電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)矢量控制的應(yīng)用與分析

【摘 要】純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性、續(xù)航里程及其行駛的穩(wěn)定性，與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制性能有極大的關(guān)聯(lián)。文章從了解電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及汽車(chē)對(duì)行駛的要求出發(fā)，闡述矢量控制在電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)基于矢量控制下的運(yùn)行調(diào)控策略將有利于提高電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行的可靠性。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車(chē);驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);永磁同步電機(jī);矢量控制

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）09-0050-03

Application and Analysis of Vector Control for Electric Vehicle Drive System

LI Gang

（Jilin Vocational and Technical College of Science and Technology，Changchun 133000，China）

【Abstract】The power performance，driving range and driving stability of pure electric vehicles are closely related to the control performance of the drive system. This paper expounds the application of vector control in the drive system of electric vehicles from the understanding of the structure and function of the drive system of electric vehicles and the driving requirements of vehicles. The operation control strategy of electric vehicle drive motor based on vector control will help to improve the reliability of electric vehicle operation.

【Key words】electric vehicle;drive system;permanent magnet synchronous motor;vector control

純電動(dòng)汽車(chē)電力驅(qū)動(dòng)控制是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)整車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及舒適性影響很大。當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)廣泛使用交流電機(jī)，由于汽車(chē)行駛的特點(diǎn)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制有別于其它電機(jī)。為滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)行駛的要求，當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制方式主要是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，因矢量控制方法已較成熟，被眾多汽車(chē)生產(chǎn)廠家所采用。

1 純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成與控制過(guò)程

純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（圖1）主要由動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、矢量控制器（逆變橋、驅(qū)動(dòng)電路、矢量控制單元、電流傳感器）、旋變傳感器等組成。動(dòng)力電池廣泛采用鋰離子電池組（磷酸鐵鋰、三元鋰），電壓通常在300～600V。驅(qū)動(dòng)電機(jī)為交流感應(yīng)電機(jī)或交流永磁同步電動(dòng)機(jī)，額定電壓與動(dòng)力電池電壓相近。矢量控制器是電機(jī)與電池之間電能傳輸?shù)目刂撇考?，設(shè)有功率變換電路和控制單元，具有控制電機(jī)運(yùn)行及在汽車(chē)滑行、制動(dòng)時(shí)將電機(jī)再生電能回饋到動(dòng)力電池的功能，功率變換電路采用三相IGBT逆變橋，通過(guò)直-交變換與變頻，將三相交變電流施加于電機(jī)定子繞組上使電機(jī)運(yùn)行。系統(tǒng)工作時(shí)，矢量控制單元接收制動(dòng)踏板、加速踏板、擋位等人為輸入信號(hào)和旋變（電機(jī)轉(zhuǎn)子位置/速度）、電機(jī)電流傳感器輸入的反饋信號(hào)，向逆變橋發(fā)出控制信號(hào)，有序觸發(fā)各IGBT功率管進(jìn)行換流，完成直-交流變換。在此基礎(chǔ)上，改變換流速度則可改變輸出頻率。改變IGBT控制極脈寬（PWM）即可改變逆變橋輸出電壓、電流的大小，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。改變?nèi)噍敵鱿嘈蚩煽刂齐姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的前行和倒車(chē)。

2 永磁同步電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)與電動(dòng)汽車(chē)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制要求

交流永磁同步電機(jī)電能利用率比交流感應(yīng)電機(jī)高2%～8%，輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能更加顯著，是現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)先選擇。按輸入電能波形及定子繞組布置形式交流永磁同步電動(dòng)機(jī)可分為兩種，一種是基于方波驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī)，采用集中式繞組，稱(chēng)為無(wú)刷直流電機(jī);一種是基于正弦波驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī)，采用分布式繞組，正弦波驅(qū)動(dòng)相比方波驅(qū)動(dòng)方式電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，在電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

根據(jù)三相同步交流電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，由電機(jī)公式：轉(zhuǎn)速n=60×頻率f/極對(duì)數(shù)p，轉(zhuǎn)矩T=9550×功率P（P=×U×I×cosΦ，cosΦ為功率因數(shù)）/轉(zhuǎn)速n可知：轉(zhuǎn)速n與供電頻率f呈正比，轉(zhuǎn)矩與電壓電流呈正比，只要控制電機(jī)的頻率、電壓、電流，就可以控制汽車(chē)的動(dòng)力和行駛速度。但由于汽車(chē)運(yùn)行所處的條件復(fù)雜，必須對(duì)輸入量進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，保持汽車(chē)行駛速度的穩(wěn)定，同時(shí)滿(mǎn)足扭矩需求。根據(jù)電機(jī)運(yùn)行特性及汽車(chē)行駛狀態(tài)需求，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制大致可分為兩個(gè)區(qū)域——恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，汽車(chē)處在起步和加速狀態(tài)，需克服慣性阻力，要求電機(jī)轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備大，同時(shí)使轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)速、功率的上升過(guò)程中保持恒定;在恒功率區(qū)，汽車(chē)處在高速行駛狀態(tài)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)電壓已達(dá)逆變器輸出電壓的極限值，電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的上升開(kāi)始下降（轉(zhuǎn)速進(jìn)入基速點(diǎn)nb），如圖2所示，為使汽車(chē)能運(yùn)行在更高的車(chē)速上，要求電機(jī)具有足夠的輸入電流滿(mǎn)足高速行駛時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)矩的需要，應(yīng)使電機(jī)輸出功率保持恒定。此外，當(dāng)行駛阻力發(fā)生瞬時(shí)變化時(shí)，還應(yīng)使電機(jī)運(yùn)行保持穩(wěn)定，避免失控。

