）重量轻、尺寸小、便于安装。

电动汽车中常用的交流电动机主要有异步、永磁、开关磁阻三大类型，直流无刷电动机和各交流电动机的特点见表1-3。异步电动机主要应用在纯电动汽车中，永磁同步电动机主要应用在混合动力汽车中，开关磁阻电动机目前主要应用在客车中。

电动汽车用驱动电机系统与普通工业用驱动电机系统及通用变频器不同，电动汽车用驱动电机系统的特点是高性能、高功率密度、高可靠性，低成本、低污染和良好的环境适应性，两者之间的差别见表1-4。

其中，永磁同步电动机是目前电动汽车驱动的一种主力机型。正弦波永磁同步电动机是一款永磁电机典型应用的机型，其基本组成框图如图1-24所示。

电动汽车驱动电动机的主要性能包括转矩转速特性、效率、关键特征参数、控制精度、响应时间、驱动电机控制器工作电流、馈电特性、环境适应性和可靠性等。

1.4 控制电机标准体系概况

控制电机是一种特殊类型的电机，其标准体系与通用电机标准体系存在一定的关联性。因此在介绍控制电机标准体系之前，需要首先介绍通用电机的标准体系。

通用电机的标准逻辑关系从电机的通用要求出发，逐步引申至产品大类的通用要求，最后确定为专业产品要求。与电机有关的通用要求包括电机的术语、型号编制方法、IC代码定义、IM代码定义、IP代码定义、数据处理和表示方法、定额及性能要求等；产品大类通用标准通常包括通用技术标准、通用安全要求、试验方法和通用限值要求等。还有一类标准构成了电机专用标准的基础，这些标准包括气候适应性要求、机械适应性要求、电磁兼容性要求、安全适应性要求和软件适用性要求。电机标准的逻辑关系如图1-25所示。

专用产品的要求通常以“XX产品技术条件”为表现形式，技术条件通常明确电机的型式、基本参数与尺寸、技术要求、检验规则、电机的标志、包装及保用期等要求。

控制电机的种类较多、技术更新较快，目前控制电机的产品类标准绝大多数为通用技术条件要求标准，常用的控制电机现行有效的标准见表1-5。

1.5 控制电机电磁兼容技术概况

总结本书所列的十大类控制电机的原理，可以发现这样一个普遍规律：控制电机一般由驱动控制器和电机本体两部分构成；如果由交流电源供电，主电路一般经过整流、滤波和逆变电路后直接给电机本体供电，整流逆变电路由脉宽调制电路（PWM）驱动以实现供电电源频率或驱动信号的调节。如果由直流电源供电，则主电路一般经过滤波和逆变电路后直接给电机本体供电。为了实现控制电机的反馈和保护功能，通常将反馈信号和保护信号集成在驱动控制器上，控制电机的典型原理框图如图1-26所示。

结合电磁兼容理论，并将控制电机的典型原理框图进行进一步的细化，得到图1-27所示的控制电机的电磁兼容性框图。在供电电源与控制器及控制器与电机本体连接的电源线上，通常存在谐波电流、传导骚扰、骚扰功率、传导耦合/瞬态抗扰度和传导抗扰度等电磁兼容问题；在控制器与上位机连接的通信线上，通常存在谐波电流、传导骚扰、传导抗扰度、骚扰功率和静电、脉冲群、雷击等抗扰度的问题；在控制器与空间内其他设备之间，通常存在辐射骚扰和射频场辐射抗扰度的问题；另外，控制器还需要达到静电放电、脉冲群、雷击等抗扰度指标的要求。