矢量控制下的車用IPMSM電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制*

王旭斌，和豪濤

（河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院，河南 鄭州 450000）

IPMSM是將永磁體嵌入或內(nèi)裝在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)的永磁同步電機(jī)，相對于SPMSM，其能夠有效利用磁阻轉(zhuǎn)矩，提高轉(zhuǎn)矩/電流比；還可降低永磁體勵(lì)磁磁通，減小永磁體體積，有利于弱磁運(yùn)行，擴(kuò)展速度范圍；具有低速輸出大扭矩、高速輸出大功率的工作特性，在電動(dòng)汽車，特別是純電動(dòng)汽車上作為驅(qū)動(dòng)裝置廣泛使用。IPMSM的控制方法有開環(huán)控制的恒壓頻比控制、閉環(huán)控制的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。其中，矢量控制技術(shù)是借鑒他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞電流和勵(lì)磁電流相互垂直，沒有耦合及可獨(dú)立控制的思路，以坐標(biāo)變換理論為基礎(chǔ)，通過對電機(jī)定子電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中大小和方向的控制，達(dá)到對直軸和交軸分量的解耦目的，從而實(shí)現(xiàn)磁場和轉(zhuǎn)矩的解耦控制；矢量控制更多采用空間矢量調(diào)制技術(shù)SVPWM獲得準(zhǔn)圓形旋轉(zhuǎn)磁場。

IPMSM電機(jī)的控制對象有轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制。目前，對電機(jī)的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)研究較多，而全速域下驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)的轉(zhuǎn)矩控制研究不多。在車輛行駛中，巡航行駛時(shí)，電動(dòng)汽車IPMSM電機(jī)工作于轉(zhuǎn)速控制；而車輛一般行駛時(shí)，運(yùn)行轉(zhuǎn)速大都由駕駛員來控制，駕駛員根據(jù)當(dāng)前車速以及需求車速對IPMSM電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，決定加速和減速。此外，電動(dòng)汽車IPMSM驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制還包括電機(jī)系統(tǒng)的上下電控制，電機(jī)上下電控制較多采用基于整車State機(jī)制的控制策略。電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)矩控制涉及驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)兩種工況，由整車控制器根據(jù)車輛的實(shí)際運(yùn)行情況，即車速、擋位、電門踏板開度、制動(dòng)踏板開度、電池SOC值等狀態(tài)信息，來決定電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩/功率。當(dāng)電機(jī)控制器接收到整車控制器發(fā)出的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出指令后，就將動(dòng)力電池提供的直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；當(dāng)電機(jī)控制器接收到整車控制器發(fā)出的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩輸出指令后，就將電機(jī)反電動(dòng)勢能量供給動(dòng)力電池，電機(jī)輸出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。矢量控制下的轉(zhuǎn)矩控制相對于轉(zhuǎn)速控制，僅保留電流環(huán)參與控制，如圖1所示，關(guān)鍵是性能要求下的指令轉(zhuǎn)矩情況及其參考電流的確定。

圖1 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

1 電機(jī)特性

對電機(jī)的控制，根本是對電樞電流的控制，而參考電流受制于電機(jī)的工作特性。基于矢量控制下的IPMSM電機(jī)數(shù)學(xué)模型如下：

根據(jù)定子電壓方程及電壓約束方程，以一定的電流，，即恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行過程中，將所需定子電壓隨轉(zhuǎn)速達(dá)到電壓極限值時(shí)的轉(zhuǎn)速范圍稱為恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)，電機(jī)實(shí)施變壓變頻控制。不同恒轉(zhuǎn)矩值下的轉(zhuǎn)速不同，恒轉(zhuǎn)矩值越高，電壓極限橢圓的兩軸半徑越大，可達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速越低。通常，額定轉(zhuǎn)矩下，電壓達(dá)到極限值的轉(zhuǎn)速稱為基速。峰值轉(zhuǎn)矩下的最大轉(zhuǎn)速稱為轉(zhuǎn)折速度。越過恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)，為了擴(kuò)大轉(zhuǎn)速范圍，通過減小對d方向的轉(zhuǎn)子磁鏈減弱，即弱磁控制區(qū)，電機(jī)實(shí)施恒壓變頻控制。

由轉(zhuǎn)矩方程知，在電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)確定后，電磁轉(zhuǎn)矩的大小將決定于定子電流的兩個(gè)分量。而且，對每一個(gè)，和都有無數(shù)組合與之對應(yīng)。這就需要確定對兩個(gè)電流分量的匹配原則，也就是定子電流的優(yōu)化控制問題。顯然，優(yōu)化目標(biāo)不同，兩個(gè)電流分量匹配的原則和控制方式便不同。

電動(dòng)機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行區(qū)，鐵耗不是主要的，而銅耗占的比例較大，通常選擇最大轉(zhuǎn)矩/電流比（MTPA）來控制定子電流，這樣不僅使電動(dòng)機(jī)銅耗最小，還減小了逆變器和整流器的損耗，可降低系統(tǒng)的總損耗，還利用弱磁效應(yīng)充分利用了電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩。由轉(zhuǎn)矩公式在-平面內(nèi)得到恒轉(zhuǎn)矩曲線族，如圖2a所示（圖中轉(zhuǎn)速信息針對弱磁控制區(qū)，低于MTPA線對應(yīng)最大轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速沒顯出），每一條恒轉(zhuǎn)矩曲線上有一點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)最近，這點(diǎn)便與最小定子電流相對應(yīng)。將各條恒轉(zhuǎn)矩曲線上這樣點(diǎn)連起來就確定了最小定子電流矢量軌跡MTPA曲線OA。A點(diǎn)是峰值轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的工作點(diǎn)，可見，其恒轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速最小。給定指令轉(zhuǎn)矩，根據(jù)計(jì)算速度和精度，求解MTPA曲線上的，的具體實(shí)現(xiàn)有較多方法，常用的有公式解析計(jì)算及其改進(jìn)公式、查表法及智能控制算法等。