3 矢量控制原理

由三相交流同步電動(dòng)機(jī)原理可知，當(dāng)在定子繞組中通入三相電源時(shí)，定子繞組就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，因轉(zhuǎn)子為永磁體，根據(jù)磁極異性相吸原理，定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間就產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，促使轉(zhuǎn)子跟旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一起同步轉(zhuǎn)動(dòng)，但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，因存在阻力與負(fù)載的變化，會(huì)使轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性變差，在常規(guī)V/F（恒壓頻比）控制中，變頻器輸出頻率的變化，按照預(yù)先設(shè)定u/f曲線特性調(diào)整，V/F控制沒(méi)有對(duì)電壓的相位進(jìn)行控制，導(dǎo)致在瞬態(tài)變化過(guò)程中，例如突加負(fù)載時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速受沖擊會(huì)變慢，但是電機(jī)供電頻率還是保持不變，這樣電機(jī)會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)失步，從而引起轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速振蕩。矢量控制又稱(chēng)磁場(chǎng)定向控制，是模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制原理，根據(jù)交流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，利用一系列坐標(biāo)變換把三相定子繞組A/B/C電流合成矢量is分解為二相旋轉(zhuǎn)直流勵(lì)磁分量id和轉(zhuǎn)矩分量iq。勵(lì)磁分量id用于為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)矩分量iq用于定子繞組產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行定向，使定子勵(lì)磁電流分量id對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁鏈ψm方向，定子轉(zhuǎn)矩電流分量iq對(duì)應(yīng)于與轉(zhuǎn)子磁鏈ψm呈90°的方向，如圖3所示。在運(yùn)行中，通過(guò)跟蹤轉(zhuǎn)子磁鏈ψm位置，對(duì)定子的轉(zhuǎn)矩電流分量和勵(lì)磁分量分別進(jìn)行控制，即可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的輸出，并可快速壓制因阻力變化引起的速度波動(dòng)。矢量控制的具體方法是在V/F控制基礎(chǔ)上，采用閉環(huán)控制，通過(guò)跟蹤、測(cè)量轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速、定子電壓、電流變化，對(duì)輸入三相定子繞組的電壓、電流以及頻率、相位進(jìn)行控制，通過(guò)給定值與實(shí)測(cè)值的比較，使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)始終保持同步（定轉(zhuǎn)子間的磁通角保持90°），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)矩與速度控制。

4 電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)基于矢量控制下的運(yùn)行調(diào)控策略

驅(qū)動(dòng)電機(jī)矢量控制算法由電機(jī)控制器內(nèi)的CPU通過(guò)運(yùn)行程序來(lái)完成，汽車(chē)在起步、加速及低中速行駛狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速處于基速以下，在逆變器輸出電壓范圍內(nèi)，電機(jī)運(yùn)行僅受電機(jī)允許通過(guò)的最大電流限制，電機(jī)可以輸出最大轉(zhuǎn)矩保持不變，該區(qū)域稱(chēng)為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。通過(guò)FOC（轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制）進(jìn)行調(diào)速，方法是將三相定子給定電流進(jìn)行矢量分解（分為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量），對(duì)于表貼式永磁轉(zhuǎn)子電機(jī)，可使定子電流勵(lì)磁分量id為0（轉(zhuǎn)子為永磁材料，無(wú)需勵(lì)磁），控制定子電流轉(zhuǎn)矩分量iq大?。姶呸D(zhuǎn)矩）就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

