汽车用微特电机技术的应用现状及控制

罗 佳

(中北大学机械与动力工程学院，山西太原030051)

汽车用微特电机技术的应用现状及控制

罗 佳

(中北大学机械与动力工程学院，山西太原030051)

汽车电机是微电机的一个重要分支。概述了传统和发展中的汽车用微特电机技术的现状，简要介绍了传统汽车向电子化汽车过渡的现代汽车中的微特电机应用前景，最后对车用电机控制系统的发展及趋势进行了总结与分析。

汽车；微特电机；车用电机控制系统

0 引言

汽车电机作为微特电机领域一个种类，由于应用环境的不同，其结构和传统的永磁直流电机相比有其鲜明的特点，随着汽车技术的不断发展，汽车电机的品种规格也越来越多，无刷化、智能化、高效化已成为现代汽车电机的发展趋势。

1 汽车中微特电机的应用

汽车微特电机行业是一个技术密集型与劳动密集型的行业，综合了电机、微电子、电力电子、计算机、自动控制、精密机械、新材料等多门学科的高新技术行业。电子技术和新材料技术应用，促进了汽车微特电机技术的进步。

电动机的种类繁多，从供电电源角度区分可以分为直流电机、交流电机、交直流两用电机；从工作原理区可以分为感应电动机、同步电动机、新原理电机(指非电磁原理)。对汽车而言，由于采用蓄电池供电，汽车电机的门类基本集中在永磁直流有刷电机上，为传统汽车用电机。典型产品包括了汽车起动电机、雨刮电机、车窗电机、门锁电机、座椅电机、车灯调节电机、油泵电机、ABS用电机等，而怠速调节电机则采用了永磁爪极步进电机，交流发电机采用爪极结构[1]。

近年来，随着微电机无刷化的发展和电机控制驱动电路专用芯片的问世，永磁直流无刷电机、永磁同步伺服驱动系统也开始逐渐在汽车中得到应用。如EPS系统、汽车新型空调系统、油泵系统、电动汽车主驱动系统等，部分用于角度调节的系统也采用步进电机。相对各类微电机而言，汽车电机的工作环境相对恶劣：环境温度大、颠簸振动大、冲击负荷大、蓄电池电压波动大等，因此满足恶劣环境下可靠工作是汽车电机设计制造的关键。汽车电机在汽车各系统中的分布见表1。

表1 电机在汽车各系统的分布

2 汽车用微特电机的特点

(1) 低电压、大电流。 汽车上的电源由发动机驱动交流发电机向蓄电池充电获得，电压一般为直流14V， 所以汽车微特电机大部分是低电压直流电动机，其工作电流都较大。

(2)工作电压波动大。汽车上使用了种类繁多的电器和电子系统，都由蓄电池供电。在不同时间内蓄电池供电的电压变化范围大，所以要求电机在电源电压8V～16V范围内都能正常地工作。

(3)环境条件苛刻。汽车微特电机与工业、家用电器用微特电机相比较，环境条件更为苛刻，应满足耐热、 耐冲击振动、防水，防腐蚀等要求。

(4)“三防”及防尘性能好。 汽车作为一种交通工具，要求电机具有良好的防潮、防霉、防尘的性能。

(5)效率高。 随着耗电量的增加，发动机的负载也增加，从而使耗电量上升。为了减少耗油量，要求汽车微特电机效率高。

3 传统汽车电机的起动机、发电机

3.1 起动机

汽车发动机在以自身动力运转之前，必须借助外力旋转。发动机借助外力由静止状态过渡到能自行运转的过程，称为发动机的起动。发动机常用的起动方式有人力起动、辅助汽油机起动和电力起动三种。人力起动采用绳拉或手摇的方式，简单但不方便，而且劳动强度大，只适用于一些小功率的发动机，在一些汽车上仅作为后备方式保留着；辅助汽油机起动主要用在大功率的柴油发动机上；电力起动方式操作简便，起动迅速，具有重复起动能力，并且可以远距离控制，因此被现代汽车广泛采用[2]。

起动机将蓄电池的电能转化为机械能，驱动发动机上的飞轮旋转实现发动机的起动。起动系统由电动机、传动机构、控制机构三个部分组成，如图1所示[3]。电动机产生转矩；传动机构在发动机起动时使起动齿轮能正确啮入发动机的飞轮齿环，将起动机的转矩传送给发动机曲轴，并在发动机起动后使起动机与发动机的飞轮齿环自动脱开；控制装置用来接通或切断电动机与蓄电池之间的电路。

