新能源汽車用永磁同步電機(jī)的高速控制策略

摘要：永磁同步電機(jī)是新能源汽車中常用的電機(jī)類型，其因高效率和高功率密度而在新能源汽車中占據(jù)重要地位。隨著新能源汽車對動力性能和續(xù)航里程要求的逐漸提高，驅(qū)動電機(jī)的高速化成為關(guān)鍵技術(shù)之一。探討永磁同步電機(jī)的高速控制策略，重點分析了矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制2種控制策略，并介紹了高速運行中的參數(shù)優(yōu)化技術(shù)。通過闡述高速控制策略及其在永磁同步電機(jī)高速運行中的應(yīng)用，以期為永磁同步電機(jī)的高速化提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；高速控制；矢量控制

0 前言

隨著全球?qū)沙掷m(xù)發(fā)展和環(huán)保要求的不斷提高，新能源汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，成為汽車工業(yè)的重要方向。永磁同步電機(jī)憑借其高效率、高功率密度和良好的控制性能，已成為新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)的主流選擇。為了滿足新能源汽車對動力性能、續(xù)航里程和能效的更高要求，驅(qū)動電機(jī)的高速化趨勢日益顯著。電機(jī)的高速運行雖然能夠提高功率密度和效率，但也帶來了更大的技術(shù)挑戰(zhàn)，如機(jī)械強(qiáng)度、熱管理和控制策略等問題。本文聚焦于新能源汽車用永磁同步電機(jī)的高速控制策略，通過分析矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）的原理和應(yīng)用，為電機(jī)高速化提供理論支持和技術(shù)參考。

1 永磁同步電機(jī)高速控制策略

1. 1 永磁同步電機(jī)的工作原理

1. 2 永磁同步電機(jī)高速運行中的挑戰(zhàn)

隨著永磁同步電機(jī)在新能源汽車中的應(yīng)用不斷增加，電機(jī)的高速運行需求也逐漸提升。然而，高速運行帶來了許多挑戰(zhàn)[3]。

（1） 機(jī)械強(qiáng)度問題。轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下會承受巨大的離心力，尤其是永磁體材料（如釹、鐵、硼）的抗拉強(qiáng)度較低，易引起機(jī)械破壞。

（2） 熱管理問題。高速運行時，電機(jī)內(nèi)部的損耗增加，特別是銅損和鐵損，導(dǎo)致溫度急劇上升。如果熱量不能有效散發(fā)，將影響電機(jī)性能，甚至導(dǎo)致永磁體退磁。

（3） 電磁干擾問題。高頻電流和電壓的快速變化會引起較大的電磁干擾，影響電機(jī)及其控制系統(tǒng)的正常運行。

（4） 控制精度問題。電機(jī)高速運行時，需要精確的控制策略來維持電機(jī)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，傳統(tǒng)控制方法在高速情況下可能無法滿足要求。

1. 3 控制策略在高速運行中的作用

為了確保永磁同步電機(jī)在新能源汽車中的高速運行既高效又可靠，采用先進(jìn)的控制策略至關(guān)重要。這些策略不僅需要維持電機(jī)的穩(wěn)定運行，還要優(yōu)化其動態(tài)性能和整體效率，特別是在面對極端運行條件時[4-5]。在高速運行中，控制策略主要包括矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），每種方法都針對特定的運行挑戰(zhàn)提供了解決方案。

矢量控制通過優(yōu)化電流輸入，提高了電機(jī)的響應(yīng)速度和精確性，使電機(jī)能在寬廣的速度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。而DTC則直接影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，實現(xiàn)快速響應(yīng)和高效率。這些策略的有效實施，不僅提升了電機(jī)的性能，還顯著增加了電機(jī)的適用性和可靠性，特別是在高速和高負(fù)載條件下。

通過調(diào)整控制參數(shù)和優(yōu)化控制算法，這些策略能夠應(yīng)對由高速運行引起的挑戰(zhàn)，如熱管理、機(jī)械強(qiáng)度維持及電磁干擾控制，確保新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)的高效可靠運行。

2 矢量控制策略

2. 1 矢量控制的原理

矢量控制，又稱場定向控制（FOC），是一種先進(jìn)的電機(jī)控制技術(shù)，通過將定子電流分解為與轉(zhuǎn)子磁場同向（d軸）和垂直于轉(zhuǎn)子磁場方向（q軸）2個分量來進(jìn)行獨立控制。通過這種方式，矢量控制能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的獨立調(diào)節(jié)，使得電機(jī)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能大大提高。矢量控制利用坐標(biāo)變換（如Clarke變換和Park變換）將三相電流轉(zhuǎn)換為直流量，從而簡化了電機(jī)控制的復(fù)雜性，提高了控制精度和響應(yīng)速度。

2. 2 高速運行中的矢量控制應(yīng)用

在高速運行中，矢量控制通過精確的電流調(diào)節(jié)和實時的磁鏈檢測，確保電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下依然能夠保持穩(wěn)定和高效運行。矢量控制的應(yīng)用包括動態(tài)調(diào)節(jié)定子電流以適應(yīng)瞬時負(fù)載變化，以及優(yōu)化轉(zhuǎn)矩輸出以減少損耗和提高效率。特別是對于新能源汽車，矢量控制可以有效改善電機(jī)在高速工況下的性能，提升整車的動力性能和續(xù)航里程。通過先進(jìn)的控制算法和實時反饋調(diào)節(jié)，矢量控制在實際應(yīng)用中能夠顯著提升電機(jī)的運行效率和穩(wěn)定性。

