电动汽车用永磁同步电动机弱磁控制系统研究

马立丽，朱明星

（中国航天科工集团31研究所，北京100074）

电动汽车用永磁同步电动机弱磁控制系统研究

马立丽，朱明星

（中国航天科工集团31研究所，北京100074）

电动汽车用永磁同步电动机在基速以下恒转矩运行，在基速以上恒功率扩速运行。在分析永磁同步电动机数学模型的基础上，设计了一种具有转速控制和转矩控制两种工作模式的弱磁控制系统。该系统在基于XC164的硬件平台上进行了试验，得到了永磁同步电动机控制系统的转速-转矩特性及效率曲线。试验结果表明，该系统有效满足了电动汽车的弱磁扩速要求。

电动汽车；永磁同步电动机；弱磁；调速

1 引言

用于电动汽车的永磁同步电动机要求能够频繁地起动、停车或加减速，还要求能够在低速或者爬坡时输出高转矩，并要求能够在宽转速范围内平滑地调节速度和转矩。由于电动汽车的电机控制器的直流侧输入电压所引起的电流调节器的饱和特性，电机转矩和功率会过早地下降，较强的弱磁性能可以在逆变器容量不变的前提下提高车辆的起动加速能力和爬坡能力，并拓宽车辆的转速调节范围，因此，对电动汽车用永磁同步电动机进行弱磁控制且拓宽其转速调节范围具有重要的现实意义。

弱磁控制的原理是通过增加定子的直轴电流并利用直轴的电枢反应使电机气隙磁场减弱，达到等效于减弱磁场的效果，从而达到弱磁增速的目的。根据这一基本思路，学者们提出了众多方案用于改善永磁同步电机的弱磁控制性能。Bimal K.Bose［1］提出了6步电压法，通过改变电机的功角来达到改变转矩的目的，该方案对于电机参数的依赖性小，且可实现对直流母线电压的最大利用。为了解决电机从恒转矩工况到弱磁工况的切换问题，Thomas M.J.［2］提出了前馈弱磁方案。J.M.Kim［3］提出了用电流解耦控制和给定电压补偿的方法来改善电机的弱磁运行性能。

2 电动汽车用永磁同步电动机的数学模型

分析永磁同步电动机最常用的方法是采用d-q坐标系的数学模型，它不仅可用于分析电动机的稳态运行性能，也可用于分析瞬态过程［4］。两相旋转坐标系d-q、两相静止坐标系α-β以及定子三相静止坐标系之间的关系变量A，B，C分别如图1所示。图中ωe是转子旋转角速度（电角度表示），对永磁同步电动机来说，也相当于转子磁场的旋转角速度。d-q坐标系以角速度ωe在空间旋转，且d轴按转子N极磁场方向定向。

图1 PMSM矢量控制坐标变换图

为建立永磁同步电机在坐标系下的数学模型，首先假设：忽略电机铁心饱和；不计电机中的涡流和磁滞损耗；电机的电流为对称的三相正弦波电流。

这样，在转子d-q坐标系中PMSM的数学模型的分量形式表示如下：

定子电压方程为

定子磁链方程为

电磁转矩方程为

机械运动方程为

上式中，各字母符号的含义如下：ψ—磁链，ωe—转子角速度（电角度表示），Ld、Lq—定子绕组的直轴、交轴电感，—转子永磁体产生磁链的幅值，（其中ψf为常数，为转子永磁体产生的磁链），Te—电磁转矩，pn—电机极对数，ωr—转子机械角速度，TL—负载转矩，Rω—阻力系数，p—微分算子。

永磁同步电机的d-q坐标系下的各量与A，B，C三相系统中的各量之间的联系可以通过坐标变换来实现。从d-q坐标系到两相静止的α-β坐标系再到实际的三相A，B，C坐标系的坐标变换可以表示为：式中，θ表示α轴与d轴之间的夹角（用电角度表示），i0表示零轴电流，而对于三相对称系统而言，零轴电流为0。

3 电动汽车用永磁同步电动机的弱磁控制原理

在实际的电动汽车用永磁同步电动机控制系统中，电机的定子电流和端电压受到逆变器容量的限制。永磁同步电动机的感应电势随着转速的增大而增加，当电机的端电压达到控制器直流侧电压时，PWM控制器将失去跟踪电流的能力。

假设在d-q旋转坐标系下电压、电流的极限值分别为Ulim、Ilim，且考虑到电机高速稳定运行时，电阻值远小于电抗值，其电阻的电压降可以忽略不计时，就可以得到以下的约束条件［5］：

