驱动电机是电动汽车驱动系统的核心部件，其性能好坏直接影响电动汽车驱动系统的性能。驱动电机一般有直流电机、交流电机、永磁电机和开关磁阻电机四种。由于直流电机在电动车上的应用较少，主要介绍永磁同步电机、交流异步电机、开关磁阻电机三种电机及其控制技术。
电动汽车电机一.永磁同步电机及其控制技术；永磁同步电机具有高效、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低振动噪声的特点，通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能。它在电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，受到国内外电动汽车界的高度重视，是最具竞争力的电动汽车驱动电机系统之一。
永磁同步电机分为正弦波驱动电流的永磁同步电机和方波驱动电流的永磁同步电机两种。这里以三相正弦波驱动的永磁同步电机为例，阐述永磁同步电机的结构与特点。
永磁同步电机的结构和传统电机样，它主要由定子和转子两大部分构成。定子与普通异步电机的定子基本相同，由电枢铁心和电枢绕组构成。电枢铁心一般采用0.5mm硅钢冲片叠压而成，对于具有高效率指标或频率较高的电机，为了减少铁耗，可以考虑使用0.35mm的低损耗冷轧无取向硅钢片。电枢绕组则普遍采用分布短距绕组；对于极数较多的电机，则普遍采用分数槽绕组；需要进一步改善电动势波形时，也可以考虑采用正弦绕组或其他特殊绕组。
转子主要由永磁体、转子铁心和转轴等构成。其中永磁体主要采用铁氧体永磁和钕铁硼永磁材料；转子铁心可根据磁极结构的不同，选用实心钢，或采用钢板、硅钢片冲制后叠压而成。与普通电机相比，永磁同步电机还必须装有转子永磁体位置检测器，用来检测磁极位置，并以此对电枢电流进行控制，达到对永磁同步电机驱动控制的目的。
根据永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电机的磁极结构可分为表面式和内置式两种。
(1)表面式转子磁路结构：在表面式转子磁路结构中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，永磁体提供磁通的方向为径向。表面式结构又分为凸出式和嵌入式两种，对采用稀土永磁材料的电机来说，因为永磁材料的相对回复磁导率接近，所以表面凸出式转子在电磁性能上属于隐极转子结构；而嵌入式转子的相邻两永磁磁极间有着磁导率很大的铁磁材料，故在电磁性能上属于凸极转子结构。
(2)内置式转子磁路结构：内置式转子磁路结构的永磁体位于转子内部，水磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴。极靴中可以放置铸铝笼或铜条笼，有阻尼或起动作用，动态和稳态性能好，广泛用于要求有异步起动能力或动态性能高的永磁同步电机。内置式转子内的永磁体受到极靴的保护，其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩也有助于提高电机的过载能力或功率密度，而且易于弱磁扩速。
按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式转子磁路结构可分为经向式、切向式和混合式三
种。
径向式转子结构的永磁同步电机的磁钢或放在磁通轴的非对称位置上，或同时利用径向和切向充磁的磁钢以产生高磁通密度。该结构的优点是漏磁系数小，转轴上不需要采取隔磁措施，极弧系数易于控制。转子冲片机械强度高，安装永磁体后转子不易变形等。
切向式转子结构的转子有较大的惯性，漏磁系数较大，制造工艺和成本较径向式有所增加。其优点是一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可得到更大的每极磁通。尤其当电机极数较多、径向式结构不能提供足够的每极磁通时，这种结构的优势就显得更为突出。此外，采用该结构的永磁同步电机的磁阻转矩可占到总电磁转矩的40％，对提高电机的功率密度和扩展恒功率运行范围都是很有利的。
混合式转子结构集中了径向式转子结构和切向式转子结构的优点，但结构和制造工艺都比较复杂，制造成本也比较高。
永磁同步电机的特点：永磁同步电机与其他电机相比，具有以下优点：
（1）用永磁体取代绕线式同步电机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圏、集电环和电刷，以电子换相实现无刷运行，结构简单，运行可靠。
（2）永磁同步电机的转速与电源频率间始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能控制电机的转速。
（3）水磁同步电机具有较硬的机械特性，对于因负载变化而引起的电机转矩的扰动具有较强的承受能力，瞬间最大转矩可以达到额定转矩的3倍以上，适合在负载转矩变化较大的工况下运行，适合电动汽车的启动加速。
