一位哲人曾經(jīng)說過：知識如果不系統(tǒng)，那和段子有什么區(qū)別？

電動汽車現(xiàn)在如火如荼，我們都知道電動機性能彪悍。但電動機到底是怎么控制的呢？可能很多朋友并不了解，我寫這篇文章就帶你從古到今了解電動機的控制方式，讓大家了解電動機控制的思路和辦法，為了方便大家理解，我盡量不引入任何公式。

既然是從古到今，那么大家就不能著急，因為在人類剛剛使用電動機作為動力的時候，的確是有很多看似愚蠢但是沒有辦法的事情。

一說到電動機，大家肯定都知道直流電動機和交流電動機，所以，文章也要分成兩個大部分，一個是直流電動機的控制，另外一個是交流電動機的控制。

直流電動機

直流電動機的原理大家都知道，不過是通電導(dǎo)體在磁場中受力，為了讓導(dǎo)體轉(zhuǎn)起來，需要不斷的改變電流方向，因為如果不改變電流方向，導(dǎo)體只能轉(zhuǎn)半圈，所以，對于直流電動機來講，換向器是極為重要的。

直流電動機原理

成也換向器，敗也換向器。

因為有換向器，在結(jié)構(gòu)確定的情況下，直流電動機轉(zhuǎn)子的受力就是由電流和磁場強度決定的。磁場強度與勵磁有關(guān)，勵磁可以單獨控制，所以直流電動機的轉(zhuǎn)矩就直接與電流相關(guān)了。

電動機控制控的是什么？轉(zhuǎn)多快和有多大勁。

轉(zhuǎn)多快是怎么來的？就是有多大勁！所以歸根結(jié)底是電動機有多大勁，也就是轉(zhuǎn)矩。

所以，調(diào)速調(diào)的是啥？轉(zhuǎn)矩。

OK了，直流電動機轉(zhuǎn)矩直接與勵磁和電流相關(guān)，我們都知道歐姆定律，電流與電壓和電阻相關(guān)，所以對于直流電動機而言，調(diào)節(jié)電壓、串接電阻、改變勵磁都可以調(diào)速，且轉(zhuǎn)矩和電壓電流勵磁都是線性關(guān)系。

所以，直流電動機的調(diào)速太簡單了。

這幾種調(diào)速方式都可以讓直流電動機轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化從而轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，但是也各有特色。

調(diào)節(jié)電壓的方式最為簡單，調(diào)速范圍也大，用的最多，但是需要有調(diào)節(jié)直流電壓的裝置。調(diào)節(jié)勵磁也可以平滑調(diào)速，但是范圍不大，一般配合調(diào)壓調(diào)速進行小范圍的弱磁升速。串接電阻呢，一般就是加入和切除電阻，調(diào)速范圍也不小，但是一般是有級的調(diào)速。

綜上，直流電動機調(diào)速，以調(diào)節(jié)電壓最為方便。

前面說過，調(diào)節(jié)電壓需要有改變直流電壓的設(shè)備，但是我們都知道，交流電可以直接用變壓器，直流點調(diào)壓可沒有那么簡單。

于是，20世紀60年代以前，有一種調(diào)速方式應(yīng)用廣泛，那就是用發(fā)電機組給直流電動機供電，也就是用交流電動機帶動直流發(fā)電機發(fā)電，然后讓發(fā)出來的直流點再去帶動直流電動機，再有一臺發(fā)電機用于給直流電動機勵磁，你沒看錯，為了讓一臺直流電動機正常拖動負載，需要至少兩臺與之容量相當?shù)碾姍C驅(qū)動和發(fā)電，還要一臺用于勵磁，設(shè)備多，體積大，成本高，效率低，這就是所謂的G－M系統(tǒng)。你還別覺得搞笑，20世紀60年代以前，這種系統(tǒng)真的廣泛使用。

