純電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)控制技術(shù)研究

丁學(xué)鳳

（1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700）

和傳統(tǒng)汽車比起來，純電力汽車往往是利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)、調(diào)速控制器、動(dòng)力電池以及車載充電等模塊予以驅(qū)動(dòng)，其速度快慢、啟動(dòng)效率都取決于驅(qū)動(dòng)機(jī)的實(shí)際性能。因?yàn)檫^去的電機(jī)控制技術(shù)表現(xiàn)出能耗較高、性能較差且扭矩低的缺陷，積極推廣應(yīng)用新型電機(jī)控制技術(shù)能夠有效促進(jìn)其運(yùn)行效率的提升，進(jìn)而提高純電動(dòng)汽車的性能，對(duì)于促進(jìn)新能源汽車發(fā)展意義重大。

1 純電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分類

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以說是電動(dòng)汽車核心部位，其實(shí)現(xiàn)功能基于人工控制，把車載蓄電池蘊(yùn)含的電能轉(zhuǎn)變?yōu)檐囕v動(dòng)能，現(xiàn)階段純電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型包括：直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)等幾種不同類型。

首先是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。它是最早應(yīng)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)類型，因?yàn)樵撓到y(tǒng)涉及到的相關(guān)技術(shù)目前已經(jīng)相對(duì)成熟，因此該系統(tǒng)也表現(xiàn)出成本低、控制器構(gòu)造簡(jiǎn)單、性能良好的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)因?yàn)橹绷麟姍C(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩較高，調(diào)速范圍更寬，現(xiàn)階段市場(chǎng)中大部分電動(dòng)汽車都是選擇直流電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)。

其次是交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。它又可以稱異步電機(jī)，近年來電子技術(shù)飛速發(fā)展，交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也開始進(jìn)入到越來越多新能源汽車企業(yè)的視野中，同時(shí)交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速性能技術(shù)不斷突破瓶頸，讓它逐漸成為現(xiàn)階段工業(yè)領(lǐng)域中得以普遍應(yīng)用的電機(jī)。但需要認(rèn)識(shí)到的一點(diǎn)是，異步電機(jī)系統(tǒng)相對(duì)來說更加復(fù)雜，相關(guān)技術(shù)還有待深入研究，這也是該系統(tǒng)在實(shí)際研發(fā)應(yīng)用過程中的制約因素。

再次是開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該電機(jī)的核心在于SRM（開關(guān)磁阻），不管電機(jī)設(shè)計(jì)構(gòu)造，亦或是工作原理，SRM都表現(xiàn)出獨(dú)有的特征，但此類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中存在噪音較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺陷，和上述兩種電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比起來，它的突出優(yōu)勢(shì)是調(diào)速范圍更寬且運(yùn)行穩(wěn)定性更高。因?yàn)樵撾姍C(jī)在速度調(diào)控范圍上具備顯著優(yōu)勢(shì)，它的未來發(fā)展和應(yīng)用前景也受到了更多新能源汽車廠商的認(rèn)可。

最后是永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該型電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)表現(xiàn)出空間小、功率密度高和運(yùn)行效率高的突出優(yōu)勢(shì)，近年來受到了很多研發(fā)廠商的關(guān)注。但該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)也較為顯著，比如說電流損耗更大、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行之后可能存在退磁現(xiàn)象、運(yùn)行過程中噪聲較大等。目前西方國(guó)家針對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行的技術(shù)研發(fā)工作更加全面深入，相關(guān)技術(shù)也較為成熟，國(guó)內(nèi)還存在明顯差距，但在國(guó)家政府相關(guān)部門積極推廣支持的背景下，新型永磁材料研發(fā)和無(wú)傳感器技術(shù)的日益更新，類似于稀土永磁同步電機(jī)也進(jìn)入到我們的視野中。

2 永磁同步電機(jī)（PMSM）的優(yōu)勢(shì)分析

對(duì)永磁同步電機(jī)而言，其磁通材料為永久磁鐵，磁通方向代表d軸，和d軸相互垂直的方向?yàn)閝軸，當(dāng)q軸存在電流經(jīng)過后能夠符合左手定則要求，此電流即屬于q軸電流。相對(duì)于感應(yīng)電機(jī)而言，除開q軸電流，為確保擁有充足的磁通，d軸方向也應(yīng)當(dāng)存在電流經(jīng)過，而此電流則屬于d軸電流，因而能夠了解到，永磁電動(dòng)機(jī)僅僅需要更少的電流即可達(dá)到運(yùn)行所需扭矩，有效降低了運(yùn)行損耗。而運(yùn)行效率更高的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是目前電動(dòng)車研發(fā)生產(chǎn)中受到更多關(guān)注的，基于實(shí)際結(jié)構(gòu)而言，永磁電動(dòng)機(jī)表現(xiàn)出如下兩方面的特征：首先，轉(zhuǎn)子永磁體能夠選擇內(nèi)置模式；其次，能夠進(jìn)行多極設(shè)計(jì)。

從圖1能夠看出永磁電動(dòng)機(jī)的具體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。過去很長(zhǎng)一段時(shí)間以來，轉(zhuǎn)子上的永磁體都是選擇表貼式結(jié)構(gòu)，而近年來所研發(fā)的新型永磁電機(jī)往往選擇內(nèi)置結(jié)構(gòu)。其理由有兩點(diǎn)：和表貼式結(jié)構(gòu)比起來，內(nèi)置式結(jié)構(gòu)能夠有效避免高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下永磁體散落的現(xiàn)象；所以在對(duì)電動(dòng)機(jī)予以設(shè)計(jì)的過程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一般選擇超過10000r/min，同時(shí)配置永磁體的磁路內(nèi)具有氣隙，永磁體形成磁通的d軸和q軸方向的自感存在較大差異。換句話說，如果存在d軸電流以及q軸電流的情況下，必然會(huì)形成磁阻轉(zhuǎn)矩。若可以把和磁通垂直的q軸電流形成的電磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩予以合成，即能夠有效提高電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩。簡(jiǎn)言之，對(duì)要求的最大轉(zhuǎn)矩選擇合理的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，能夠有效降低電動(dòng)機(jī)所占空間。

