汽車用微特電機技術的應用現狀及控制

羅 佳

(中北大學機械與動力工程學院，山西太原030051)

汽車用微特電機技術的應用現狀及控制

羅 佳

(中北大學機械與動力工程學院，山西太原030051)

汽車電機是微電機的一個重要分支。概述了傳統和發展中的汽車用微特電機技術的現狀，簡要介紹了傳統汽車向電子化汽車過渡的現代汽車中的微特電機應用前景，最后對車用電機控制系統的發展及趨勢進行了總結與分析。

汽車；微特電機；車用電機控制系統

0 引言

汽車電機作為微特電機領域一個種類，由于應用環境的不同，其結構和傳統的永磁直流電機相比有其鮮明的特點，隨著汽車技術的不斷發展，汽車電機的品種規格也越來越多，無刷化、智能化、高效化已成為現代汽車電機的發展趨勢。

1 汽車中微特電機的應用

汽車微特電機行業是一個技術密集型與勞動密集型的行業，綜合了電機、微電子、電力電子、計算機、自動控制、精密機械、新材料等多門學科的高新技術行業。電子技術和新材料技術應用，促進了汽車微特電機技術的進步。

電動機的種類繁多，從供電電源角度區分可以分為直流電機、交流電機、交直流兩用電機；從工作原理區可以分為感應電動機、同步電動機、新原理電機(指非電磁原理)。對汽車而言，由于采用蓄電池供電，汽車電機的門類基本集中在永磁直流有刷電機上，為傳統汽車用電機。典型產品包括了汽車起動電機、雨刮電機、車窗電機、門鎖電機、座椅電機、車燈調節電機、油泵電機、ABS用電機等，而怠速調節電機則采用了永磁爪極步進電機，交流發電機采用爪極結構[1]。

近年來，隨著微電機無刷化的發展和電機控制驅動電路專用芯片的問世，永磁直流無刷電機、永磁同步伺服驅動系統也開始逐漸在汽車中得到應用。如EPS系統、汽車新型空調系統、油泵系統、電動汽車主驅動系統等，部分用于角度調節的系統也采用步進電機。相對各類微電機而言，汽車電機的工作環境相對惡劣：環境溫度大、顛簸振動大、沖擊負荷大、蓄電池電壓波動大等，因此滿足惡劣環境下可靠工作是汽車電機設計制造的關鍵。汽車電機在汽車各系統中的分布見表1。

表1 電機在汽車各系統的分布

2 汽車用微特電機的特點

(1) 低電壓、大電流。 汽車上的電源由發動機驅動交流發電機向蓄電池充電獲得，電壓一般為直流14V， 所以汽車微特電機大部分是低電壓直流電動機，其工作電流都較大。

(2)工作電壓波動大。汽車上使用了種類繁多的電器和電子系統，都由蓄電池供電。在不同時間內蓄電池供電的電壓變化范圍大，所以要求電機在電源電壓8V～16V范圍內都能正常地工作。

(3)環境條件苛刻。汽車微特電機與工業、家用電器用微特電機相比較，環境條件更為苛刻，應滿足耐熱、 耐沖擊振動、防水，防腐蝕等要求。

(4)“三防”及防塵性能好。 汽車作為一種交通工具，要求電機具有良好的防潮、防霉、防塵的性能。

(5)效率高。 隨著耗電量的增加，發動機的負載也增加，從而使耗電量上升。為了減少耗油量，要求汽車微特電機效率高。

3 傳統汽車電機的起動機、發電機

3.1 起動機

汽車發動機在以自身動力運轉之前，必須借助外力旋轉。發動機借助外力由靜止狀態過渡到能自行運轉的過程，稱為發動機的起動。發動機常用的起動方式有人力起動、輔助汽油機起動和電力起動三種。人力起動采用繩拉或手搖的方式，簡單但不方便，而且勞動強度大，只適用于一些小功率的發動機，在一些汽車上僅作為后備方式保留著；輔助汽油機起動主要用在大功率的柴油發動機上；電力起動方式操作簡便，起動迅速，具有重復起動能力，并且可以遠距離控制，因此被現代汽車廣泛采用[2]。

起動機將蓄電池的電能轉化為機械能，驅動發動機上的飛輪旋轉實現發動機的起動。起動系統由電動機、傳動機構、控制機構三個部分組成，如圖1所示[3]。電動機產生轉矩；傳動機構在發動機起動時使起動齒輪能正確嚙入發動機的飛輪齒環，將起動機的轉矩傳送給發動機曲軸，并在發動機起動后使起動機與發動機的飛輪齒環自動脫開；控制裝置用來接通或切斷電動機與蓄電池之間的電路。