這就是晶閘管

1957年，晶閘管問世，到20世紀60年代，成套的晶閘管整流裝置也很快面世，這貨可以把交流電整成直流電。終于，晶閘管取代了G－M系統(tǒng)，使電動機的控制進入了新的時期，也就是晶閘管－電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱V－M系統(tǒng)。V－M系統(tǒng)通過控制晶閘管的開通時機來獲得不同電壓的直流電，直接驅(qū)動直流電動機，看上去很美，但是晶閘管這東西，其實就是巨大的二極管，只有單向?qū)щ?，不能反著流，但是電動機有時候在制動的時候需要發(fā)電回饋能量啊，完了，這事V－M系統(tǒng)必須增加另一套變流裝置回饋能量，變流裝置直接增加一倍；除此之外，早期晶閘管對過電壓、過電流和電壓電流的尖峰都十分敏感，一不小心就燒壞；另外，頻繁打開晶閘管會導(dǎo)致電力系統(tǒng)諧波和無功功率，特別是在電動機低速運行時候，系統(tǒng)諧波電流很大，無功功率很高，從而污染電網(wǎng)。

PWM原理

隨著電力電子技術(shù)和器件的發(fā)展，PWM技術(shù)成熟了，PWM其實就是通過高速的開關(guān)來實現(xiàn)直流的調(diào)壓，一個周期內(nèi)，開的時間長，平均電壓就高，關(guān)的時間長，平均電壓就低，調(diào)起來很方便，只要開關(guān)速度夠快，電網(wǎng)的諧波就少，且電流更為連續(xù)。這貨與電動機一見面，就大有取代V－M系統(tǒng)之勢，這就是直流PWM調(diào)速。

直流PWM系統(tǒng)，配合閉環(huán)控制，可以獲得非常不錯的調(diào)速性能，且結(jié)構(gòu)比較簡單，對電網(wǎng)污染小，用起來非常方便。看上去直流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)修煉成仙了，20世紀上半葉，高性能的可調(diào)速拖動都是直流電動機，但是換向器這個東西陰魂不散。

有換向器就有電刷，電刷和換向器是直接接觸的，長期磨損，同時在換向的時候有巨大的電流變化，非常容易產(chǎn)生火花，然后電刷和換向器就在火花中倍受煎熬，煎的輕點還可以，重了就完蛋了。所以，換向器和電刷限制了直流電動機的容量和速度，使得直流電動機的調(diào)速遇到了瓶頸。

什么？無刷直流？你別急，聽我慢慢講。

直流不行，交流來湊。

交流電動機

說交流電動機就不能不提交流發(fā)電機。

目前我們使用的電能絕大部分是交流電，而發(fā)電機幾乎都是交流發(fā)電機，發(fā)電機和電動機本質(zhì)上其實是一個東西，因為電場和磁場本來就有相互作用，變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場，描述此關(guān)系的就是麥克斯韋方程組。

所以，對于交流發(fā)電機來講，導(dǎo)體在磁場旋轉(zhuǎn)（或者說磁場在導(dǎo)體中旋轉(zhuǎn)），獲得交流電，而如果把交流電通入線圈，獲得的就是一個旋轉(zhuǎn)的磁場。

有了這個旋轉(zhuǎn)磁場，接下來就有意思了。

假如我在這個旋轉(zhuǎn)磁場中放入一個閉合導(dǎo)體，那么此導(dǎo)體就因為切割磁感線會產(chǎn)生電流，而有了電流，此導(dǎo)體就會在旋轉(zhuǎn)磁場中受力運動，楞次定律說的就是這回事。

如果此閉合導(dǎo)體可以自由運動，那么他就會跟著此旋轉(zhuǎn)磁場運動，根據(jù)楞次定律很容易理解，閉合導(dǎo)體雖然跟著磁場旋轉(zhuǎn)，但是總歸不如磁場旋轉(zhuǎn)的快。如果不理解楞次定律的話，可以這么理解：如果兩者轉(zhuǎn)的速度一樣快了，那么此閉合導(dǎo)體就不會切割磁感線了，也就沒有電流了，沒有電流就無法受力旋轉(zhuǎn)了。所以，要想受力，就必須轉(zhuǎn)的比磁場慢那么一點點。