圖2 IPMSM運(yùn)行控制圖

在弱磁控制區(qū)，典型曲線有等轉(zhuǎn)矩曲線族DE/FG/HI、最大輸出功率曲線：電流極限圓曲線（極限電壓電流約束下，各轉(zhuǎn)速下輸出轉(zhuǎn)矩最大值的連線AB）和最大轉(zhuǎn)矩電壓比MTPV曲線（極限電壓約束下，各轉(zhuǎn)速下輸出轉(zhuǎn)矩最大值的連線BEGIC）。給定指令轉(zhuǎn)矩，計(jì)算各等轉(zhuǎn)矩曲線對應(yīng)的，公式解析法幾乎不可能，常用的有梯度法及查表法；電流極限圓曲線和最大轉(zhuǎn)矩電壓比MTPV曲線對應(yīng)的，計(jì)算有公 式 解 析 計(jì)算、查表法或梯度法及超前角控制等。采用查表法，使用MTPA、等轉(zhuǎn)矩曲線和MTPV控制，某電機(jī)驅(qū)動(dòng)及制動(dòng)過程指令電流隨轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化如圖3所示。

圖3 指令電流i d，i q隨轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化云圖

2 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制

當(dāng)汽車處于起步、加速減速、停車、爬坡等工況時(shí)，需要較高的轉(zhuǎn)矩，電機(jī)主要運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)，當(dāng)汽車運(yùn)行在較高車速、超車等工況時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速在基速以上，電機(jī)主要運(yùn)行在弱磁控制區(qū)。對照圖2c所示，以額定轉(zhuǎn)矩作為指令轉(zhuǎn)矩，恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，先在恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)以MTPA控制運(yùn)行至點(diǎn)D，然后進(jìn)入等轉(zhuǎn)矩弱磁控制區(qū)運(yùn)行至點(diǎn)E，而后沿MTPV控制線到目標(biāo)轉(zhuǎn)速對應(yīng)的點(diǎn)G后，指令轉(zhuǎn)矩降為負(fù)載轉(zhuǎn)矩值，電機(jī)等速運(yùn)轉(zhuǎn)。只要在達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速前，指令轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速時(shí)，指令轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)便等速運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣有無數(shù)過程選擇。在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制中，是否進(jìn)入弱磁控制區(qū)與目標(biāo)轉(zhuǎn)速有關(guān)；弱磁區(qū)如何控制，與性能目標(biāo)有關(guān)，文獻(xiàn)[3]給出了弱磁區(qū)的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)控制。作為比較，階躍轉(zhuǎn)速控制下的起動(dòng)和制動(dòng)過程，為了響應(yīng)時(shí)間較短，電機(jī)各轉(zhuǎn)速點(diǎn)工作于峰值或最大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，對應(yīng)圖2（a、c、d）中OABC曲線或CB＇A＇O曲線。

3 制動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制

電動(dòng)汽車使用了液壓制動(dòng)和電機(jī)再生回饋制動(dòng)組成的混合制動(dòng)，滑行制動(dòng)時(shí)主要是電機(jī)再生回饋制動(dòng)起作用，踏板制動(dòng)時(shí)液壓制動(dòng)和電機(jī)再生回饋制動(dòng)共同參與，兩者有并聯(lián)和串聯(lián)控制兩種方式，純電動(dòng)車較多采用并聯(lián)控制，混合動(dòng)力車較多采用串聯(lián)控制。根據(jù)車輛驅(qū)動(dòng)形式及控制要求，又有具體的實(shí)現(xiàn)方法。電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制是設(shè)計(jì)混合制動(dòng)中制動(dòng)力分配控制的基礎(chǔ)。

由轉(zhuǎn)矩方程，電機(jī)制動(dòng)時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，相對驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制，只需控制＜0即可，電磁參數(shù)關(guān)系變化如圖2b所示。在SVPWM調(diào)制控制下，逆變電路工作于可控整流狀態(tài)，制動(dòng)電流和電樞電壓仍受到極限值的約束。根據(jù)電機(jī)輸入功率正負(fù)值，將制動(dòng)過程分為高速弱磁區(qū)回饋制動(dòng)和低速恒轉(zhuǎn)矩能耗制動(dòng)，如圖2d所示。在分界線上可進(jìn)行最大回饋電磁轉(zhuǎn)矩控制，在回饋制動(dòng)區(qū)可進(jìn)行回饋?zhàn)畲蠊β?、考慮損耗的最優(yōu)回饋及電機(jī)發(fā)電效率最優(yōu)等轉(zhuǎn)矩控制。制動(dòng)時(shí)，根據(jù)初始轉(zhuǎn)速大小，電機(jī)將經(jīng)歷高速的回饋制動(dòng)或低速的能耗制動(dòng)。文獻(xiàn)[8]給出恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)制動(dòng)仿真，從中可看出轉(zhuǎn)矩控制跟蹤及，變化情況。

4 結(jié)語

IPMSM電機(jī)的工作特性數(shù)學(xué)方程是分析及進(jìn)行矢量控制下IPMSM電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)。利用工作軌跡圖、特性曲線圖及相量圖的對應(yīng)關(guān)系是理解和開發(fā)驅(qū)動(dòng)制動(dòng)各控制區(qū)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩、功率或效率等最優(yōu)控制策略的途徑，控制曲線，值的計(jì)算獲得也是研究的熱點(diǎn)。