圖1 汽車起動系統的組成

3.2 汽車發電機

發電機是汽車的主要電源，其功用是在發動機正常運轉時，向除起動機之外的所有用電設備供電，同時給蓄電池充電。汽車用發電機可分為直流發電機和交流發電機，由于交流發電機的性能在許多方面優于直流發電機，所以目前直流發電機已被淘汰，汽車都采用三相交流發電機，內部帶有二極管整流電路，將交流電整流為直流電，所以，汽車交流發電機輸出的是直流電。交流發電機必須裝配電壓調節器，對發電機的輸出電壓進行控制調節，使其保持基本恒定，以滿足汽車用電器的需求。交流發電機、調節器、蓄電池的連接如圖2所示[4]，電路如圖3所示。

圖2 交流發電機、調節器、蓄電池的連接

圖3 交流發電機、調節器、蓄電池的連接電路

4 發展中的汽車用微特電機

除傳統的發電機、起動機之外，汽車微特電機是汽車的配套電器與電子零部件產品，品質優良、成本低廉，是發展汽車工業必不可少的條件。隨著汽車向著舒適化、人性化的要求發展，雨刮器總成玻璃升降器總成、門鎖總成、電動座椅、散熱器風扇、洗滌器、汽車空調器、燃油泵、后視鏡、電動天窗、電動門鎖、電動天線、音響等配套總成產品大量應用。

汽車微特電機使用數量多少與汽車檔次成正比，乘用車需要的汽車電機數量較多，如每輛經濟型汽車至少配備微特電機5臺以上，普通轎車至少配備 20～30臺，而豪華型轎車則需要配備60～70 臺甚至上百臺，商用車通常也需要 10臺以上(數據來源于安信證券研究報告)。從世界汽車的發展趨勢來看，傳統零部件不斷電子化，單車電子部件不斷增多，微特電機在汽車環保、節能、舒適等方面扮演的角色越來越重要，都使得未來微特電機在汽車制造上的應用會更加廣泛。由于不同類型汽車中微特電機數不同，假設平均每個汽車配備 25 臺微特電機，同時根據《“十二五”汽車電機電器行業規劃》 ，汽車售后市場需微特電機數與主機配套數之比為 0.6:1，由此推出我國近年來汽車市場微特電機需求量見表2[5]。

表2 2011～2014 年我國汽車用微特電機市場規模

4.1 汽車用有刷直流電動機

汽車尤其是轎車中的微特電機，80%屬于永磁直流電動機，如刮水、暖風、電動搖窗、電動座椅、電動天線、空調散熱及液壓動力裝置等等。直流電動機結構比較復雜，可分為定子和轉子兩大部件。定子由主磁極、機座、換向器、端蓋和電刷裝置等組成。轉子是機械能和電能轉換的裝置，它主要包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器等。由于有刷直流電動機采用機械換向，不需要位置反饋進行電子換向，控制器相對簡單。

有刷電機的使用壽命主要取決于電刷的壽命。隨著電機運轉時間的增長，電刷對整流子表面的磨損增大，電刷形成和修正氧化膜的能力減弱或空氣污染造成氧化膜破壞，或因其它原因都會造成滑動接觸變壞而影響使用。長壽命電刷的研制成功和實際應用使得有刷電機的實際連續運行時間最長可達幾千小時而無需維護，新材料電刷是使有刷電機進步的一個重要原因。產品質量提高的關鍵在于提升其零部件和材料的品質，解決這一問題的措施是實現汽車微特電機零部件的專業化生產。

直流電機系統的重量大、效率低，而且電刷和滑環的存在， 阻礙了其在電動車中的進一步應用[6]。隨著電力電子技術的發展和新材料的應用，直流電機驅動系統基本上已經被其他驅動電機系統所取代。

4.2 汽車用無刷直流電動機

隨著汽車微特電機產品向智能化、小型化、長壽命、高可靠、節能、環保、電磁兼容等方向的發展，在迅速發展的電力電子技術、微電子技術、新材料技術、精密加工技術的支持下，作為微特電機技術含量高的新品種-無刷直流電動機，以其特有的不可替代的技術優勢，越來越受到人們的重視。