（4）永磁同步电机转子为水久磁铁，无须励磁，因此电机可以在很低的转速下保持同步运行，调速范围宽。
（5）永磁同步电机与异步电机相比，不需要无功励磁电流，因而功率因数高，定子电流和定子铜耗小，效率高。
（6）体积小、质量小。近些年来随着高性能永磁材料的不断应用，永磁同步电机的功率密度得到很大提高，与同容量的异步电机相比，体积和质量都有较大的减小，适合电动汽车空间有限的特点。
（7）结构多样化，应用范围广。永磁同步电机由于转子结构的多样化，产生了特点和性能各异的许多品种，从工业到农业，从民用到国防，从日常生活到航空航天，从简单电动工具到高科技产品，几乎无所不在。
永磁同步电机还存在以下缺点
（1）由于永磁同步电机转子为永磁体，无法调节，必须通过加定子直轴去磁电流分量来削弱磁场，这会增大定子的电流，增加电机的铜耗。
（2）永磁同步电机的磁钢价格较高。
永磁电机体积小、质量小、转动惯量小、功率密度高，适合电动汽车空间有限的特点需要。另外它过载能力强，尤其低转速时输出转矩大，适合电动汽车的起动加速。因此永磁同步电机得到国内外电动汽车界的广泛重视，并得到了普遍应用。
永磁同步电机的工作原理与运行特性
1.电枢反应：永磁同步电机带负载时，气隙磁场是永磁体磁动势和电枢磁动势共同建立的。电枢磁动势对气隙磁场有影响，电枢磁动势的基波对气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应不仅使气隙磁场波形发生畸变，而且还会产生去磁或增磁作用。因此，气隙磁场将影响永磁同步电机的运行特性。
对永磁同步电机进行分析时，需要采用双反应理论，即需要把电枢电流和电枢电动势分解成交轴和直轴两个分量。交轴电枢电流产生交轴电枢电动势，发生交轴电枢反应；直轴电枢电流产生直轴电枢电动势，发生直轴电枢反应。
2.永磁同步电机的运行特性：永磁同步电机的运行特性主要包括机械特性和工作特性
永磁同步电机稳态正常运行时，转速始终保持同步转速不变。因此，其机械特性为平行于横轴的直线，调节电源频率来调节电机转速时，转速将严格地与频率成正比例变化。
永磁同步电机的工作特性是指当电源电压恒定时，电机的输入功率、电枢电流、效率、功率因数等随输出功率变化的关系。在正常工作范围内，永磁同步电机的功率因数比较平稳，效率特性也保持较高水平。电机的输入功率和电枢电流近似与输出功率成正比。
永磁同步电机的控制
为了提高永磁同步电机控制系统性能，使其具有更快的响应速度、更高的转速精度及更宽的调速范围，使其动态、静态响应能够与直流电机系统相媲美，人们提出了各种新型控制策略用于永磁同步电机控制。
1.恒压频比开环控制，恒压频比开环控制的控制变量为电机的外部变量(即电压和频率)。控制系统将参考电压和频率输入实现控制策略的调制器中，最后由逆变器产生一个交变的正弦电压施加在电机的定子绕组上，使之运行在指定的电压和参考频率下。按照这种控制策略进行控制，使供电电压的基波幅值随着速度指令成比例地线性增长，从而保持定子磁通的近似恒定。这种控制策略简单、易于实现，转速通过电源频率进行控制，不存在异步电机的转差和转差补偿问题。但同时，由于系统中不引入速度、位置等反馈信号，因此无法实时捕捉电机状态，致使无法精确控制电磁转矩、在突加负载或者速度指令时，
容易发生失步现象；也没有快速的动态响应特性。
2.失量控制，矢量控制理论的基本思想：以转子磁链旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的两个分量：一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量；另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量。分别对其进行控制，获得与直流电机一样良好的动态特性。矢量控制因其控制结构简单，控制软件实现较容易，已被广泛应用到调速系统中。
永磁同步电机矢量控制策略与异歩电机矢量控制策略有些不同。由于永磁同步电机转速和电源频率严格同步，其转子转速等于旋转磁场转速，转差值恒等于零，没有转差功率，控制效果受转子参数影响小。因此，在永磁同步电机上更容易实现矢量控制。
3.智能控制，为了提高永磁同步电机的控制性能和控制精度，模糊控制、神经网络控制等开始应用于同步电机的控制。采用智能控制方法的永磁同步电机控制系统，在多环控制结构中，智能控制器处于最
外环充当速度控制器，而内环电流控制、转矩控制仍采用PI控制、直接转矩控制这些方法。这主要是因为外环是决定系统的根本因素，而内环的主要作用是改造对象特性以利于外环的控制，各种扰动给内环带来的误差可以由外环控制或抑制。
在永磁同步电机系统中应用智能控制时，也不能完全摒弃传统的控制方法，必须将两者很好地结合起来，才能彼此取长补短，使系统的性能达到最优。
