基于電動(dòng)汽車永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制策略

聶光輝

摘? 要：由于電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)要滿足車輛在各種負(fù)荷下的起步、加速、勻速行駛、減速和制動(dòng)等不同工況的要求，因此其必須能夠快速響應(yīng)并且調(diào)速范圍廣，控制系統(tǒng)對(duì)永磁同步電機(jī)來說非常重要，通過控制系統(tǒng)能夠使電機(jī)在不同行駛工況下都能正常的工作。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;驅(qū)動(dòng)電機(jī);控制策略

中圖分類號(hào)：TM341? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

目前絕大多數(shù)的電動(dòng)汽車用可調(diào)速的永磁同步電機(jī)都屬于自控式的，所謂自控式是指通過檢測轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速并反饋信息，確保電機(jī)系統(tǒng)和逆變器一直處于同步狀態(tài)。常見的對(duì)永磁同步電機(jī)的控制方式有恒壓頻比開環(huán)控制、失量控制、直線轉(zhuǎn)矩控制和智能控制等控制方式。分別實(shí)現(xiàn)在不同行駛場合下對(duì)永磁同步電機(jī)的起動(dòng)、加速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及能量回收的控制。

近些年來，交流電機(jī)上常用的控制方式有開環(huán)控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制及智能控制等，這些控制方式既能用于交流異步電機(jī)，同時(shí)也能用于在我國具有得天獨(dú)后發(fā)展前景的永磁同步電機(jī)上。我國是稀土儲(chǔ)量和產(chǎn)量大國，稀土又是制造電機(jī)永磁體的重要原料。交流異步電機(jī)廣泛應(yīng)用于電力機(jī)車和商用電動(dòng)汽車上，由于永磁同步電機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、其轉(zhuǎn)子上有永磁體不需要通電等優(yōu)點(diǎn)，因此越來越多的乘用車采用該電機(jī)作為動(dòng)力裝置來驅(qū)動(dòng)車輪行駛，也正是因?yàn)槠滢D(zhuǎn)子不需要通電，給它的控制帶來了困難。

1 永磁同步電機(jī)的開環(huán)控制

永磁同步電機(jī)的開環(huán)控制（VVVF）是交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速最基本的控制方式，簡稱變頻調(diào)速系統(tǒng)，也稱恒壓頻比開環(huán)控制。能應(yīng)用在大多數(shù)對(duì)調(diào)速性能要求一般的交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中，并且使用方便，是通用變頻器的基本模式。

永磁同步電機(jī)的開環(huán)控制原理是控制器對(duì)給定或者預(yù)先設(shè)定好的電壓及頻率進(jìn)行分析和計(jì)算，然后控制輸入變頻器的三相正弦交流電壓值及頻率，使之隨給定或者預(yù)先設(shè)定好的電壓及頻率的變化而變化，從而改變定子繞組的磁場旋轉(zhuǎn)速率，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度也隨之改變，也就改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，如圖1所示。

開環(huán)控制在基頻（指電機(jī)在額定扭矩時(shí)的頻率）以下的調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差率不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性比較硬，調(diào)速范圍寬，無論高速還是低速時(shí)工作效率都比較高。

但由于該種控制方式?jīng)]有位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子速度和位置的信號(hào)，屬于開環(huán)控制，因此難以準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，在電動(dòng)汽車行駛中開空調(diào)或者上坡時(shí)，突加的負(fù)荷可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低，甚至是停轉(zhuǎn)。所以不適合對(duì)電動(dòng)汽車上的永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制。

2 矢量控制

矢量控制（VC）最初應(yīng)用于異步電機(jī)，后來引入交流同步電機(jī)的控制系統(tǒng)中，矢量控制的核心是轉(zhuǎn)矩控制，將直流調(diào)速系統(tǒng)的理論應(yīng)用到永磁同步電機(jī)的控制策略中，可以精確控制交流同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并使電機(jī)實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)速控制[1]，滿足電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力的需求。

由于永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)子對(duì)控制效果影響比較小，所以只需要檢測和定子的電流矢量，就能實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)矩的目的，如圖2所示。具體來說，是將永磁同步電機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)距電流分量，并分別對(duì)2個(gè)分量的幅值和相位進(jìn)行控制。

根據(jù)矢量控制范圍的不同，該控制方法主要有最大轉(zhuǎn)矩/電流控制、id=0控制（id即電流i在矢量坐標(biāo)系里的d軸上的分量為零。通常d軸電流為勵(lì)磁電流）、弱磁控制和最大輸出功率控制等[1]。其中控制方式最簡單的是弱磁控制，其可以改善電機(jī)的調(diào)速性能。為了在高速時(shí)獲得更寬廣的功率運(yùn)行范圍，電動(dòng)汽車對(duì)永磁同步電機(jī)的高速運(yùn)行通常采用弱磁控制。

