汽车驱动电机原理与控制

动力系统电动化是汽车技术发展的必然趋势，是提高汽车能量转换效率、降低排放的重要途径。驱动电机系统是实现动力系统电动化的物质基础，驱动电机系统的存在是电动汽车区别于传统内燃机汽车的重要标志。
作为电动汽车的核心部件，驱动电机系统的性能对整车的动力性、经济性、可靠性、安全性、稳定性、舒适性等产生直接而重要的影响，驱动电机系统相关技术是现代汽车领域的核心技术。
尽管经过多年的快速发展，汽车驱动电机系统相关技术仍是国内外广大学者和科技人员关注的热点。随着整车对驱动电机系统的工作效率、功率密度、控制精度、环境适应性等提出更高的要求，许多新技术、新理论、新材料不断地在驱动电机系统中得到应用。汽车驱动电机与控制已经成为集电机学、现代电力电子学、计算机科学、电工学、电子学、汽车构造与原理、控制理论等于一体的新兴学科。
为便于高等院校相关专业本科生和研究生及时了解和掌握汽车驱动电机相关技术的发展状况和最新研究成果，同时也为科研院所、汽车企业研发机构的相关技术人员提供参考，作者借助多年教学经验和科研工作的积累，在充分吸收近年来国内外汽车驱动电机及其控制技术最新成果的基础上，根据自己对相关知识的理解和体会，编写了本书。
作者在编写过程中力求体现内容体系的完整性，聚焦知识的交叉性与前沿性，注重理论的实践性。全书共分12章。第1章为绪论，介绍汽车驱动电机系统的构成、发展历程、驱动形式、性能要求和发展趋势； 第2章介绍汽车驱动电机工作原理基础知识； 第3章介绍汽车驱动电机数字化控制基础知识； 第4章介绍直流电机原理与控制； 第5章介绍无刷直流电机原理与控制； 第6章介绍永磁同步电机原理与控制； 第7章介绍交流感应电机原理与控制； 第8章介绍开关磁阻电机原理与控制； 第9章介绍汽车新型驱动电机原理与控制； 第10章介绍汽车电机驱动系统的构型与集成技术； 第11章介绍汽车驱动电机的基本设计方法； 第12章介绍汽车驱动电机系统的测试与评价方法。各章均选编了思考题，以便于读者对相关内容加深理解。
全书由清华大学高大威负责审定、修改、补充和定稿，同时负责编写第1~8章、第12章内容； 南京航空航天大学张卓然负责编写第9章内容； 清华大学田光宇负责编写第10章主要内容； 东南大学樊英负责编写第11章内容并参与编写了第10章部分内容。
本书在编写过程中得到了清华大学车辆与运载学院众多老师及欧阳明高院士率领的新能源汽车研究团队的大力支持，作者所在清华大学汽车电力电子与电机驱动课题组的研究生参与了本书部分文字和图形的校对工作，在此向他们表示衷心的感谢。
本书所用参考文献及其贡献均在文中标注，在此对所有参考文献的作者表示诚挚的谢意。
本书可作为高等院校车辆工程、机械工程、电气工程、交通运输等专业本科生和研究生的教材或参考书，也可作为相关科研机构和汽车行业技术人员的参考书。
由于编写时间较短、相关资料不足和编者水平有限，本书难免存在许多不足之处，恳请广大读者批评指正，并将意见和建议反馈，以便进一步修订和完善。

高大威2021年9月于清华园

本书系统地介绍了电动汽车驱动电机系统组成、工作原理、控制方法、实际应用中的技术问题以及相关技术的发展趋势等。本书内容包括：电动汽车驱动电机在动力系统中的地位和作用；驱动电机的机电转换原理；电动汽车直流电机、直流无刷电机、交流感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机的基本构造、工作原理；电动汽车电机数学模型与控制理论；电动汽车电机控制系统的硬件构成、控制算法的软件实现；电动汽车电机系统试验方法等。