目前車(chē)用永磁同步電機(jī)均采用內(nèi)置永磁式轉(zhuǎn)子（相比表貼式永磁轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)氣隙呈不對(duì)稱(chēng)性，可產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩），為充分利用其磁阻轉(zhuǎn)矩（圖4），在基速以下采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制（Maximum Torque Per Ampere，MTPA），即在驅(qū)動(dòng)電機(jī)和矢量控制器允許工作電流范圍內(nèi)，對(duì)于任一給定的電流，通過(guò)調(diào)整id和iq的大小，使電動(dòng)機(jī)以最小的電流輸出最大的扭矩。當(dāng)前MTPA控制方法多采用數(shù)據(jù)查表法，就是通過(guò)調(diào)取提前生成滿(mǎn)足MTPA控制的dq軸電流，查詢(xún)表內(nèi)的數(shù)據(jù)值（利用試驗(yàn)測(cè)試得出的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的id和iq的曲線，作為MTPA控制的數(shù)據(jù)點(diǎn)），控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。在車(chē)輛運(yùn)行時(shí)，矢量控制可使定子繞組電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩磁通Φa與永磁勵(lì)磁磁通Φf在空間垂直，合成磁通Φ幅值和相位維持不變（圖5），進(jìn)而保持定轉(zhuǎn)子間的磁通角（磁作用力）在最佳范圍內(nèi)，在車(chē)輛行駛阻力變化和發(fā)生瞬態(tài)過(guò)程時(shí)，矢量控制會(huì)自動(dòng)調(diào)整加至電機(jī)繞組上電壓、頻率和相位的大小，使定轉(zhuǎn)子磁通角在瞬時(shí)失衡過(guò)程中迅速恢復(fù)原態(tài)。

當(dāng)汽車(chē)進(jìn)入高速行駛狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)速在基速以上，由于電機(jī)運(yùn)行受到最大電流和最大電壓的限制，輸出功率恒定，因此該區(qū)域稱(chēng)為恒功率區(qū)。在該區(qū)域永磁轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加使定子繞組反電勢(shì)上升，抵消部分逆變器輸出端加到電機(jī)的電壓，使逆變器輸入電機(jī)的電流減小，電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，汽車(chē)將無(wú)法獲得高速運(yùn)行所需的轉(zhuǎn)矩。為使電機(jī)在基速以上更寬的可調(diào)區(qū)域高速運(yùn)行，此時(shí)需要采用弱磁調(diào)速控制以提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即通過(guò)調(diào)節(jié)定子反向去勵(lì)磁電流分量（利用定子繞組的磁場(chǎng)去抵消掉一部分永磁磁場(chǎng)，讓電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)降低）來(lái)維持高速運(yùn)行時(shí)的電流（圖6），方法是通過(guò)控制逆變器開(kāi)關(guān)元件IGBT，使三相定子電流相位提前，削弱永磁磁場(chǎng)，從而達(dá)到弱磁升速的目的。弱磁控制有多種方式，當(dāng)前常用的是直軸電流負(fù)反饋補(bǔ)償控制方法。在進(jìn)入弱磁控制時(shí)，先判斷進(jìn)入弱磁的條件，即通過(guò)實(shí)測(cè)三相繞組電流ia、ib、ic和轉(zhuǎn)子位置信息θ經(jīng)矢量變換得到的反饋值us*k（us*為給定的id與iq控制的矢量電壓，k是比例系數(shù)）與給定的us*值進(jìn)行比較。當(dāng)us*>us*k時(shí)，進(jìn)入了弱磁控制，這時(shí)可以將差值作為MTPV（最大轉(zhuǎn)矩/電壓比）時(shí)id電流的控制，通過(guò)減小iq，加大id的負(fù)值增量（原因是在恒功率下維持電機(jī)輸入電壓平衡），同時(shí)使電機(jī)定子繞組電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩磁通Φa與永磁勵(lì)磁磁通Φf在空間不垂直（大于90°），合成磁通Φ幅值減小，相位增加（圖7），電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)減弱，轉(zhuǎn)速上升，使電機(jī)運(yùn)行于更高的轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)論

在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制中，矢量控制通過(guò)采集驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置、電流等信號(hào)，及時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓、電流及其相位值，通過(guò)控制電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)矩角以及電機(jī)磁鏈，可以滿(mǎn)足汽車(chē)在變工況條件下運(yùn)行的要求。然而單靠一種控制策略是不能完美達(dá)到各項(xiàng)要求的，當(dāng)前效率最優(yōu)控制、滑?？刂啤⒆兘Y(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)控制、專(zhuān)家控制、遺傳算法等智能控制技術(shù)已進(jìn)入電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，今后的電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展是優(yōu)化和融合各項(xiàng)控制技術(shù)的過(guò)程，此過(guò)程必將顯著提高電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行品質(zhì)和可靠性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡驊，宋慧. 電動(dòng)汽車(chē)（第三版）[M]. 北京：人民交通出版社，2012.

[2] 鄒國(guó)棠，程明. 電動(dòng)汽車(chē)的新型驅(qū)動(dòng)技術(shù)（第2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[3] 唐任遠(yuǎn). 現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[4] 鐘再敏. 車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)原理與控制基礎(chǔ)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2020.

（編輯 凌 波）

作者簡(jiǎn)介李剛（1968—），男，高級(jí)工程師，從事新能源汽車(chē)技術(shù)教學(xué)與機(jī)電教學(xué)設(shè)備研發(fā)工作，研究方向?yàn)樾履茉雌?chē)技術(shù)與機(jī)電一體化控制。