電動汽車用永磁同步電機控制策略研究

靳宇星

摘 要：近年來隨著節(jié)能減排的要求，為了有效地降低汽車燃油消耗量和尾氣排放量，越來越多的汽車制造廠商將目光投向了電動汽車。不論是純電動汽車還是混合動力電動汽車，其主要驅(qū)動的核心部件均為電機。該文針對目前市場上電動汽車采用的主流驅(qū)動電機，分析了各種電機的優(yōu)劣性，同時針對目前使用最廣泛且控制性能最優(yōu)的永磁同步電機，介紹了其主要的幾種控制策略并分析了各種控制策略的優(yōu)劣性。最后在仿真軟件中建立了相應(yīng)的仿真模型，所建立的模型既能作為科研用也可用作實驗室的教學(xué)。

關(guān)鍵詞：電動汽車;永磁同步電機;控制策略

中圖分類號：TP273;TM351? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）06-0226-03

1 背景

隨著當今工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展和消費水平的提高，越來越多的人開始擁有汽車，而隨之帶來的尾氣排放量的逐漸增高和石油等自然資源的逐年減少已成為當今社會面臨的巨大問題[1]。傳統(tǒng)的靠油氣燃燒提供動力的汽車在節(jié)能和環(huán)保方面已很難再有新的突破，因此從能源和環(huán)境的角度出發(fā)，新能源汽車的崛起勢不可擋。電動汽車采用電力驅(qū)動系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機系統(tǒng)，既可以提高能源的利用率，又可以減少污染物的排放，甚至實現(xiàn)汽車在城市道路行駛過程中的零排放。因此，許多傳統(tǒng)的汽車生產(chǎn)企業(yè)也將目光轉(zhuǎn)移到了電動汽車上，除了因為電動汽車具有能量利用率高、污染物排放量少、動力系統(tǒng)簡單等優(yōu)勢外，其還可以通過直接控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速來省去傳統(tǒng)的變速箱系統(tǒng)，使得車輛傳動系統(tǒng)更加輕便簡單。同時，相對于自動變速箱，電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)、運行可靠。

通常情況下，電動汽車根據(jù)其能源和動力裝置的不同，可以分為純電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車三種基本類型[2]。其中，純電動汽車是完全通過電力驅(qū)動電機提供動能推動的汽車運行的;混合動力電動汽車是利用電能和汽油燃燒的化學(xué)能，供給電機和發(fā)動機來推動汽車運行的;燃料電池電動汽車則是直接或間接地利用氫獲得能源，再由電動機驅(qū)動提供動力推動汽車運行。目前，傳統(tǒng)混合動力電動汽車已經(jīng)大量使用，并被公認為是一種節(jié)能環(huán)保型汽車，而純電動汽車正在逐步占據(jù)汽車市場，并能夠徹底實現(xiàn)零排放標準，同時正在逐步向著更優(yōu)的控制性能和更舒適的乘車體驗感反面進行進一步的優(yōu)化。

2 電動汽車驅(qū)動電機的性能要求

電機驅(qū)動控制系統(tǒng)是新能源汽車車輛行駛中的主要執(zhí)行機構(gòu)，也是整車運行的動力提供裝置[3]。驅(qū)動電機及其控制系統(tǒng)是汽車的核心部件，所選的驅(qū)動電機性能的好壞直接決定了汽車的運行性能和動力表現(xiàn)。作為電動汽車驅(qū)動器的電機主要有以下幾點要求：

1）電機結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕;

2）可靠性高、安全性能良好;

3）高效率、高功率密度;

4）高轉(zhuǎn)矩和高功率輸出;

5）寬調(diào)速范圍，高速達到4～5倍的基速;

6）較大高效率區(qū)和較強短時過載能力;

7）針對車輛運行環(huán)境要有較強的可靠性和魯棒性;

8）低成本、低噪音和低轉(zhuǎn)矩脈動。

永磁同步電機相對于其他感應(yīng)電動機具有體積小、效率高、運行平穩(wěn)可靠、噪音小、抗干擾能力強等優(yōu)點，是最適合作為電動汽車驅(qū)動電機的。其在控制難易程度上要遠比異步電機簡單而且高效，因此世界各國在發(fā)展新能源電動汽車的時候都將永磁同步電機作為驅(qū)動電機的首選。

