電動汽車內(nèi)置永磁同步電機控制策略研究

陸 媛，李大康

（銅陵學(xué)院電氣工程學(xué)院，安徽 銅陵244000）

0 引言

近些年來，傳統(tǒng)能源缺乏問題日益嚴(yán)重，清潔型新能源的開發(fā)利用越來越受到人們的重視。隨著以光伏發(fā)電為代表的新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，以及充電樁的逐步普及，電動汽車因其高效節(jié)能、清潔低碳的特征成為汽車行業(yè)發(fā)展的新方向[1]。

內(nèi)置式永磁同步電機作為電動汽車的核心部件，兼具交流電機和直流電機的優(yōu)點，原材料資源豐富、結(jié)構(gòu)簡單、功率密度高，已廣泛應(yīng)用于我國電動汽車市場。而其作為一個較為復(fù)雜的耦合非線性系統(tǒng)[2]，常用的控制方法有兩種：電流滯環(huán)控制和電壓空間矢量控制。

本文基于電流滯環(huán)控制和電壓空間矢量控制各自的優(yōu)缺點，將兩種控制方法有機結(jié)合起來加以優(yōu)化，并在電流滯環(huán)環(huán)節(jié)中用兩相斬波替代三相斬波，以降低控制器開關(guān)損耗，進一步提高系統(tǒng)的節(jié)能性。文章對該控制方案進行了仿真和實驗驗證。

1 控制方案設(shè)計

電動汽車經(jīng)充電樁獲得電能儲存在車載蓄電池中，再經(jīng)逆變器將所儲存的直流電轉(zhuǎn)換成交流電供給內(nèi)置永磁同步電機。為使電動汽車在運行過程中獲得平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩，電機的定子相電流應(yīng)是隨轉(zhuǎn)子位置正弦變化的信號[3]。逆變器（如圖1所示）的六個橋臂按照設(shè)定的控制模式開通/關(guān)斷，使輸出的電流波形盡可能接近理想正弦波。

圖1 三相逆變器原理圖

1.1 傳統(tǒng)控制方案

永磁同步電機控制器常采用電流滯環(huán)控制和電壓空間矢量控制。

電流滯環(huán)控制方法是將給定的三相參考電流iabc_ref與實際檢測的逆變器輸出電流iabc相比較，并預(yù)先設(shè)定滯環(huán)寬度△。若|iabc_ref-iabc|>△，則調(diào)節(jié)逆變器開關(guān)狀態(tài)使電流偏差減小到滯環(huán)寬度范圍內(nèi)。這種控制方式可以使實際電流波形保持在與理想正弦波形一定偏差限度內(nèi)呈不規(guī)則鋸齒狀波動，如圖2所示。這種控制方法電流跟蹤性好、易于實現(xiàn)，但穩(wěn)定性較差、輸出電流諧波含量高，一定程度上影響內(nèi)置永磁同步電機的性能。

圖2 電流滯環(huán)控制電流波形示意圖（單相）

空間矢量控制方法是利用了平均值等效原理：一個開關(guān)周期內(nèi)對基本電壓矢量相加，使其迭加所得的矢量與需要的電壓矢量相等。任何一個時刻，電壓矢量都可以由組成該矢量當(dāng)前所在區(qū)域的兩個相鄰的非零矢量和零矢量的不同組合來得到[4]，即：

三組功率開關(guān)構(gòu)成八種不同的開關(guān)狀態(tài)，所得到的合成電壓矢量如表1.

表1 開關(guān)狀態(tài)與對應(yīng)電壓矢量

將上表中八種電壓矢量映射到復(fù)平面中，可以得到電壓空間矢量圖，如圖3所示。

圖3 電壓空間矢量圖

這種控制方法能相對減小永磁同步電機的諧波損耗、降低脈動轉(zhuǎn)矩，電壓利用率高，適合應(yīng)用于數(shù)字化編程與控制[5]，但電流跟蹤響應(yīng)速度不如滯環(huán)控制。

1.2 改進控制方案

綜合以上兩種傳統(tǒng)控制方案的優(yōu)缺點，采用復(fù)合控制策略，即設(shè)定滯環(huán)寬度為△，在空間矢量控制的基礎(chǔ)上，當(dāng)|iabc_ref-iabc|>△時改用電流滯環(huán)控制，以提高電流跟蹤響應(yīng)速度。