二.交流异步电机及其控制技术：异步电机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现电能转换为机械能的一种交流电机。
异步电机的种类很多，最常见的分类方法是按转子结构和定子绕组相数分类。按照转子结构来分，有笼型异步电机和绕线转子异步电机；按照定子绕组相数来分，有单相异步电机、两相异步电机和三相异步电机。异步电机是各类电机中应用最广、需求量最大的一种电机。在电动汽车中，主要使用笼型异步电机。下面介绍的异步电机就是指三相笼型异步电机。
交流异步电机的结构与特点，交流异步电机主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成，定子和转子之间存在气隙。此外，还有端盖、轴承、机座和风扇等部件。
(1)定子，交流异步电机的定子由定子铁心、定子绕组和机座构成。定子铁心是电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。定子铁心一般由0.35～0.5mm厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。定子铁心槽型有半闭口型槽、半开口型槽和开口型槽三种。定子绕组是电机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。定子绕组由三个在空间互隔120度电角度、对称排列的结构完全相同的绕组连接而成。这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。机座主要用于固定定子铁心与前后端盖，以支撑转子，并起防护、散热等作用。机座通常为铸铁件，大型交流异步电机机座一般用钢板焊成，微型电机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散
热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电机内外的空气可直接对流，以利于散热。
(2)转子，交流异步电机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心也是电机磁路的一部分，并在铁心槽内放置转子绕组。转子铁心所用材料与定子一样，由0.5mm厚的硅钢片冲制叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型交流异步电机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型交流异步电机的转子铁心则借助于转子支架压在转轴上。转子绕组是转子的电路部分，其作用是切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电机旋转。转子绕组分为笼型转子和绕线式转子两种。转轴用于固定和支撑转子铁心，并输出机械功率。转轴材料一般用中碳钢。
(3)气隙，交流异步电机定子与转子之间有一个小的间隙，称为电机气隙。气隙的大小对交流异步电机的运行性能有很大影响。中小型交流异步电机的气隙一般为0.2～2mm：功率越大，转速越高，气隙尺寸就越大。
交流异步电机的特点：交流异步电机的基本特点：转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其他电机相比，交流异步电机的结构简单、维护方便、运行可靠、质量小、成本低。以三相交流异步电机为例，与同功率、同转速的直流电机相比，前者质量只及后者的1/2，成本仅为1/3。
交流异步电机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。
交流异步电机的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率，因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合，不如直流电机经济、方便。此外，交流异步电机运行时，从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。因此，在大功率、低转速场合不如用同步电机合理。
交流异步电机的工作原理与运行特性：当交流异步电机的三相定子绕组通入三相交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电动势，电动势的方向由右手定则来确定。由于转子绕组是闭合通路，转子中便有电流产生，电流方向与电动势方向相同。而载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定，由电磁力进而产生电磁转矩驱动电机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。