高大威，清华大学汽车工程系副研究员，工学博士。长期致力于汽车驱动电机原理与控制的教学和科研工作。具体研究方向为：电动汽车电机驱动控制技术。

第1章绪论

1.1概述

1.1.1汽车驱动电机系统的构成

1.1.2汽车驱动电机系统的发展历程

1.1.3汽车驱动电机系统的驱动形式

1.2车辆对驱动电机系统的性能要求

1.3汽车驱动电机系统的发展趋势

思考题

参考文献

第2章汽车驱动电机原理基础

2.1磁路与铁磁材料

2.1.1磁路的相关术语

2.1.2铁磁材料及其特性

2.1.3电机的铁心损耗

2.2机电能量转换过程的能量关系

2.2.1机电能量转换路径

2.2.2耦合场中的能量

2.3旋转电机的转矩

2.3.1单相磁阻电机的转矩

2.3.2双绕组电机的转矩

2.4本章小结

思考题

参考文献

第3章汽车驱动电机数字化控制基础

3.1汽车驱动电机数字化控制概述

3.2汽车驱动电机控制器的硬件基础

3.2.1电力电子器件的原理与特性

3.2.2电力电子器件的驱动与保护

3.2.3驱动电机控制器中的直流侧电容器

3.2.4驱动电机控制器中的微处理器

3.2.5信号检测与传感器

3.3电压型逆变电路与脉宽调制技术

3.3.1电压型逆变器主电路结构

3.3.2三相电压型逆变电路的正弦脉宽调制

3.3.3三相电压型逆变电路的空间矢量脉宽调制

3.4驱动电机绕组电流控制方法

3.4.1电机绕组电流滞环跟踪PWM控制

3.4.2电机绕组电流的PI控制

3.5数字化驱动电机控制器的集成

3.5.1驱动电机控制器的结构

3.5.2驱动电机控制器的热管理

3.5.3驱动电机控制器的电磁兼容

3.6本章小结

思考题

参考文献

第4章直流电机原理与控制

4.1直流电机概述

4.2直流电机结构

4.2.1直流电机的基本结构

4.2.2直流电机的直轴与交轴

4.2.3直流电机的励磁方式

4.2.4直流电机的转子绕组

4.3直流电机基本工作原理

4.4直流电机基本关系式与数学模型

4.4.1电枢绕组的感应电动势

4.4.2直流电机的电磁转矩

4.4.3直流电机的数学模型

4.5直流电机控制

4.5.1直流电机的稳态分析

4.5.2直流电机的暂态分析

4.5.3直流电机控制器主电路拓扑结构

4.5.4直流电机的机械特性

4.6直流电机系统损耗与效率

4.7本章小结

思考题

参考文献

第5章无刷直流电机原理与控制

5.1无刷直流电机概述

5.2无刷直流电机结构

5.2.1无刷直流电机的基本结构

5.2.2无刷直流电机的分数槽集中绕组

5.2.3无刷直流电机永磁体的布置与磁化

5.3无刷直流电机基本工作原理

5.4无刷直流电机基本关系式与数学模型

5.4.1定子绕组的感应电动势

5.4.2无刷直流电机的转矩

5.4.3无刷直流电机的等效电路和数学模型

5.5无刷直流电机控制

5.5.1无刷直流电机控制器的主电路拓扑结构

5.5.2无刷直流电机的稳态和暂态分析

5.5.3无刷直流电机的转矩控制

5.5.4无刷直流电机的机械特性

5.6无刷直流电机转矩脉动

5.6.1无刷直流电机的齿槽转矩

5.6.2换相过程中的转矩脉动

5.7无刷直流电机损耗

5.8本章小结

思考题

参考文献

第6章永磁同步电机原理与控制

6.1永磁同步电机概述

6.2永磁同步电机结构

6.2.1永磁同步电机的基本结构

6.2.2永磁同步电机的定子绕组

6.2.3永磁同步电机的转子结构

6.3永磁同步电机基本工作原理

6.3.1三相定子绕组的反电动势

6.3.2三相定子绕组电流产生的旋转磁场

6.3.3永磁同步电机的转矩

6.4永磁同步电机基本关系式与数学模型

6.4.1空间矢量

6.4.2永磁同步电机的数学模型

6.5永磁同步电机矢量控制

6.5.1永磁同步电机矢量控制步骤

6.5.2永磁同步电机机械特性分析

6.5.3永磁同步电机控制策略

6.6永磁同步电机损耗

6.7永磁同步电机转子位置和转速的估计

6.7.1转子位置和转速的开环估计

6.7.2基于扩展反电动势的估计

6.7.3基于扩展卡尔曼滤波器的估计

6.7.4基于模型参考自适应系统的估计

6.7.5基于高频信号注入的估计

6.8永磁同步电机转子直接转矩控制

6.8.1永磁同步电机直接转矩控制基本原理

6.8.2永磁同步电机磁链和转矩的估算和观测

6.8.3永磁同步电机直接转矩控制系统

6.9本章小结

思考题

参考文献

第7章交流感应电机原理与控制

7.1交流感应电机概述

7.2交流感应电机结构

7.3交流感应电机基本工作原理

7.3.1笼型交流感应电机的转子绕组相数

7.3.2交流感应电机的同步转速与转差率

7.3.3交流感应电机的电磁关系

7.3.4交流感应电机的运行特性

7.4交流感应电机数学模型

7.4.1ABC参考坐标系下的交流感应电机数学模型

7.4.2αβ参考坐标系下的交流感应电机数学模型

