聶光輝

摘? 要：由于電動汽車用永磁同步電機要滿足車輛在各種負荷下的起步、加速、勻速行駛、減速和制動等不同工況的要求，因此其必須能夠快速響應(yīng)并且調(diào)速范圍廣，控制系統(tǒng)對永磁同步電機來說非常重要，通過控制系統(tǒng)能夠使電機在不同行駛工況下都能正常的工作。

關(guān)鍵詞：電動汽車;驅(qū)動電機;控制策略

中圖分類號：TM341? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

目前絕大多數(shù)的電動汽車用可調(diào)速的永磁同步電機都屬于自控式的，所謂自控式是指通過檢測轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速并反饋信息，確保電機系統(tǒng)和逆變器一直處于同步狀態(tài)。常見的對永磁同步電機的控制方式有恒壓頻比開環(huán)控制、失量控制、直線轉(zhuǎn)矩控制和智能控制等控制方式。分別實現(xiàn)在不同行駛場合下對永磁同步電機的起動、加速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及能量回收的控制。

近些年來，交流電機上常用的控制方式有開環(huán)控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制及智能控制等，這些控制方式既能用于交流異步電機，同時也能用于在我國具有得天獨后發(fā)展前景的永磁同步電機上。我國是稀土儲量和產(chǎn)量大國，稀土又是制造電機永磁體的重要原料。交流異步電機廣泛應(yīng)用于電力機車和商用電動汽車上，由于永磁同步電機具有體積小、質(zhì)量輕、其轉(zhuǎn)子上有永磁體不需要通電等優(yōu)點，因此越來越多的乘用車采用該電機作為動力裝置來驅(qū)動車輪行駛，也正是因為其轉(zhuǎn)子不需要通電，給它的控制帶來了困難。

1 永磁同步電機的開環(huán)控制

永磁同步電機的開環(huán)控制（VVVF）是交流電動機變頻調(diào)速最基本的控制方式，簡稱變頻調(diào)速系統(tǒng)，也稱恒壓頻比開環(huán)控制。能應(yīng)用在大多數(shù)對調(diào)速性能要求一般的交流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)中，并且使用方便，是通用變頻器的基本模式。

永磁同步電機的開環(huán)控制原理是控制器對給定或者預(yù)先設(shè)定好的電壓及頻率進行分析和計算，然后控制輸入變頻器的三相正弦交流電壓值及頻率，使之隨給定或者預(yù)先設(shè)定好的電壓及頻率的變化而變化，從而改變定子繞組的磁場旋轉(zhuǎn)速率，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度也隨之改變，也就改變了電機的轉(zhuǎn)速，如圖1所示。

開環(huán)控制在基頻（指電機在額定扭矩時的頻率）以下的調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差率不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，電動機的機械特性比較硬，調(diào)速范圍寬，無論高速還是低速時工作效率都比較高。

但由于該種控制方式?jīng)]有位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子速度和位置的信號，屬于開環(huán)控制，因此難以準確控制電磁轉(zhuǎn)矩，在電動汽車行駛中開空調(diào)或者上坡時，突加的負荷可能會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速降低，甚至是停轉(zhuǎn)。所以不適合對電動汽車上的永磁同步電機進行控制。

2 矢量控制

矢量控制（VC）最初應(yīng)用于異步電機，后來引入交流同步電機的控制系統(tǒng)中，矢量控制的核心是轉(zhuǎn)矩控制，將直流調(diào)速系統(tǒng)的理論應(yīng)用到永磁同步電機的控制策略中，可以精確控制交流同步電機的動態(tài)響應(yīng)，并使電機實現(xiàn)大范圍調(diào)速控制[1]，滿足電動汽車對動力的需求。

由于永磁同步電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)子對控制效果影響比較小，所以只需要檢測和定子的電流矢量，就能實現(xiàn)控制轉(zhuǎn)矩的目的，如圖2所示。具體來說，是將永磁同步電機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)距電流分量，并分別對2個分量的幅值和相位進行控制。

根據(jù)矢量控制范圍的不同，該控制方法主要有最大轉(zhuǎn)矩/電流控制、id=0控制（id即電流i在矢量坐標系里的d軸上的分量為零。通常d軸電流為勵磁電流）、弱磁控制和最大輸出功率控制等[1]。其中控制方式最簡單的是弱磁控制，其可以改善電機的調(diào)速性能。為了在高速時獲得更寬廣的功率運行范圍，電動汽車對永磁同步電機的高速運行通常采用弱磁控制。