图1 汽车起动系统的组成

3.2 汽车发电机

发电机是汽车的主要电源，其功用是在发动机正常运转时，向除起动机之外的所有用电设备供电，同时给蓄电池充电。汽车用发电机可分为直流发电机和交流发电机，由于交流发电机的性能在许多方面优于直流发电机，所以目前直流发电机已被淘汰，汽车都采用三相交流发电机，内部带有二极管整流电路，将交流电整流为直流电，所以，汽车交流发电机输出的是直流电。交流发电机必须装配电压调节器，对发电机的输出电压进行控制调节，使其保持基本恒定，以满足汽车用电器的需求。交流发电机、调节器、蓄电池的连接如图2所示[4]，电路如图3所示。

图2 交流发电机、调节器、蓄电池的连接

图3 交流发电机、调节器、蓄电池的连接电路

4 发展中的汽车用微特电机

除传统的发电机、起动机之外，汽车微特电机是汽车的配套电器与电子零部件产品，品质优良、成本低廉，是发展汽车工业必不可少的条件。随着汽车向着舒适化、人性化的要求发展，雨刮器总成玻璃升降器总成、门锁总成、电动座椅、散热器风扇、洗涤器、汽车空调器、燃油泵、后视镜、电动天窗、电动门锁、电动天线、音响等配套总成产品大量应用。

汽车微特电机使用数量多少与汽车档次成正比，乘用车需要的汽车电机数量较多，如每辆经济型汽车至少配备微特电机5台以上，普通轿车至少配备 20～30台，而豪华型轿车则需要配备60～70 台甚至上百台，商用车通常也需要 10台以上(数据来源于安信证券研究报告)。从世界汽车的发展趋势来看，传统零部件不断电子化，单车电子部件不断增多，微特电机在汽车环保、节能、舒适等方面扮演的角色越来越重要，都使得未来微特电机在汽车制造上的应用会更加广泛。由于不同类型汽车中微特电机数不同，假设平均每个汽车配备 25 台微特电机，同时根据《“十二五”汽车电机电器行业规划》 ，汽车售后市场需微特电机数与主机配套数之比为 0.6:1，由此推出我国近年来汽车市场微特电机需求量见表2[5]。

表2 2011～2014 年我国汽车用微特电机市场规模

4.1 汽车用有刷直流电动机

汽车尤其是轿车中的微特电机，80%属于永磁直流电动机，如刮水、暖风、电动摇窗、电动座椅、电动天线、空调散热及液压动力装置等等。直流电动机结构比较复杂，可分为定子和转子两大部件。定子由主磁极、机座、换向器、端盖和电刷装置等组成。转子是机械能和电能转换的装置，它主要包括电枢铁心、电枢绕组、换向器等。由于有刷直流电动机采用机械换向，不需要位置反馈进行电子换向，控制器相对简单。

有刷电机的使用寿命主要取决于电刷的寿命。随着电机运转时间的增长，电刷对整流子表面的磨损增大，电刷形成和修正氧化膜的能力减弱或空气污染造成氧化膜破坏，或因其它原因都会造成滑动接触变坏而影响使用。长寿命电刷的研制成功和实际应用使得有刷电机的实际连续运行时间最长可达几千小时而无需维护，新材料电刷是使有刷电机进步的一个重要原因。产品质量提高的关键在于提升其零部件和材料的品质，解决这一问题的措施是实现汽车微特电机零部件的专业化生产。

直流电机系统的重量大、效率低，而且电刷和滑环的存在， 阻碍了其在电动车中的进一步应用[6]。随着电力电子技术的发展和新材料的应用，直流电机驱动系统基本上已经被其他驱动电机系统所取代。

4.2 汽车用无刷直流电动机

随着汽车微特电机产品向智能化、小型化、长寿命、高可靠、节能、环保、电磁兼容等方向的发展，在迅速发展的电力电子技术、微电子技术、新材料技术、精密加工技术的支持下，作为微特电机技术含量高的新品种-无刷直流电动机，以其特有的不可替代的技术优势，越来越受到人们的重视。