交流异步电机的转子转速不等于定子旋转磁场的同步转速，这是交流异步电机的主要特点。如果电机转子轴上带有机械负载，则负载被电磁转矩拖动而旋转。当负载发生变化时，转子转速也随之发生变
化，使转子导体中的电动势、电流和电磁转矩发生相应变化，以适应负载需要。因此，交流异步电机的转速是随负载变化而变化的。
交流异步电机的转子转速与定子旋转磁场的同步转速之间存在转速差，它的大小决定着转子电动势及其频率的大小，直接影响交流异步电机的工作状态。通常将转速差与同步转速的比值用转差率表示，转差率是交流异步电机运行时的一个重要物理量。
交流异步电机的运行特性包括工作特性和机械特性。
1. 交流异步电机的工作特性是指电机在保持额定电压和额定频率不变的情况下，电机的转速、电磁转矩、定子电流、效率和功率因数随输出功率变化的特性。工作特性是交流异步电机的重要特性。转速特性和电磁转矩特性关系到电机与机械负载匹配的合理性；定子电流特性可以表明电机的发热情况，关系到电机运行的可靠性和使用寿命；效率特性和功率因数特性关系到电机运行的经济性。
2.交流异步电机的机械特性是指电机在恒定电压和恒定频率的情况下，电机的转速与转矩之间的关系，是电机的重要特性。机械特性曲线一般包括交流异步电机的起动转矩，起动过程的最小转矩、最大转矩、额定转矩、同步转速、额定转速等重要技术数据，以及电机转速随转矩变化的情况。
交流异步电机的机械特性分为自然机械特性和人为机械特性。在电源电压和电源频率恒定，且定子、转子回路不接入任何附加设备情况下的机械特性称为自然机械特性。电源电压、电源频率、电机极对数、定子或转子回路接入其他附属设备等，这些条件中任意一项改变得到的机械特性称为人为机械特性。
交流异步电机的控制，交流异步电机是一个多变量系统，其中变量电压、电流、频率、磁通、转速之间又相互影响，所以是强耦合的多变量系统。对这样一个非线性、多变量、强耦合的复杂系统进行有效控制，成为研究的重点。把经典理论与现代控制理论相结合，已经形成了诸多有效的控制策略与方法。目前对交流异步电机的调速控制主要有恒压频比开环控制、转差控制、矢量控制以及直接转矩控制等。
1.恒压频比开环控制实际上只控制了电机磁通而没有控制电机的转矩，采用这样的控制系统对异步电机来讲根本谈不上控制性能，通常只用于对调速性能要求一般的通用变频器上。
2.转差控制根据交流异步电机电磁转矩和转差频率的关系来直接控制电机的转矩，可以在一定的转差频率范围内、一定程度上通过调节转差来控制电机的电磁转矩，从而改善调速系统的控制性能，但其控制理论是建立在交流异步电机的稳态数学模型基础上的，它适合于电机转速变化缓慢或者对动态性能要求不高的场合。
3.矢量控制，矢量控制理论采用矢量分析的方法来分析交流电机内部的电磁过程，是建立在交流电机的动态数学模型基础上的控制方法。它模仿直流电机的控制技术，将交流电机的定子电流解耦成互相独立的产生磁链的分量和产生转矩的分量。分别控制这两个分量就可以实现对交流电机的磁链控制和转矩控制的完全解耦，从而达到理想的动态性能。
交流异步电机的矢量控制是基于磁场定向的方法，其调速控制系统的方式比较复杂，常用的控制策略有
以下四种。
(1)转子磁场定向矢量控制原理，交流电机的转矩与定子、转子旋转磁场及其夹角有关，要控制好转矩，必须精确检测和控制磁通。电机转子上建立一个坐标系，此坐标系与转子同步转动，转子磁场方向为d轴，垂直于转子磁场方向为q轴，在这种控制方式中，检测出定子电流的d轴分量，就可以观测出转子磁链的幅值，当转子磁链恒定时，电磁转矩和电流的q轴分量成正比。忽略反电动势引起的交叉耦合，可以由电压方程d轴分量控制转子磁通，q轴分量控制转矩，目前大多数变频系统使用此种控制方法，它实现了系统的完全解耦，但是其最大的缺点是转子磁通的观测受转子时间常数的影响
(2)转差率矢量控制原理，如果使电机的定子、转子或气隙磁场中的任何一个保持不变，电机的转矩就主要由转差率决定。因此，此方法主要考虑转子磁通的稳态方程式，从转子磁通直接得到定子电流d 轴分量，通过对定子电流的有效控制，形成了转差矢量控制，避免了磁通的闭环控制，不需要实际计算转子的磁链，用转差率和测量的转速相加后积分来计算磁通相对于定子的位置，此种方法主要应用在低速系统中，而且系统性能同样受转子参数变化的影响。
(3)气隙磁场定向矢量控制原理，除了转子磁场的定向控制以外，还有一些控制系统使用的是气隙磁场的定向控制，此种方法比转子磁通的控制方式复杂，但它利用了气隙磁通易于观测的优点，保持气隙磁通的恒定，从而使转矩与q轴电流成正比，直接对q轴电流控制，达到控制电机的目的。
(4)定子磁场定向矢量控制原理，由于转子磁通的检测容易受电机参数的影响。气隙磁通的检测需要附加一些额外的检测器件等，国内外兴起了定子磁场的定向矢量控制方法。此种方法是通过保持定子磁
通不变，控制与转矩成正比的q轴电流，从而控制电机。但是，此种方法和气隙磁场定向的矢量控制一样，需要对电流进行解耦，而且以定子电压作为被测量，容易受到电机转速的影响。