就這慢的一點點，說明轉(zhuǎn)的速度比磁場慢，也就是和磁場不同步，不同步就是異步了，沒錯，這就是異步電動機的基本原理。

交流異步機

如果旋轉(zhuǎn)磁場中放置一塊永磁體或者電磁鐵，那情況就不一樣了。磁體或者電磁鐵會跟著旋轉(zhuǎn)磁場運動，如果自由運動的話，那么磁體或者電磁鐵會與旋轉(zhuǎn)磁場相同的速度旋轉(zhuǎn)，也就是同步旋轉(zhuǎn)。沒錯，這就是交流同步電動機。

交流同步機

兩種電動機原理類似，但是能量傳遞是不一樣的，所以其數(shù)學(xué)模型和控制方式也有差別，必須分開來講。

交流異步機

交流異步電動機就是我們平時所說的感應(yīng)電機。其中有一種比較常用的電動機，轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu)，俗稱鼠籠電動機。它們的結(jié)構(gòu)都非常簡單，沒有換向組件和電刷，因此成本低廉，皮實耐操，穩(wěn)定可靠，不需要特殊維護，應(yīng)用十分廣泛。

但是異步電動機雖然結(jié)構(gòu)簡單，控制起來卻很麻煩：定子中的功率由一部分被用來勵磁，還被饋送到轉(zhuǎn)子，一部分用來做功產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，也就是說電流中用來勵磁的部分也用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的部分無法直接區(qū)分開來，所以異步電動機無法像直流電動機一樣直接控制電壓或者電流來控制轉(zhuǎn)矩。

當然，異步電動機轉(zhuǎn)起來之后，旋轉(zhuǎn)磁場的速度是由交流電的頻率的決定的，定子與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速差，也就是異步的異，我們稱為轉(zhuǎn)差，則與電壓、電流和電阻有關(guān)系，并且這些關(guān)系互相關(guān)聯(lián)，所以控制起來非常復(fù)雜。

根據(jù)上面的說法，其實異步電動機控制交流電頻率、電壓、或者轉(zhuǎn)子的電阻、電機的磁極分布都可以調(diào)速，但是控制轉(zhuǎn)子電阻和磁極分布要么與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)，要么無法實現(xiàn)無極調(diào)速。實現(xiàn)無極調(diào)速用調(diào)節(jié)頻率和電壓的方法可以實現(xiàn)，且與電機結(jié)構(gòu)無關(guān)。下文重點介紹這兩種調(diào)速方式。

調(diào)壓調(diào)速：對異步電動機來講，調(diào)節(jié)電壓可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，但改變的只有轉(zhuǎn)差率，所以調(diào)速范圍不大。在對電動機結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，增大轉(zhuǎn)子的電阻值后，調(diào)壓調(diào)速的調(diào)速范圍變大，但是仍然不夠大，一般只能用在調(diào)速要求不高的場合，應(yīng)用并不廣泛。變頻調(diào)速：說到變頻，大家可能都聽說過。變頻調(diào)速的全稱是變壓變頻調(diào)速（VVVF），也就是在改變頻率的時候改變電壓，這樣異步電動機的調(diào)速范圍就足夠大了。

變頻調(diào)速的重點就是變頻器，有了變頻器，異步電動機就可以獲得需要的頻率和電壓，從而實現(xiàn)大范圍的調(diào)速，特斯拉采用交流感應(yīng)電機使用的就是這種調(diào)速方式。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻技術(shù)越來越成熟，變頻器可以分為兩個大類：交交變頻和交直交變頻。

交交變頻將交流電直接通過電力電子器件變換為另一個頻率的交流電，最高輸出頻率不能超過輸入頻率的一半，所以一般只用在低轉(zhuǎn)速、大容量的系統(tǒng)中，可以省去龐大的齒輪減速箱。交直交變頻器將交流電先整流變成直流，再通過逆變器變成可控頻率和電壓的交流，配合PWM技術(shù)，這種變頻器可以實現(xiàn)大范圍的變壓變頻。