3 DTC策略

3. 1 DTC的原理

DTC是一種先進(jìn)的電機(jī)控制方法，其核心思想是直接控制電機(jī)的磁鏈，而不依賴于傳統(tǒng)的電流控制。DTC通過實時檢測定子磁鏈的誤差，選擇合適的電壓矢量來修正誤差，從而實現(xiàn)高效的動態(tài)響應(yīng)。其基本原理可以用以下步驟描述。

（2） 誤差檢測和比較。通過比較實際磁鏈和轉(zhuǎn)矩與參考值之間的誤差，生成相應(yīng)的控制信號。

（3） 電壓矢量選擇。根據(jù)誤差的大小和方向，施加適當(dāng)?shù)碾妷菏噶浚詼p少誤差并調(diào)整磁鏈。通常使用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）方法實現(xiàn)電壓矢量的選擇和控制。

（4） 電壓矢量施加。通過逆變器將選擇的電壓矢量施加到電機(jī)上，實時調(diào)整電機(jī)的運行狀態(tài)。

3. 2 高速運行中的DTC實現(xiàn)

在電機(jī)高速運行中，DTC需要應(yīng)對電機(jī)頻率和電壓的大幅變化，以及電機(jī)參數(shù)的不確定性。為了確保電機(jī)高速運行中的穩(wěn)定性和高效性，DTC在實現(xiàn)過程中需要采取以下措施。

（1） 高精度的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩估算。由于電機(jī)高速運行時的動態(tài)變化較快，定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的估算需要高精度和快速響應(yīng)，通常通過高頻率的采樣和高效的數(shù)字信號處理（DSP）來實現(xiàn)。

（2） 優(yōu)化的電壓矢量選擇。在電機(jī)高速運行中，電壓矢量的選擇十分關(guān)鍵。通過改進(jìn)的SVPWM算法，可以在更短的時間內(nèi)選擇最優(yōu)的電壓矢量，減少誤差并提高控制精度。

（3） 實時參數(shù)調(diào)整。電機(jī)高速運行時，電機(jī)參數(shù)（如電阻、電感等）會隨溫度和負(fù)載變化而變化。實時監(jiān)測和調(diào)整這些參數(shù)，可以提高DTC的魯棒性和穩(wěn)定性。

（4） 高效的熱管理。電機(jī)高速運行會帶來更多的熱量，電機(jī)的溫升需要有效的熱管理系統(tǒng)來控制。通過實時監(jiān)測溫度并進(jìn)行冷卻管理，可以確保電機(jī)在高速運行中的安全性和可靠性。

通過上述方法，DTC能夠在高速運行中有效控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，提高電機(jī)的動態(tài)性能和運行效率，確保新能源汽車在各種工況下的高效運行。

4 高速控制中的參數(shù)優(yōu)化

4. 1 轉(zhuǎn)速與電流控制參數(shù)的優(yōu)化

4. 2 高速運行中的參數(shù)調(diào)整方法

在高速運行中，電機(jī)參數(shù)（如電阻Rs，電感Ld、Lq等）會隨著溫度和負(fù)載變化而變化，實時調(diào)整這些參數(shù)對于保持電機(jī)的高效運行至關(guān)重要，具體調(diào)整方法如下。

（1） 自適應(yīng)控制算法。通過實時監(jiān)測電機(jī)的運行狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整控制參數(shù)。例如，基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)（MRAS）的方式可以實時調(diào)整電機(jī)的等效參數(shù)。

（2） 觀測器設(shè)計。設(shè)計狀態(tài)觀測器，如滑模觀測器（SMO）來估算電機(jī)的瞬時參數(shù)，以提高參數(shù)估算的精度和響應(yīng)速度。

通過這些參數(shù)調(diào)整方法，可以確保電機(jī)在高速運行中的穩(wěn)定性和高效性，提高系統(tǒng)的魯棒性。

5 結(jié)語

本文探討了新能源汽車用永磁同步電機(jī)的高速控制策略，重點分析了矢量控制和DTC 2種主要方法。通過研究永磁同步電機(jī)的基本工作原理和高速運行中的挑戰(zhàn)，明確了高速控制策略在提升電機(jī)性能和穩(wěn)定性方面的重要作用。矢量控制通過解耦電流實現(xiàn)對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的獨立調(diào)節(jié)，而DTC則通過實時選擇電壓矢量直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈。這些控制策略在實際應(yīng)用中表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，尤其在高速運行工況下，提高了電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)和效率。此外，參數(shù)優(yōu)化和實時調(diào)整方法的引入進(jìn)一步增強(qiáng)了電機(jī)的魯棒性和可靠性。未來，隨著控制算法和技術(shù)的不斷進(jìn)步，高速控制策略將在新能源汽車領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

參 考 文 獻(xiàn)

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[4] 張朋輝.永磁同步電動機(jī)弱磁控制策略的研究與仿真[J].防爆電機(jī)，2022，57（3）：45-48，54.

[5] 武龍星.電動汽車用永磁同步電動機(jī)弱磁控制策略綜述[J].輕工科技，2015，31（4）：66-67.