同時，對于無中性點引出的內(nèi)置永磁同步電機，其三相電流滿足：ia+ib+ic=0[6]，即在電流滯環(huán)控制環(huán)節(jié)中，控制其中兩相電流，就可以實現(xiàn)對第三相電流的控制。據(jù)此可以對電流滯環(huán)控制環(huán)節(jié)加以優(yōu)化，僅對電流較小的兩相進行斬波，電流最大的那相不斬波，進一步降低控制器的開關(guān)損耗[7]。

改進控制方案的實現(xiàn)流程圖如圖4所示。

圖4 改進控制方案流程圖

2 實驗分析與驗證

為了檢驗改進控制方案的有效性和可靠性，構(gòu)建實驗系統(tǒng)對內(nèi)置永磁同步電機及其控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)、定子相電流、功率管開關(guān)信號等進行分析，電機參數(shù)如表2所示。

表2 電機參數(shù)

控制系統(tǒng)核心芯片選用TMS320F28335，通過電流傳感器獲得逆變器輸出到永磁同步電機的定子相電流值[8]。控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制方案計算得到參考電流iabc_ref，再經(jīng)如圖4所示的控制流程獲得逆變器各功率管的開關(guān)信號，實現(xiàn)電機的驅(qū)動控制，如圖 5 所示[9]。

圖5 實驗系統(tǒng)框圖

2.1 轉(zhuǎn)速響應(yīng)對比

在相同工作條件下，保持內(nèi)置永磁同步電機負(fù)載和逆變器直流端電源電壓不變，電機從靜止開始運行。初始設(shè)定轉(zhuǎn)速為500 r/min，0.03 s時提高至1 200 r/min，對比空間矢量控制方案和改進方案的轉(zhuǎn)速跟蹤響應(yīng)情況，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形對比

可以看出，改進方案對轉(zhuǎn)速變化的跟蹤速度更快，動態(tài)響應(yīng)性能較好。

2.2 定子相電流對比

在如3.1所述工作條件下，保持設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，對比兩種控制方案下逆變器輸出到電機的定子相電流波形，并對其進行FFT[10]，分析諧波情況，如圖7和圖8所示。

圖7 定子相電流波形對比

圖8 諧波及THD對比

由圖可見，改進控制方案相對于空間矢量控制方案諧波成分稍低，總諧波畸變率（THD）從5.41%降到了3.01%，定子相電流波形更接近理想正弦波；由于其在電流偏差大時引入了電流滯環(huán)控制，峰值附近紋波較小。

2.3 開關(guān)信號對比

在如3.1所述工作條件下，保持設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，對比觀測逆變器功率管開關(guān)狀態(tài)，如圖9所示。改進方案在滯環(huán)處理時將三相斬波簡化為兩相斬波，每一相的功率管會有一段時間處于長開/長關(guān)的狀態(tài)，總體上減少了逆變器的開關(guān)次數(shù)，降低了開關(guān)損耗。

圖9 開關(guān)信號（單相）波形對比

3 結(jié)論

文章針對電動汽車內(nèi)置永磁同步電機電流滯環(huán)控制和電壓空間矢量控制各自的特點，將兩種控制方法有機結(jié)合起來加以優(yōu)化，并在電流滯環(huán)環(huán)節(jié)中用兩相斬波替代三相斬波，以達(dá)到優(yōu)化控制效果、降低開關(guān)損耗、提高系統(tǒng)節(jié)能性的目的。

文章闡述了該改進控制方案的原理與實現(xiàn)方法，并驗證了其可行性，得到以下結(jié)論：（1）新方案動態(tài)響應(yīng)性能較好，對轉(zhuǎn)速變化的跟蹤速度優(yōu)于傳統(tǒng)的空間矢量控制方案；（2）輸出的定子相電流波形更接近理想正弦波，諧波總體較小，有助于降低永磁同步電機的運行損耗；（3）一定程度上降低了逆變器功率管開關(guān)次數(shù)，降低了控制系統(tǒng)的開關(guān)損耗。