永磁同步電動(dòng)機(jī)形成轉(zhuǎn)矩的過程能夠借助如公式（1）來說明，第1項(xiàng)是永磁體磁通Φa和q軸電流iq所形成的電磁轉(zhuǎn)矩；第2項(xiàng)是由于凸極產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，具體大小和d軸以及q軸自感差之間表現(xiàn)出正比關(guān)系。

式中：Pn——極對(duì)數(shù)；Φa——電樞交鏈的永磁體產(chǎn)生的磁通；Ld、Lq——d、q軸的自感。

圖1 內(nèi)置式永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

3 純電動(dòng)汽車用永磁電機(jī)控制基礎(chǔ)

3.1 永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制

永磁電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。一般來說，電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)是依據(jù)加速踏板和制動(dòng)器所發(fā)出的指令來完成相關(guān)操作的。從本質(zhì)上來說屬于電流控制系統(tǒng)，從而確保存在類似轉(zhuǎn)矩指令電流順利通過。換句話說，借助于調(diào)整d軸磁通來實(shí)現(xiàn)d軸電流的有效控制，也能夠采用同樣的方法來對(duì)q軸電流予以控制，兩種電流屬于獨(dú)立控制，可適用于矢量控制方法。

基于圖2能夠了解到，轉(zhuǎn)矩指令運(yùn)算模塊根據(jù)電動(dòng)汽車加速踏板以及制動(dòng)器所發(fā)出的相關(guān)指令，結(jié)合電動(dòng)機(jī)速度ω可以獲得轉(zhuǎn)矩指令τ*，最佳電流指令運(yùn)算模塊按照轉(zhuǎn)矩指令τ*和電動(dòng)機(jī)速度ω能夠獲得更高效的q軸電流指令iq*、d軸電流指令id*。上文提及，電磁轉(zhuǎn)矩和q軸電流iq之間屬于正比關(guān)系，然而由于磁阻轉(zhuǎn)矩和d軸電流id、q軸電流iq之間也屬于正比關(guān)系，所以永磁電動(dòng)機(jī)雖然存在相同轉(zhuǎn)矩τ，依舊能夠?qū)軸電流id及q軸電流iq比例予以控制。d/q軸電流控制模塊的主要工作是輸出d軸電壓指令ud*、q軸電壓指令uq*，從而讓d軸電流id、q軸電流iq可以順利達(dá)到指令值的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，停頓時(shí)間補(bǔ)償模塊對(duì)逆變器開、關(guān)停頓所產(chǎn)生的電壓誤差實(shí)施補(bǔ)償。這樣所形成的三相交流電壓指令值Uu、Uv、Uw在PWM信號(hào)發(fā)生器中變更為符合逆變器動(dòng)作要求的信號(hào)，最終將信號(hào)進(jìn)行輸出。這便是永磁電動(dòng)機(jī)的具體控制流程，且著重針對(duì)矢量控制。

圖2 純電動(dòng)汽車永磁電機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

3.2 最佳電流指令確定方法

對(duì)此項(xiàng)來說，d軸電流指令i*d以及q軸電流指令i*q應(yīng)當(dāng)符合如下要求：①為確保其反電動(dòng)勢(shì)保持在蓄電池電壓逆變器最大輸出電壓值之下，當(dāng)電動(dòng)機(jī)速度ω相對(duì)較大的情況下，即反電動(dòng)勢(shì)較大的情況（圖3），應(yīng)當(dāng)借助于d軸電流id進(jìn)行弱磁控制。對(duì)于圖3a來說，永磁體磁通Φ的方向，即d軸正方向，確保id維持反方向（d軸負(fù)方向），在這樣的情況下，圖3b為電壓矢量圖，弱磁控制狀態(tài)下電壓矢量U不超過不存在該狀態(tài)時(shí)的電壓矢量U0，從而能夠看出，把反電動(dòng)勢(shì)維持在最大輸出電壓之內(nèi)。

圖3 弱磁控制時(shí)的電流、電壓矢量

上文中提及，永磁電動(dòng)機(jī)的突出特征在于能夠應(yīng)用磁阻轉(zhuǎn)矩，對(duì)于上述公式（1）來說，右邊第2項(xiàng)指的是磁阻轉(zhuǎn)矩；在選擇圖1的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子情況下，d軸電感量Lw以及q軸電感量Lq的公式Ld

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，對(duì)于純電動(dòng)汽車來說，電機(jī)控制技術(shù)屬于其核心技術(shù)，也是當(dāng)前研究的重要方向，未來電機(jī)控制系統(tǒng)必然會(huì)朝著體積更小、質(zhì)量更輕的趨勢(shì)發(fā)展，電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能和運(yùn)行性能將進(jìn)一步提高。作為純電動(dòng)汽車的核心部件，如何研發(fā)設(shè)計(jì)出更好的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，積極推進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)的突破創(chuàng)新，這是純電動(dòng)汽車進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵所在。相信未來電機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，新能源汽車必然能夠得以更加廣泛地應(yīng)用和發(fā)展。