無刷直流電動機的結構比較簡單，與有刷直流電動機控制特性相似，結構不同。其定子是由電樞繞組、位置傳感器和機殼構成，而轉子主要由永久磁鋼組成。對比有刷直流電動機，無刷直流電動機的工作原理與它基本相同，所不同的是電樞繞組的換相方式不同(通過電子來換相)。它是一種先進的電子驅動電機，采用現代先進的控制技術和大規模集成電路技術，較一般的有刷直流電動機有無可比擬的優越性能。無刷直流電動機由位置傳感器知道該相繞組的通電時間，定子繞組產生的電樞磁勢和轉子永久磁鋼產生的勵磁磁場，在運行的過程中始終保持在∏/2的電角度，因而使電機轉子旋轉，實現電能到機械能的轉換。隨著汽車高效節能、環保、長時間可靠工作以及舒適化、個性化的要求不斷提高，用永磁無刷直流電動機替代永磁有刷直流電動機是一個發展方向。

4.3 感應電機

感應電機是指利用定轉子之間靠電磁感應作用，在轉子內感應電流以實現機電能量轉換的電機。感應電機是異步電機的一種。感應電機具有簡單、可靠，轉矩脈動小和噪聲低等優點，被較早地應用于電動車驅動系統中。

4.4 永磁同步電機

永磁同步電機與無刷直流電機有著類似的拓撲結構，而永磁同步電機需要一個精確度和可靠性很高的位置傳感器，以實現在電樞繞組上產生正弦波電流。除了擁有永磁電機和無刷電機固有的優點外，相對于無刷直流電機，永磁同步電機運行非常穩定平滑，轉矩波動小，通過一定的算法可以實現電機大范圍的調速。近些年對于新興位置傳感器的開發、電子技術的迅速發展以及對永磁同步電動機控制策略的深入研究，使得永磁同步電動機在EPS系統上的應用有了更為快速和廣泛的發展。

4.5 開關磁阻電機

開關磁阻電機是一種單邊勵磁的雙凸極電機，具有結構簡單堅固、成本低、起動轉矩大和低速性能好等優點[7]。開關磁阻電機現己成為現代汽車交流驅動的又一個新支，它是由磁阻電開關電路控制器組成的機電一體化新型牽引電機。它具有可控相數多、實現四象限控制方便、效率高等優點。開關磁阻電機轉子上無繞組、 滑環，適合用于頻繁正反轉及沖擊的負載。能夠實現寬調速、低速大轉矩和制動能量反饋等特性，主要用作電動汽車驅動電機。由于開關磁阻電機具有高度的非線性，多變量，變參數等，所以很難用常規的控制方法。

4.6 步進電機

步進電機是一種可由脈沖電信號來控制轉角和轉動方向的電機，有多種類型，常見的是反應式步進電機、混合式步進電機和永磁式步進電機。主要用于對位移量精度要求比較高的場合，比如：儀表、控制閥等。目前，國內外通過對混合式步進電機矢量控制的理論研究，建立了考慮電機非線性并充分利用電磁轉矩和磁阻轉矩的矢量控制方法，實現了混合式步進電機直軸和交軸電流的協調控制。并研究了如何采用適當的控制策略，以克服電機參數時變控制效果的影響，提高系統魯棒性，使系統具有更高性能。

4.7 超聲波電機[8]

超聲波電機是二十世紀80年代中期迅速發展起來的新型電機，它是利用壓電材料的逆壓電效應把電能轉化電機定子的機械振動能，又通過定、轉子間的摩擦作用驅動轉子運動。超聲波電機沒有磁極和繞組，它一般由振動體(相當于傳統電機的定子)和移動體(相當于傳統電機的轉子)組成。在壓電材料兩端加上超聲波頻率的交變電壓，使壓電材料發生周期性的形變，從而產生幾十千赫茲的超聲波頻率的機械振動。振動體的表面借助于摩擦力推動與其接觸的移動體運動。

5 現代汽車中的微特電機

汽車線控電子化一直為國際上各主要汽車制造商所關注，是現代汽車開發的重點之一。線控電子化技術將汽車各種電子轉向、牽引、制動懸掛等各種獨立的控制系統進行線控電子化連接，實行一體化底盤控制系統，由計算機對各個系統協調控制，使車輛整體性能和穩定性達到最佳水平，減少顛簸和快速轉向時離心力造成的沖擊作用。

信息技術正在把未來汽車變成一個可以移動的多媒體終端；汽車電子化技術的發展，使傳統汽車向電子化汽車過度，機構驅動向電子驅動發展。許多傳統的汽車機械部件逐漸減少，汽車零部件將進行脫胎換骨的更新與產業結構調整，汽車用微特電機也處在變化和發展中[9]。

5.1 電子助力轉向系統(EPS)