无刷直流电动机的结构比较简单，与有刷直流电动机控制特性相似，结构不同。其定子是由电枢绕组、位置传感器和机壳构成，而转子主要由永久磁钢组成。对比有刷直流电动机，无刷直流电动机的工作原理与它基本相同，所不同的是电枢绕组的换相方式不同(通过电子来换相)。它是一种先进的电子驱动电机，采用现代先进的控制技术和大规模集成电路技术，较一般的有刷直流电动机有无可比拟的优越性能。无刷直流电动机由位置传感器知道该相绕组的通电时间，定子绕组产生的电枢磁势和转子永久磁钢产生的励磁磁场，在运行的过程中始终保持在∏/2的电角度，因而使电机转子旋转，实现电能到机械能的转换。随着汽车高效节能、环保、长时间可靠工作以及舒适化、个性化的要求不断提高，用永磁无刷直流电动机替代永磁有刷直流电动机是一个发展方向。

4.3 感应电机

感应电机是指利用定转子之间靠电磁感应作用，在转子内感应电流以实现机电能量转换的电机。感应电机是异步电机的一种。感应电机具有简单、可靠，转矩脉动小和噪声低等优点，被较早地应用于电动车驱动系统中。

4.4 永磁同步电机

永磁同步电机与无刷直流电机有着类似的拓扑结构，而永磁同步电机需要一个精确度和可靠性很高的位置传感器，以实现在电枢绕组上产生正弦波电流。除了拥有永磁电机和无刷电机固有的优点外，相对于无刷直流电机，永磁同步电机运行非常稳定平滑，转矩波动小，通过一定的算法可以实现电机大范围的调速。近些年对于新兴位置传感器的开发、电子技术的迅速发展以及对永磁同步电动机控制策略的深入研究，使得永磁同步电动机在EPS系统上的应用有了更为快速和广泛的发展。

4.5 开关磁阻电机

开关磁阻电机是一种单边励磁的双凸极电机，具有结构简单坚固、成本低、起动转矩大和低速性能好等优点[7]。开关磁阻电机现己成为现代汽车交流驱动的又一个新支，它是由磁阻电开关电路控制器组成的机电一体化新型牵引电机。它具有可控相数多、实现四象限控制方便、效率高等优点。开关磁阻电机转子上无绕组、 滑环，适合用于频繁正反转及冲击的负载。能够实现宽调速、低速大转矩和制动能量反馈等特性，主要用作电动汽车驱动电机。由于开关磁阻电机具有高度的非线性，多变量，变参数等，所以很难用常规的控制方法。

4.6 步进电机

步进电机是一种可由脉冲电信号来控制转角和转动方向的电机，有多种类型，常见的是反应式步进电机、混合式步进电机和永磁式步进电机。主要用于对位移量精度要求比较高的场合，比如：仪表、控制阀等。目前，国内外通过对混合式步进电机矢量控制的理论研究，建立了考虑电机非线性并充分利用电磁转矩和磁阻转矩的矢量控制方法，实现了混合式步进电机直轴和交轴电流的协调控制。并研究了如何采用适当的控制策略，以克服电机参数时变控制效果的影响，提高系统鲁棒性，使系统具有更高性能。

4.7 超声波电机[8]

超声波电机是二十世纪80年代中期迅速发展起来的新型电机，它是利用压电材料的逆压电效应把电能转化电机定子的机械振动能，又通过定、转子间的摩擦作用驱动转子运动。超声波电机没有磁极和绕组，它一般由振动体(相当于传统电机的定子)和移动体(相当于传统电机的转子)组成。在压电材料两端加上超声波频率的交变电压，使压电材料发生周期性的形变，从而产生几十千赫兹的超声波频率的机械振动。振动体的表面借助于摩擦力推动与其接触的移动体运动。

5 现代汽车中的微特电机

汽车线控电子化一直为国际上各主要汽车制造商所关注，是现代汽车开发的重点之一。线控电子化技术将汽车各种电子转向、牵引、制动悬挂等各种独立的控制系统进行线控电子化连接，实行一体化底盘控制系统，由计算机对各个系统协调控制，使车辆整体性能和稳定性达到最佳水平，减少颠簸和快速转向时离心力造成的冲击作用。