7.4.3dq参考坐标系下的交流感应电机数学模型

7.5交流感应电机矢量控制

7.5.1交流感应电机的转子磁场定向矢量控制

7.5.2交流感应电机的定子磁场定向矢量控制

7.5.3交流感应电机的气隙磁场定向矢量控制

7.6交流感应电机机械特性分析

7.6.1交流感应电机工作过程中的电气约束

7.6.2交流感应电机的运行区域

7.7交流感应电机弱磁区控制

7.7.1交流感应电机的1/ωr控制策略

7.7.2交流感应电机基于u*s控制的控制策略

7.8交流感应电机转速和转子位置估计

7.8.1电机转速和转子位置的开环估计

7.8.2基于扩展卡尔曼滤波器的估计

7.8.3基于模型参考自适应系统的估计

7.8.4基于高频信号注入的估计

7.9交流感应电机直接转矩控制

7.9.1交流感应电机直接转矩控制的基本原理

7.9.2交流感应电机磁链和转矩的估算和观测

7.9.3交流感应电机的直接转矩控制系统

7.10本章小结

思考题

参考文献

第8章开关磁阻电机原理与控制

8.1开关磁阻电机概述

8.2开关磁阻电机结构

8.2.1开关磁阻电机的基本结构

8.2.2开关磁阻电机的派生结构

8.3开关磁阻电机原理

8.3.1开关磁阻电机的基本工作原理

8.3.2开关磁阻电机的转矩

8.4开关磁阻电机数学模型

8.5开关磁阻电机控制

8.5.1开关磁阻电机的绕组磁链与电流

8.5.2开关磁阻电机控制器的主电路拓扑结构

8.5.3开关磁阻电机控制器的控制方式与机械特性

8.6本章小结

思考题

参考文献

第9章汽车新型驱动电机原理与控制

9.1新型驱动电机概述

9.2定子励磁型电机原理与控制

9.2.1双凸极电机

9.2.2磁通切换电机

9.2.3磁通反向电机

9.2.4定子励磁型电机的控制

9.3混合励磁电机原理与控制

9.3.1混合励磁电机基本原理

9.3.2串联磁路式混合励磁电机

9.3.3并联磁路式混合励磁电机

9.3.4并列磁路式混合励磁电机

9.3.5混合励磁电机的控制

9.4记忆电机原理与控制

9.4.1记忆电机基本原理

9.4.2直流脉冲调磁型记忆电机

9.4.3交流脉冲调磁型记忆电机

9.4.4记忆电机的控制技术

9.5轴向磁场永磁电机原理与控制

9.5.1基本原理及典型拓扑

9.5.2轴向磁场定子无铁心永磁电机

9.5.3轴向磁场永磁电机的控制

9.6开绕组电机系统原理与控制

9.6.1开绕组电机系统的典型拓扑结构

9.6.2开绕组电机系统的控制技术

9.7本章小结

思考题

参考文献

第10章汽车电机驱动系统构型与集成技术

10.1汽车电机驱动系统概述

10.2集中式驱动系统

10.2.1电机变速驱动系统构成

10.2.2电机变速驱动系统参数匹配

10.2.3电机变速驱动系统换挡规律

10.2.4电机变速驱动系统同步过程控制

10.2.5电机变速驱动系统换挡过程控制

10.3分布式驱动系统

10.3.1轮边电机驱动系统构成

10.3.2轮毂电机驱动系统构成

10.3.3分布式驱动系统设计需求

10.3.4分布式驱动系统动力学控制

10.3.5分布式驱动系统其他存在问题及解决方案

10.4本章小结

思考题

参考文献

第11章汽车驱动电机的基本设计方法

11.1汽车驱动电机设计概述

11.2驱动电机设计中的参数计算与分析方法

11.2.1驱动电机设计中的参数计算

11.2.2驱动电机设计中的分析方法

11.3直流电机的基本设计方法

11.4无刷直流电机的基本设计方法

11.5永磁同步电机的基本设计方法

11.6交流感应电机的基本设计方法

11.7开关磁阻电机的基本设计方法

11.8汽车驱动电机设计示例

11.8.1电机设计参数

11.8.2有限元仿真分析

11.9本章小结

思考题

参考文献

第12章汽车驱动电机系统的测试与评价

12.1驱动电机系统测试与评价概述

12.2驱动电机系统测试标准与评价依据

12.3驱动电机系统测试设备与试验环境

12.3.1驱动电机系统的硬件在环测试环境

12.3.2驱动电机系统基本性能试验台架

12.3.3驱动电机系统电磁兼容性试验环境

12.3.4驱动电机系统环境适应性试验环境

12.4驱动电机系统的主要试验方法

12.4.1驱动电机系统输入输出特性的台架试验方法

12.4.2驱动电机系统电磁兼容性试验方法

12.4.3驱动电机系统环境适应性试验方法

12.4.4驱动电机系统环境的电气安全性试验方法

12.4.5驱动电机系统可靠性试验方法

12.5本章小结

思考题

参考文献

附录主要术语索引

为便于高等院校相关专业本科生和研究生及时了解和掌握汽车驱动电机相关技术的发展状况和最新研究成果，同时也为科研院所、汽车企业研发机构的相关技术人员提供参考，作者借助多年教学经验和科研工作的积累，在充分吸收近年来国内外汽车驱动电机及其控制技术最新成果的基础上，根据自己对相关知识的理解和体会，编写了本书。