3 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）是在20世紀80年代后期提出的，首先在交流異步電動機的控制中應(yīng)用，后來逐漸推廣到弱磁區(qū)域以及永磁同步電動機的控制中，其控制原理的核心是通過直接控制電機的轉(zhuǎn)矩來控制其轉(zhuǎn)速。

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)由速度控制器、調(diào)節(jié)器、PWM逆變器、磁鏈和轉(zhuǎn)矩計算模塊、速度傳感器及和永磁同步電動機等部份組成。直接轉(zhuǎn)矩控制只需檢測定子繞組的電壓和電流，就能通過控制器去計算電磁轉(zhuǎn)矩，并與給定值進行比較，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的直接控制[2]。

永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制的控制過程如圖3所示，控制系統(tǒng)對逆變器輸出的三相電壓和電流進行檢測，輸入坐標變換模塊并進行變換后，進入磁鏈和轉(zhuǎn)矩計算模塊進行分析，測算出永磁同步電機的定子磁鏈，由此得出轉(zhuǎn)子的瞬時轉(zhuǎn)矩。

電動機的實際轉(zhuǎn)速可通過速度調(diào)節(jié)器（轉(zhuǎn)子位置傳感器）獲得，例如現(xiàn)在電動汽車永磁同步電機上廣泛采用的旋轉(zhuǎn)變壓器就是轉(zhuǎn)子位置傳感器的一種。電動機的實際轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子的基準轉(zhuǎn)速比較，確定出基準轉(zhuǎn)矩，并與通過轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的實際轉(zhuǎn)矩相比較，再經(jīng)過逆變器輸出控制脈沖信號。

直接轉(zhuǎn)矩控制的原理框圖如圖3所示，實際轉(zhuǎn)速值ω與轉(zhuǎn)速參考值ω*相比較，得到轉(zhuǎn)矩參考值T*。經(jīng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)與反饋轉(zhuǎn)矩T比較所得的轉(zhuǎn)矩差做滯環(huán)處理，得到轉(zhuǎn)矩控制信號τ。再將定子磁鏈參考值φS*跟定子磁鏈實際值φS相比，經(jīng)磁鏈調(diào)節(jié)得到磁鏈控制信號φ。從PWM逆變器傳遞的直流側(cè)電壓Udc及電機的三相交流電壓經(jīng)過坐標變換，分別轉(zhuǎn)換成α軸實測電流iα、β軸實測電流iβ、α軸實測電壓uα和β軸實測電壓uβ，并在矩陣和磁鏈比較器中進行計算，輸出扇區(qū)信號，并和轉(zhuǎn)矩控制信號τ和磁鏈控制信號φ共同進入開關(guān)選擇，生成PWM脈沖寬度調(diào)制信號，輸出給PWM逆變器，給電機供電。

直接轉(zhuǎn)矩控制極大地簡化了信號的處理難度，電動機參數(shù)影響也較小，抗干擾能力強，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，被廣泛應(yīng)用于電動汽車的交流電機的控制器中。

4 智能控制

為了提高永磁同步電動機的智能控制能力，就必須不依賴或者不完全依賴控制對象的模型，以此來為以后實現(xiàn)自動駕駛功能奠定基礎(chǔ)。

交流電動機控制系統(tǒng)采用由速度環(huán)和電流環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，對電流環(huán)的控制采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制方式，能保證電機控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。在速度環(huán)中，經(jīng)常采用智能PI控制器實現(xiàn)對速度環(huán)的控制，大大提高了系統(tǒng)的整合性能。

在雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)中，智能PI控制器相當于速度控制器，電流和轉(zhuǎn)矩的控制仍采用VC控制和DTC控制等控制方法，使系統(tǒng)的性能達到最優(yōu)。

從目前來看，智能控制要應(yīng)用在對電動汽車的永磁同步電動機控制中，還只是一個概念，相信在不久的將來，智能控制會越來越多的應(yīng)用在電動汽車的電機控制中，開啟智能駕駛和無人駕駛的新時代。

總之，電動汽車廣泛采用的永磁同步電機一般都采用自控式變頻調(diào)速，通過轉(zhuǎn)子位置傳感器為控制系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)子位置信號，從而實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)矩的精確控制，滿足電動汽車對電動機的智能控制要求。

參考文獻

[1]張寬，文紅舉，范鈺琢，等.電動車用永磁同步電機矢量控制策略[J].汽車工程師，2017（1）：38-40.

[2]陳福民，王海仙，譚茀娃，等.感應(yīng)電動機直接轉(zhuǎn)矩控制及其發(fā)展[J].電工技術(shù)雜志，1994（1）：29-32.