信息技术正在把未来汽车变成一个可以移动的多媒体终端；汽车电子化技术的发展，使传统汽车向电子化汽车过度，机构驱动向电子驱动发展。许多传统的汽车机械部件逐渐减少，汽车零部件将进行脱胎换骨的更新与产业结构调整，汽车用微特电机也处在变化和发展中[9]。

5.1 电子助力转向系统(EPS)

汽车转向系统是控制其行驶路线和方向的主要装置，直接影响到汽车的操纵性和稳定性，其技术发展经历了机械转向、液压助力转向、真空助力转向、电控液压助力转向、电动助力转向系统等发展阶段。电动助力转向系统(EPS)在机械转向系统的基础上，根据作用在方向盘上的转矩信号和车速信号，通过电子控制的方式使电机产生相应大小的转向辅助力，协助驾驶员进行转向操作。

EPS主要优点

高效率：由于有电机驱动，效率高达90%；

低能耗：仅在转向时才起动电机产生助力，具有明显的节能和环保效益；

污染小：采用电子控制，取消了液压装置，不存在渗油问题，可降低保修成本，避免污染环境；

可独立于发动机工作：以电池为电源、电机为驱动，无论发动机处于何种工作状态，都可以实现转向助力；

应用广泛：各类轿车和客车，特别适用于没有发动机的电动车；

EPS基本包括：机械转向装置、驱动电机、减速器、位置传感器及ECU控制器(包括控制单元和驱动单元)。EPS是一个微控制系统，方向盘的转矩信号和车速信号由位置传感器换成电信号输入ECU控制器接口，ECU运算比较后发出指令，控制电机的驱动电流和电磁离合器的吸合或分离，以达到转向助力目的。

EPS系统中电机是提供转向力矩的主要动力源，是EPS系统的核心部件，直接关系到EPS系统所能提供助力的大小、系统响应的快慢、转向盘力矩抖动、系统占空间的大小等。常用的EPS电机有永磁有刷直流电机，永磁无刷直流电机和永磁同步电动机。开关磁阻电机、交流电动机等也被用作EPS电机。

5.2 防抱死制动系统(ABS)

ABS系统是汽车安全系统的重要组成部分，目前随着家用轿车的普及，ABS系统在汽车制造上得到了广泛应用，成为汽车的基本电子配置系统之一。该系统通过调节车辆的各车轮的制动力，缩短制动距离且保障操作的稳定性和车辆的安全性，是重要的车辆安全系统。ABS系统可以有效缩短制动距离。紧急制动的稳定性。由于汽车制动时，四轮的制动力是不一样的，某一车轮的抱死将很难控制汽车的行驶方向，从而出现侧滑、追尾，甚至掉头等危险情况。ABS系统可避免上述情况发生，提高车辆的制动稳定性。

ABS按结构和原理可以分为液压制动系统ABS和气压制动系统ABS。前者广泛应用于轿车和轻型载货汽车上，后者主要应用于中、重型载货汽车上。

汽车ABS的类型较多，随车型而异，但基本都由轮速传感器、电子控制单元和制动压力调节器三部分组成，除此之外，还包括制动警告灯和防抱死警告灯等部件，其原理结构框图如图4所示。

图4 ABS系统原理结构框图

5.3 电子制动力分配系统(EBD)[10]

EBD能够根据由于汽车制动时产生轴荷转移的不同，而自动调节前、后轴的制动力分配比例，提高制动效能，并配合ABS提高制动稳定性。汽车在制动时，四只轮胎附着的地面条件往往不一样。EBD的工作原理恰恰就是用高速计算机在汽车制动的瞬间，分别对四只轮胎附着的不同地面进行感应和计算，得出不同的摩擦力数值，使四只轮胎的制动装置根据不同的情况用不同的方式和力量制动，并在运动中不断保持调整，使制动力与摩擦力相匹配，从而保证车辆的平稳。

从工作原理来讲，它是ABS的一个附加作用系统，可以提高ABS的效用。所以在安全指标上，汽车的性能又多了“ABS+EBD”。 值得一提的是，即使车载ABS失效，EBD也能保证车辆不会出现因甩尾而导致翻车等恶性事故的发生。同时它还能较大地减少ABS工作时的振噪感，不需要增加任何的硬件配置，成本比较低，不少专业人士更是直观地称之为“更安全、更舒适的ABS”。 在车轮轻微制动时，电子制动力分配(EBD)功能就起作用，转弯时尤其如此，速度传感器记录4个车轮的转速信息，电子控制单元计算车轮的转速。如果后轮滑移率增大，则调节制动压力，使后轮制动压力降低。电子制动力分配(EBD)功能保证了较高的侧向力和合理的制动力分配。