近些年芯片技術(shù)的迅速發(fā)展，產(chǎn)生強大的數(shù)字信號處理器（DSP），異步電動機的數(shù)學(xué)模型雖然復(fù)雜，但是有了強大的計算能力，依然可以通過計算將電流中的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量計算出來并分別控制，配合功能完善的變壓變頻器，誕生了SVPWM和DTC等高精度控制方式，使異步電動機的調(diào)速性能越來越強大，以至于完全可以與直流電動機媲美調(diào)速性能。

所以，對于電動汽車來講，異步電動機皮實耐用，過載能力強，控制算法又如此成熟，完全可以拿來用。

交流同步機

同步電動機原理

交流同步機的原理前面說過了，它沒有轉(zhuǎn)差率，在結(jié)構(gòu)確定的情況下，控制電壓不能改變轉(zhuǎn)速，所以在變頻器出現(xiàn)之前，同步電動機是完全不能調(diào)速的。變頻器的出現(xiàn)讓交流同步電動機也有了巨大的調(diào)速范圍，因其轉(zhuǎn)子也有獨立勵磁（永磁體或者電勵磁），其調(diào)速范圍要比異步電動機更寬，同步電動機煥發(fā)了新的生機。

就頻率控制方法而言，同步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可以分為他控變頻調(diào)速和自控變頻調(diào)速。

他控變頻調(diào)速：變頻調(diào)速系統(tǒng)是獨立于電動機的，也就是電動機本身沒有轉(zhuǎn)子位置檢測裝置。自控變頻調(diào)速：電動機本身自帶轉(zhuǎn)子位置檢測器等轉(zhuǎn)子位置信號獲取裝置，使用此裝置的轉(zhuǎn)子位置信號來控制變壓變頻調(diào)速裝置的換相時刻。

對于他控變頻調(diào)速，朋友們應(yīng)該也看出來了，和異步電動機的變頻調(diào)速類似，也可以根據(jù)其數(shù)學(xué)模型采用SVPWM等控制方式來實現(xiàn)控制，其性能還要優(yōu)于普通交流異步電動機。

如果你很敏感，你會對自控變頻調(diào)速更感興趣。

自控變頻同步電動機在發(fā)展過程中曾經(jīng)有多種名字，比如無換向器電機；當采用永磁體且輸入三相正弦波時，可以稱為永磁同步電動機；而如果輸入方波，那么就可以稱為梯形波永磁同步電動機，沒錯，這就是大家經(jīng)常BB的無刷直流機（BLDM）。

無刷直流電機

有人把無刷直流電動機自控變頻調(diào)速系統(tǒng)簡稱為“直流變頻”，實際上是很荒謬的，因為直流電根本就沒有頻率一說。然而，很遺憾，這種叫法目前幾乎廣泛流傳。

對于無刷直流電機，調(diào)速的時候表面上只控制了輸入電壓，但電機的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)自動根據(jù)變壓控制了頻率，用起來和直流電機幾乎一樣，非常方便。如果采用勵磁繞組，勵磁可以單獨控制，還可以增大調(diào)速范圍；如果采用永磁體，那么勵磁控制起來就比較麻煩，且還有退磁問題，無法使調(diào)速范圍媲美勵磁繞組的無刷直流電機。然而，有了永磁體加持，特別是采用了稀土金屬永磁，如釹鐵硼、釤鈷等磁體的，其磁性強大，不需要專門的勵磁繞組，在同等容量的情況下，電機體積更小，重量更輕，效率更高，結(jié)構(gòu)更緊湊，運行更可靠，動態(tài)性能更好，在電動汽車的驅(qū)動等方面都獲得了廣泛的應(yīng)用。

特斯拉在Model3上采用的就是這種電動機。

差不多了，雖然這篇文章里略過了繞線式電機、步進電機、開關(guān)磁阻電機等類型的電機，雙饋調(diào)速、轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、串級調(diào)速等調(diào)速方式，但是對常見的直流和交流電動機類型、特點、調(diào)速方式進行了梳理，相信通過此篇文章，大家會對電動機的控制有一個大的框架形式的理解，這樣我的目的也就達到了。

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對了，文章的第一句話，是我說的。