永磁同步電機由鐵氧體、鋁鎳鈷、釹鐵硼等永磁材料構(gòu)成轉(zhuǎn)子永磁體替代了電勵磁同步電機中的電勵磁系統(tǒng)，省去了電刷、集電環(huán)和勵磁繞組[4]。其核心就是稀土永磁體，也是生產(chǎn)永磁同步電機的最主要成本。而我國的稀土存儲量世界第一，總存儲量占全世界的五分之四，因此在我國發(fā)展永磁同步電機具有其他國家無法比擬的優(yōu)勢。表1給出了幾種常見電機的性能的對比。

3 電動汽車電機驅(qū)動控制系統(tǒng)

電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)包括電池系統(tǒng)、電機和驅(qū)動電機控制器等三個部分[5]。其中驅(qū)動電機控制器主要由電子開關(guān)和電子元件構(gòu)成的功率模塊以及由微處理器和控制策略構(gòu)成的控制模塊兩部分組成。其中控制策略至為重要，一個好的控制策略在很大程度上決定車輛的運行性能，會使整車的操控性能和舒適度大幅提升[6]。目前對永磁同步電機驅(qū)動控制策略的研究是電動汽車研究領(lǐng)域的熱點問題。

根據(jù)近幾年的市場調(diào)研顯示，永磁同步電動汽車驅(qū)動電機的調(diào)速方法已有很多種，目前主要應(yīng)用的有矢量控制策略和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種。

3.1 永磁同步電機傳統(tǒng)控制策略

矢量控制提出于1971年，最先被應(yīng)用在了異步電機的控制中，其后由于其良好的控制效果因此也被用來控制永磁同步電機，其控制思想是在永磁同步電機上模擬直流電機的轉(zhuǎn)矩控制過程。這種控制策略通過對永磁同步電機數(shù)學(xué)模型進行Clark變換和Park變換，將期望的定子三相電流由is由靜止坐標軸轉(zhuǎn)換為d-q軸坐標系下相互垂直，相互獨立的電流分量id和iq，其中id又稱為勵磁電流，iq又稱為轉(zhuǎn)矩電流，此時永磁同步電機定子三相交流電流實現(xiàn)了解耦，即可實現(xiàn)對期望的轉(zhuǎn)矩和磁鏈的分別控制，因此采用這種方法能夠使三相交流同步電機獲得類似于直流電機的調(diào)速方式和控制效果。

當永磁同步電機數(shù)學(xué)模型建立在d-q軸坐標系下時，若想使轉(zhuǎn)矩獲得最大值，可以使勵磁電流id=0，此時期望的電流矢量is2=id2+iq2=0+ iq2= iq2，則轉(zhuǎn)矩電流iq與電磁轉(zhuǎn)矩磁成正比，此時也被稱作id=0控制。此時磁通完全有永磁體產(chǎn)生，電機所有的電流全部用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)了電機的靜態(tài)解耦。

矢量控制能夠在很大程度上提高電機的傳動效率，在相同的電池容量下其續(xù)航能力更強，因此自問世以來就備受研究者的喜愛，經(jīng)過多年的研究與應(yīng)用，目前是電動汽車驅(qū)動電機使用最多的控制方式。具有動態(tài)性能好、調(diào)速范圍寬的優(yōu)點，同時該方法也存在對電機參數(shù)依賴過大的問題，因此必須通過設(shè)置相應(yīng)的傳感器來獲取電機運行參數(shù)，這不僅增加了電機的硬件成本，而且降低了電機運行的可靠性。另外由解耦控制帶來的較大計算量是該策略的又一缺點。圖1給出了其控制原理圖。

直接轉(zhuǎn)矩控制是20世紀80年代中期由德國學(xué)者提出的一種高效的電機控制策略。其控制思路同矢量控制不同點在于其并不是通過坐標變換對定子電流直接進行解耦控制，而是首先通過獲取的直流母線電壓和定子電流計算電機的電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈，然后利用滯環(huán)比較器進行磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。因此具有比矢量控制更快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度。

該方法采用bang-bang控制與PWM技術(shù)并用的策略來進行轉(zhuǎn)矩控制，因此具有動態(tài)響應(yīng)快、控制性能優(yōu)良的優(yōu)點，同時由于去掉了復(fù)雜的電流解耦環(huán)節(jié)因此其對電機參數(shù)的依賴也沒有矢量控制大。但其存在轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動大的缺點。圖2給出了其控制原理圖。