由于现阶段在汽车上安装EBD系统的成本还很高，所以现在的汽车并没有大量的装配这种配置，只是在少数中高档车上配备。但是随着经济的发展和人们安全意识的提高和其本身的重要性，不久的将来EBD系统定会是汽车上的一项基本配置，并得到广泛的关注。

6 车用电机的控制

作为车用驱动系统的执行器件，车用驱动电机通常是在电机控制器所要求的各种控制模式和工况下进行工作的。高功率密度集成电机控制器的核心技术是采用电力电子集成技术。集成主要分为3个不同的层次和形式：单片集成、混合集成和系统集成[11]。

单片集成：采用半导体集成电路的加工方法将电力电子电路中的功率器件、驱动、控制和保护电路制作在同一硅片上，体现了单片系统的概念。这种集成方式的集成度最高，适合大批量、自动化制造，可以非常有效地降低成本，减小体积和重量，但面临高压、大电流的主电路元件和其它低电压、小电流电路元件的制造工艺差别较大，还有高压隔离和传热问题。因此单片集成难度很大，目前仅在小功率范围有所应用。随着新型半导体材料和加工工艺的进步，将来必然会向较大的功率等级发展。

混合集成：采用封装技术手段，将分别包含功率器件、驱动、保护和控制电路的多个硅片封入同一模块中，形成具有部分或完整功能且相对独立的单元。这种集成方法可以较好地解决不同工艺的电路之间的组合和高电压隔离等问题，具有较高的集成度，也可以比较有效地减小体积和重量，但目前还存在分布参数、电磁兼容、传热等具有较高难度的技术问题，并且尚不能有效地降低成本，达到较高的可靠性，因此目前仍以中等功率应用为主，并正向大功率发展。

系统集成：将已有的实体经过有机地组合及拼装，形成一个完整的系统，在电力电子技术领域，系统集成一般指将多个电路或装置有机地组合具有完整功能的电力电子系统。这种集成是功能集成，具有低的集成度，容易实现，因此是目前工程领域普遍采用的集成方案，但因集成度低，与独立的装置和电路相比，都无法明显降低体积和重量，且构成仍以分立元器件为主，设计、制造都比较负责，不能体现集成优势。目前，系统集成技术多用于功率很大，结构和功能复杂的系统。

车用驱动电机的控制系统必须有效诊断故障，并且在发生故障后通过容错手段保证车辆的基本性能不受影响，将损失降至最低。针对电动汽车电机驱动系统的故障检测与诊断在今后很长一段时期，仍是车用驱动电机技术领域的一个主要研究方向[12]。

7 结语

随着汽车技术的不断发展，尤其是汽车电子系统的应用，车用电机控制系统将向着智能化、数字化、网络化(车载总线技术在汽车上的应用)等方向发展。因此，我们应当把握历史机遇，加大研发力度，在低碳经济和后危机时代的世界汽车工业布局中占得先机。同时，希望绿色交通技术稳步前进，真正实现人与自然的和谐发展，造福人类。

[1] 郭中醒，李国丽，张洲，等. 现代汽车电机技术[M]. 上海：上海科学出版社，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，鄢治国，况明伟，等. 电动车驱动电机发展现状[J]. 微特电机，2013(4):52-56.

[7] 李洁. 开关磁阻电机的性能分析及其优化设计方法研究[D].天津：河北工业大学，2010.

[8] 张亮. 电机新技术在汽车中的应用[D]. 武汉：武汉理工大学，2006.

[9] 何松波，贡俊. 汽车用微特电机技术的现状与发展[C]. 中国电子学会第十三届电子元件学术年会论文集,2004(6) :111-126.

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

[11] 樊继东. 车用电机应用现状及其控制技术[J]. 电机技术，2009(3):35-37.

[12] 罗建 . 车用驱动电机技术及发展趋势[J]. 高科技与产业化，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

罗佳 女 1981年生；硕士讲师，主要从事汽车电子等相关领域研究.

2016-10-16