3 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）是在20世紀(jì)80年代后期提出的，首先在交流異步電動(dòng)機(jī)的控制中應(yīng)用，后來逐漸推廣到弱磁區(qū)域以及永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制中，其控制原理的核心是通過直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩來控制其轉(zhuǎn)速。

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)由速度控制器、調(diào)節(jié)器、PWM逆變器、磁鏈和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊、速度傳感器及和永磁同步電動(dòng)機(jī)等部份組成。直接轉(zhuǎn)矩控制只需檢測定子繞組的電壓和電流，就能通過控制器去計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩，并與給定值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的直接控制[2]。

永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的控制過程如圖3所示，控制系統(tǒng)對(duì)逆變器輸出的三相電壓和電流進(jìn)行檢測，輸入坐標(biāo)變換模塊并進(jìn)行變換后，進(jìn)入磁鏈和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊進(jìn)行分析，測算出永磁同步電機(jī)的定子磁鏈，由此得出轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩。

電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速可通過速度調(diào)節(jié)器（轉(zhuǎn)子位置傳感器）獲得，例如現(xiàn)在電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)上廣泛采用的旋轉(zhuǎn)變壓器就是轉(zhuǎn)子位置傳感器的一種。電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速比較，確定出基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩，并與通過轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的實(shí)際轉(zhuǎn)矩相比較，再經(jīng)過逆變器輸出控制脈沖信號(hào)。

直接轉(zhuǎn)矩控制的原理框圖如圖3所示，實(shí)際轉(zhuǎn)速值ω與轉(zhuǎn)速參考值ω*相比較，得到轉(zhuǎn)矩參考值T*。經(jīng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)與反饋轉(zhuǎn)矩T比較所得的轉(zhuǎn)矩差做滯環(huán)處理，得到轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)τ。再將定子磁鏈參考值φS*跟定子磁鏈實(shí)際值φS相比，經(jīng)磁鏈調(diào)節(jié)得到磁鏈控制信號(hào)φ。從PWM逆變器傳遞的直流側(cè)電壓Udc及電機(jī)的三相交流電壓經(jīng)過坐標(biāo)變換，分別轉(zhuǎn)換成α軸實(shí)測電流iα、β軸實(shí)測電流iβ、α軸實(shí)測電壓uα和β軸實(shí)測電壓uβ，并在矩陣和磁鏈比較器中進(jìn)行計(jì)算，輸出扇區(qū)信號(hào)，并和轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)τ和磁鏈控制信號(hào)φ共同進(jìn)入開關(guān)選擇，生成PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，輸出給PWM逆變器，給電機(jī)供電。

直接轉(zhuǎn)矩控制極大地簡化了信號(hào)的處理難度，電動(dòng)機(jī)參數(shù)影響也較小，抗干擾能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車的交流電機(jī)的控制器中。

4 智能控制

為了提高永磁同步電動(dòng)機(jī)的智能控制能力，就必須不依賴或者不完全依賴控制對(duì)象的模型，以此來為以后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能奠定基礎(chǔ)。

交流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)采用由速度環(huán)和電流環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，對(duì)電流環(huán)的控制采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制方式，能保證電機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在速度環(huán)中，經(jīng)常采用智能PI控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)速度環(huán)的控制，大大提高了系統(tǒng)的整合性能。

在雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)中，智能PI控制器相當(dāng)于速度控制器，電流和轉(zhuǎn)矩的控制仍采用VC控制和DTC控制等控制方法，使系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。

從目前來看，智能控制要應(yīng)用在對(duì)電動(dòng)汽車的永磁同步電動(dòng)機(jī)控制中，還只是一個(gè)概念，相信在不久的將來，智能控制會(huì)越來越多的應(yīng)用在電動(dòng)汽車的電機(jī)控制中，開啟智能駕駛和無人駕駛的新時(shí)代。

總之，電動(dòng)汽車廣泛采用的永磁同步電機(jī)一般都采用自控式變頻調(diào)速，通過轉(zhuǎn)子位置傳感器為控制系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的精確控制，滿足電動(dòng)汽車對(duì)電動(dòng)機(jī)的智能控制要求。

參考文獻(xiàn)

[1]張寬，文紅舉，范鈺琢，等.電動(dòng)車用永磁同步電機(jī)矢量控制策略[J].汽車工程師，2017（1）：38-40.

[2]陳福民，王海仙，譚茀娃，等.感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制及其發(fā)展[J].電工技術(shù)雜志，1994（1）：29-32.