汽車轉向系統是控制其行駛路線和方向的主要裝置，直接影響到汽車的操縱性和穩定性，其技術發展經歷了機械轉向、液壓助力轉向、真空助力轉向、電控液壓助力轉向、電動助力轉向系統等發展階段。電動助力轉向系統(EPS)在機械轉向系統的基礎上，根據作用在方向盤上的轉矩信號和車速信號，通過電子控制的方式使電機產生相應大小的轉向輔助力，協助駕駛員進行轉向操作。

EPS主要優點

高效率：由于有電機驅動，效率高達90%；

低能耗：僅在轉向時才起動電機產生助力，具有明顯的節能和環保效益；

污染小：采用電子控制，取消了液壓裝置，不存在滲油問題，可降低保修成本，避免污染環境；

可獨立于發動機工作：以電池為電源、電機為驅動，無論發動機處于何種工作狀態，都可以實現轉向助力；

應用廣泛：各類轎車和客車，特別適用于沒有發動機的電動車；

EPS基本包括：機械轉向裝置、驅動電機、減速器、位置傳感器及ECU控制器(包括控制單元和驅動單元)。EPS是一個微控制系統，方向盤的轉矩信號和車速信號由位置傳感器換成電信號輸入ECU控制器接口，ECU運算比較后發出指令，控制電機的驅動電流和電磁離合器的吸合或分離，以達到轉向助力目的。

EPS系統中電機是提供轉向力矩的主要動力源，是EPS系統的核心部件，直接關系到EPS系統所能提供助力的大小、系統響應的快慢、轉向盤力矩抖動、系統占空間的大小等。常用的EPS電機有永磁有刷直流電機，永磁無刷直流電機和永磁同步電動機。開關磁阻電機、交流電動機等也被用作EPS電機。

5.2 防抱死制動系統(ABS)

ABS系統是汽車安全系統的重要組成部分，目前隨著家用轎車的普及，ABS系統在汽車制造上得到了廣泛應用，成為汽車的基本電子配置系統之一。該系統通過調節車輛的各車輪的制動力，縮短制動距離且保障操作的穩定性和車輛的安全性，是重要的車輛安全系統。ABS系統可以有效縮短制動距離。緊急制動的穩定性。由于汽車制動時，四輪的制動力是不一樣的，某一車輪的抱死將很難控制汽車的行駛方向，從而出現側滑、追尾，甚至掉頭等危險情況。ABS系統可避免上述情況發生，提高車輛的制動穩定性。

ABS按結構和原理可以分為液壓制動系統ABS和氣壓制動系統ABS。前者廣泛應用于轎車和輕型載貨汽車上，后者主要應用于中、重型載貨汽車上。

汽車ABS的類型較多，隨車型而異，但基本都由輪速傳感器、電子控制單元和制動壓力調節器三部分組成，除此之外，還包括制動警告燈和防抱死警告燈等部件，其原理結構框圖如圖4所示。

圖4 ABS系統原理結構框圖

5.3 電子制動力分配系統(EBD)[10]

EBD能夠根據由于汽車制動時產生軸荷轉移的不同，而自動調節前、后軸的制動力分配比例，提高制動效能，并配合ABS提高制動穩定性。汽車在制動時，四只輪胎附著的地面條件往往不一樣。EBD的工作原理恰恰就是用高速計算機在汽車制動的瞬間，分別對四只輪胎附著的不同地面進行感應和計算，得出不同的摩擦力數值，使四只輪胎的制動裝置根據不同的情況用不同的方式和力量制動，并在運動中不斷保持調整，使制動力與摩擦力相匹配，從而保證車輛的平穩。

從工作原理來講，它是ABS的一個附加作用系統，可以提高ABS的效用。所以在安全指標上，汽車的性能又多了“ABS+EBD”。 值得一提的是，即使車載ABS失效，EBD也能保證車輛不會出現因甩尾而導致翻車等惡性事故的發生。同時它還能較大地減少ABS工作時的振噪感，不需要增加任何的硬件配置，成本比較低，不少專業人士更是直觀地稱之為“更安全、更舒適的ABS”。 在車輪輕微制動時，電子制動力分配(EBD)功能就起作用，轉彎時尤其如此，速度傳感器記錄4個車輪的轉速信息，電子控制單元計算車輪的轉速。如果后輪滑移率增大，則調節制動壓力，使后輪制動壓力降低。電子制動力分配(EBD)功能保證了較高的側向力和合理的制動力分配。

由于現階段在汽車上安裝EBD系統的成本還很高，所以現在的汽車并沒有大量的裝配這種配置，只是在少數中高檔車上配備。但是隨著經濟的發展和人們安全意識的提高和其本身的重要性，不久的將來EBD系統定會是汽車上的一項基本配置，并得到廣泛的關注。