由以上约束条件可以得到电流的极限圆：

电压极限椭圆：

永磁同步电动机的运行范围是以满足电流极限圆和电压极限椭圆为前提条件的。即电机的电流矢量is（其分量为iq、id）应处于两曲线共同包围的范围内，如图2所示。

图2 电流极限圆与电压极限椭圆

由图2可以看出，电机转速ω升高，id分量趋于增大，相应的iq分量必须减小，削弱永磁体的磁场，减小电机的反电势，使电机电压和电流控制在额定范围内，以达到控制电机弱磁扩速运行的目的。弱磁控制的矢量图如图3所示。从图中可以看出，通过调节弱磁角beta和弱磁电流Id的大小，来控制弱磁的深度，从而达到减小反电势，增加电机转速的目的。

图3 弱磁控制矢量图

4 电动汽车用永磁同步电动机的控制框图

电动汽车用永磁同步电动机控制器可工作在转速闭环和转矩闭环两种工作模式下。转速闭环模式下的控制目标为电机的转速，转矩控制模式下的控制目标为电机的转矩。

在转速闭环模式下，电机控制器采用基于磁场定向的转速和电流双闭环控制，其控制系统框图如图4所示。

外环为转速环，它使电机的实际转速跟随指令转速变化。内环为电流环，它控制电机的电流。

在指令转速小于转折转速时，采用最大转矩/电流控制，此时：

在指令转速大于转折转速时，采用弱磁控制，此时：

图4 电机转速控制系统框图

图5 电机转矩控制系统框图

电机在转矩工作模式下采用基于磁场定向的转矩电流闭环控制，其控制系统框图如图5所示。控制器接收整车控制器的转矩指令，并将该转矩指令转换为电机的电流指令，即电机电流空间矢量的幅值，然后通过弱磁PI控制器得到定子电流空间矢量的相位，由此分别得到直轴、交轴电流环的指令，从而进行电流PI的控制。

5 电动汽车用永磁同步电动机弱磁控制系统试验结果

本文根据上述控制策略并基于XC164的硬件平台进行了试验验证。其中，永磁同步电动机与其控制器的额定电压为270V DC，额定转速为3500rpm，弱磁最高转速为6000rpm。如图6所示为永磁同步电动机及其控制器的实物图。

图6 永磁同步电机及其控制器实物图

如图7所示为额定电压下系统持续工作时的转速—转矩特性及效率曲线。

图7 额定电压下系统持续工作时的转速—转矩特性及效率曲线

如图8所示为额定电压下系统峰值工作时的转速—转矩特性及效率曲线。

6 结束语

本文设计了一种能够工作在转速控制和转矩控制两种模式下的永磁同步电动机控制系统，该系统在转速控制模式可以实现电机的转速控制，在转矩控制模式下可以实现电机的转矩控制。在转矩工作模式下，采用弱磁角调节的弱磁控制，实现了电动汽车用永磁同步电动机的弱磁调速。该系统在基于XC164的电动汽车用电机控制器的硬件平台上进行了试验，试验结果表明，该系统具有良好的弱磁扩速性能和转矩、转速控制性能，满足了电动汽车的性能要求。

图8 额定电压下系统峰值工作时的转速—转矩特性及效率曲线

［1］Bimal K.Bose.A high performance inverter-fed drive system of an interior permanent magnet synchronous machine［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1988，24（6）：987-997.

［2］Thomas M.Jahns.Flux-weakening regime operation of an interior permanent-magnet synchronous motor drive［J］.IEEE Transactions on Industrial Application，1987，23（4）：681-689.

［3］J.M.Kim，Sul Seung 2Ki.Speed control of interior permanent magnet synchronous motor drive for the flux weakening operation［J］.IEEE Transactions on Industrial Application，1997，33（4）：43-48.

［4］Bimal，K.Bose.Modern power electronics and AC drives ［M］.Beijing：China Machinery Press，2003.

［5］刘春光，臧克茂，马晓军.电传动装甲车辆用永磁同步电动机的弱磁控制算法［J］.微特电机，2007，（4）：29-30.

Research on weak magnetic control system of
permanent magnet synchronous motor for electric cars

MA Li-li，ZHU Ming-xing
（The No.31 Institute of China Aerospace Science& Industry Group Corporation，Beijing 100074，China）

The permanent magnet synchronous motors for electric cars run with the constant torque when below the base speed，and run with the constant power and the enlarged speed when above the base speed.Based on the analysis for the mathematical model of permanent magnet synchronous motor，the weak magnetic control system that can work both in the speed control mode and the torque control mode is presented.The system is tested on the XC164 hardware platform，it is obtained that the speed-torque characteristics and efficiency curves of the control system of the permanent magnet synchronous motor.The test results show that the system effectively meets the requirements of the weak magnetic control and the expansion speed for the electric cars.

electric cars；permanent magnet synchronous motor；weak magnetic；speed control

TM351

A

1005—7277（2016）03—0013—04

2016-02-29