4.交流异步电机的直接转矩控制，直接转矩控制是将电机输出转矩作为直接控制对象，通过控制定子磁场矢量控制电机转速。它不需要复杂的坐标变换，也不需要依赖转子数学模型，只是通过控制PWM型逆变器的导通和切换方式，控制电机的瞬时输入电压，改变磁链的旋转速度来控制瞬时转矩，使系统性能对转子参数呈现鲁棒性，这种方法已被推广到弱磁调速范围。逆变器的PWM采用电压空间矢量控制方式，性能优越，但同时不可避免地产生了转矩脉动、调速性能降低的问题。此外，该方法对逆变器开关频率提高的限制较大，定子电阻对电机低速性能也有较大影响，如在低速区，定子电阻的变化会引起定子电流和磁链的畸变，以及转矩脉动、死区效应和开关频率等问题。
三.开关磁阻电机及其控制技术，开关磁阻电机是继直流电机和交流电机之后，又一种极具发展潜力的新型电机。
开关磁阻电机的结构与特点
1.开关磁阻电机的结构，开关磁阻电机由双凸极的定子和转子组成，其定子、转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成。定子极上绕有集中绕组，把沿径向相对的两个绕组串联成一个两级磁极，称为“一相”；转子既无绕组又无永磁体，仅由硅钢片叠成。开关磁阻电机有多种不同的相数结构，如单相、两相、四相及多相等，且定子和转子的极数有多种不同的搭配。低于三相的开关磁阻电机一般没有自起动能力。相数多有利于减小转矩脉动，但结构复杂，主开关器件多，成本增高。
2.开关磁阻电机的特点，开关磁阻电机与其他电机相比，具有以下优点:
（1）可控参数多，调速性能好。可控参数有主开关开通角、主开关关断角、相电流幅值、直流电源电压，控制方便，可四象限运行，容易实现正转、反转和电动、制动等特定的调节控制。
（2）结构简单，成本低。开关磁阻电机转子无绕组，也不加永久磁铁，定子为集中绕组，比传统的直流电机、永磁电机及异步电机都简单，制造和维护方便，它的功率变换器比较简单，主开关元件数较少，电子器件少，成本低。
（3）损耗小，运转效率高。开关磁阻电机的转子不存在励磁及转差损耗，功率变换器元器件少，相应的损耗也小；控制灵活，易于在很宽转速范围内实现高效节能控制。
（4）起动转矩大，起动电流小。在15％额定电流的情况下就能达到100％的起动转矩。
但是，由子开关磁阻电机的特殊结构和工作方式，也存在如下一些缺点:
（1）转矩脉动现象较严重。
（2）振动和噪声相对较大，特别是在负载运行的时候。
（3）电机的出线头相对较多，还有位置检测器出线端。
（4）电机的数学模型比较复杂，其准确的数学模型较难建立。的
（5）控制复杂，依赖于电机的结构。
开关磁阻电机的工作原理与运行特性
1.开关磁阻电机的工作原理，电机的定子和转子呈凸极形状，极数互不相等，转子由叠片构成，转子带有位置检测器以提供转子位置信号，使定子绕组按一定的顺序通断，保持电机的连续运行。
开关磁阻电机的磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化。因为电感与磁阻成反比，所以当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大；当转子磁极中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。因为开关磁阻电机的运行原理遵循“磁阻最小原理”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，所以具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必须使自己的主轴线与磁场的轴线重合。
2.开关磁阻电机的运行特性，开关磁阻电机的运行特性可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区和串励特性区。开关磁阻电机一般运行在恒转矩区和恒功率区。在这两个区域内，电机的实际运行特性可控。通过控制条件，可以实现任意实际运行特性。在恒转矩区，电机转速较低，电机反电动势小，因此需采用电流斩波控制方式。在恒功率区，旋转电动势较大，开关器件导通的时间较短，因此电流较小。当外加电压和开关角一定的条件下，随着角速度的增加，转矩急剧下降，此时可采用角度位置控制方式，通过按比例增大导通角来补偿，延缓转矩的下降速度。在串励特性区，电机的可控条件都已达极限。电机的运行特性不再可控，电机呈现自然串励运行特性，电机一般不运行在此区域。
开关磁阻电机的控制，开关磁阻电机不同于常规的异步电机，因其自身结构的特殊性，既可以通过控制电机自身的参数来实现，也可以用适用于其他电机上的控制理论，如PID控制、模糊控制等，对功
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