6 車用電機的控制

作為車用驅動系統的執行器件，車用驅動電機通常是在電機控制器所要求的各種控制模式和工況下進行工作的。高功率密度集成電機控制器的核心技術是采用電力電子集成技術。集成主要分為3個不同的層次和形式：單片集成、混合集成和系統集成[11]。

單片集成：采用半導體集成電路的加工方法將電力電子電路中的功率器件、驅動、控制和保護電路制作在同一硅片上，體現了單片系統的概念。這種集成方式的集成度最高，適合大批量、自動化制造，可以非常有效地降低成本，減小體積和重量，但面臨高壓、大電流的主電路元件和其它低電壓、小電流電路元件的制造工藝差別較大，還有高壓隔離和傳熱問題。因此單片集成難度很大，目前僅在小功率范圍有所應用。隨著新型半導體材料和加工工藝的進步，將來必然會向較大的功率等級發展。

混合集成：采用封裝技術手段，將分別包含功率器件、驅動、保護和控制電路的多個硅片封入同一模塊中，形成具有部分或完整功能且相對獨立的單元。這種集成方法可以較好地解決不同工藝的電路之間的組合和高電壓隔離等問題，具有較高的集成度，也可以比較有效地減小體積和重量，但目前還存在分布參數、電磁兼容、傳熱等具有較高難度的技術問題，并且尚不能有效地降低成本，達到較高的可靠性，因此目前仍以中等功率應用為主，并正向大功率發展。

系統集成：將已有的實體經過有機地組合及拼裝，形成一個完整的系統，在電力電子技術領域，系統集成一般指將多個電路或裝置有機地組合具有完整功能的電力電子系統。這種集成是功能集成，具有低的集成度，容易實現，因此是目前工程領域普遍采用的集成方案，但因集成度低，與獨立的裝置和電路相比，都無法明顯降低體積和重量，且構成仍以分立元器件為主，設計、制造都比較負責，不能體現集成優勢。目前，系統集成技術多用于功率很大，結構和功能復雜的系統。

車用驅動電機的控制系統必須有效診斷故障，并且在發生故障后通過容錯手段保證車輛的基本性能不受影響，將損失降至最低。針對電動汽車電機驅動系統的故障檢測與診斷在今后很長一段時期，仍是車用驅動電機技術領域的一個主要研究方向[12]。

7 結語

隨著汽車技術的不斷發展，尤其是汽車電子系統的應用，車用電機控制系統將向著智能化、數字化、網絡化(車載總線技術在汽車上的應用)等方向發展。因此，我們應當把握歷史機遇，加大研發力度，在低碳經濟和后危機時代的世界汽車工業布局中占得先機。同時，希望綠色交通技術穩步前進，真正實現人與自然的和諧發展，造福人類。

[1] 郭中醒，李國麗，張洲，等. 現代汽車電機技術[M]. 上海：上海科學出版社，2015.

[2] http://car.autohome.com.cn/shuyu/detail_8_56_669.html.

[3] http://wenku.baidu.com/view/11af5b3987c24028915

fc32b.html.

[4] http://qcxs.hgpu.edu.cn/qcdq/kc/skja_show.asp? id=150.

[5] http://www.chyxx.com/industry/201601/376673.html.

[6] 柴海波，鄢治國，況明偉，等. 電動車驅動電機發展現狀[J]. 微特電機，2013(4):52-56.

[7] 李潔. 開關磁阻電機的性能分析及其優化設計方法研究[D].天津：河北工業大學，2010.

[8] 張亮. 電機新技術在汽車中的應用[D]. 武漢：武漢理工大學，2006.

[9] 何松波，貢俊. 汽車用微特電機技術的現狀與發展[C]. 中國電子學會第十三屆電子元件學術年會論文集,2004(6) :111-126.

[10] http://v.autohome.com.cn/v-64273.html.

[11] 樊繼東. 車用電機應用現狀及其控制技術[J]. 電機技術，2009(3):35-37.

[12] 羅建 . 車用驅動電機技術及發展趨勢[J]. 高科技與產業化，2012(7):49-52.

Current Application and Control Technology of Micromotor Used for Automobile

LuoJia

(School of Mechanical and Power Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

Automobile motor is an important branch of micromotor. This paper describes current technical applications of traditional and developing micromotors used for automobile, briefly introduces future prospect of micromotor used in modern car of changing from traditional car to electronic car, and summarizes and analyzes development and trend of control system of automobile motor.

Automobile；micromotor；control system of automobile motor

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.01.06

TM38

A

1008-7281(2017)01-0020-007

羅佳 女 1981年生；碩士講師，主要從事汽車電子等相關領域研究.

2016-10-16