3.2 永磁同步電機智能控制策略

近年來隨著智能控制理論的深入研究和其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。許多智能控制策略也開始引入電機控制領(lǐng)域中如：滑模控制、模型預(yù)測控制、自抗擾控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。這些方法的應(yīng)用在提高電機控制性能的同時也大大地增強驅(qū)動系統(tǒng)的抗干擾能力，是目前電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)的熱點研究方向。

滑?？刂剖?0世紀50年代由蘇聯(lián)科學(xué)家提出的一種非線性控制策略。與常規(guī)的線性控制策略不同的是其控制作用是不連續(xù)的，是一種變結(jié)構(gòu)的控制策略，通過控制律中的切換作用使得被控對象的狀態(tài)被限定在所設(shè)計的滑動平面上運動，并保證誤差具有一定的收斂性。該控制策略具有響應(yīng)快速、抗干擾能力強、對電機參數(shù)不敏感的特性。

自抗擾控制技術(shù)是由我國學(xué)者韓京清提出的一種高性能控制策略，控制器中包含了跟蹤微分器、擴張狀態(tài)觀測器和線性反饋控制器等幾個部分。這種控制策略對系統(tǒng)模型參數(shù)的依賴性小，能夠及時觀測系統(tǒng)運行過程中的誤差，并通過反饋來消除誤差，同時又能兼顧外界干擾所帶來的影響，并及時進行反饋補償。因此具有非常強的抗擾動能力。

模型預(yù)測控制是近年產(chǎn)生的一種新型的控制策略，其控制原理是首先對電機建立預(yù)測模型，通過計算出每個控制量作用后系統(tǒng)的輸出狀態(tài)，然后將輸出量帶到設(shè)定的目標函數(shù)中通過對比選擇最優(yōu)的控制量作用于系統(tǒng)中。模型預(yù)測控制具有算法簡單可靠，易于實現(xiàn)的優(yōu)點。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種以模擬人腦思維控制過程的模型，通過模擬人腦神經(jīng)元之間相互連接及信號傳遞關(guān)系來使得被控對象具有類似人工智能的工作特性。通常神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在控制中的應(yīng)用主要包含兩部分，一是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)辨識，實現(xiàn)被控對象的建模。二是采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接設(shè)計控制器，能夠?qū)Σ淮_定系統(tǒng)及擾動進行有效控制。其在永磁同步電機的應(yīng)用中通常用來進行參數(shù)辨識或與其他傳統(tǒng)控制策略相結(jié)合來提高系統(tǒng)控制性能。

4 永磁同步電機數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機是一種高性能的三相交流電機，對其進行數(shù)學(xué)建模是認識和分析電機運行規(guī)律，掌握各變量間的因果或定量關(guān)系的基礎(chǔ)。在考慮電機電感不受電流變化影響，磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗;忽略齒槽、換相過程和電樞反應(yīng)的影響，并且三相繞組對稱電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布等基礎(chǔ)條件下，可建立其在d-q軸坐標系下的數(shù)學(xué)模型如下：

Matlab/Simulink是以一款非常實用的數(shù)學(xué)計算的工具軟件。它具有強大的矩陣運算能力、繪圖功能以及可視化的仿真環(huán)境，能夠?qū)νㄐ畔到y(tǒng)、非線性控制、電力系統(tǒng)等進行詳細的建模、仿真和研究[7]?？稍诖斯ぞ呦掳凑战⒌挠来磐诫姍C數(shù)學(xué)模型搭建仿真模塊進行仿真運行和結(jié)果分析，以便選取適當?shù)目刂撇呗院瞳@取合理的設(shè)計參數(shù)。圖3給出了根據(jù)永磁同步電機數(shù)學(xué)模型在Simulink平臺下搭建的矢量控制仿真模型。

5 結(jié)束語

本文針對電動汽車的主要分類和電機驅(qū)動控制系統(tǒng)，從節(jié)能環(huán)保方面分析了電動汽車相比于傳統(tǒng)汽車的優(yōu)點。介紹了電動汽車主要的幾種驅(qū)動電機并分析了各自的優(yōu)缺點，同時給出了目前市場上電動汽車使用的主流永磁同步電機的主要控制策略，及其基本控制原理。最后在仿真軟件中建立了目前市場上應(yīng)用最廣泛的矢量控制仿真模型。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】