车用内置式永磁同步电机效率优化控制综述

林 立，赵海艳，陈鸿蔚，张鞍生

(1.邵阳学院 多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室,湖南 邵阳,422000；2.湘电集团有限公司,湖南 湘潭,411101 ；3.长沙有色冶金设计研究院有限公司,湖南 长沙,410011)

车用内置式永磁同步电机效率优化控制综述

林 立1，赵海艳1，陈鸿蔚2，张鞍生3

(1.邵阳学院 多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室,湖南 邵阳,422000；2.湘电集团有限公司,湖南 湘潭,411101 ；3.长沙有色冶金设计研究院有限公司,湖南 长沙,410011)

降低永磁同步电机的损耗，提高系统效率，对提高电动汽车一次充电续驶里程具有重要意义。文章调研了国内外永磁同步电机效率优化控制的进展，分析了不同控制策略的优缺点，总结归纳了效率优化控制的几种类型，并指出基于电机模型的损耗最小控制策略具有广阔的发展前景。

电动汽车；永磁同步电机；效率优化；损耗最小控制

图1 纯电动汽车驱动系统基本框架Fig.1 The basic framework of drive system for electric vehicle

图2 纯电动汽车驱动系统原理图Fig.2 The schematic of drive system for electric vehicle

由于环境污染和能源危机，发展新能源电动汽车成为目前研究热点，电池、电机、电控是电动汽车的三大关键零部件，在电池储能没有根本解决的情况下，提高电机系统的效率，对于提高电动汽车一次充电续驶里程具有重要意义[1-5]。驱动系统是电动汽车的核心，决定了整车的动力性能和经济性能。永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)因具有高转矩功率密度、高效率、宽调速等优点在电动汽车电驱动系统中得到广泛应用[6-10]，其基本框架和原理分别如图1和图2所示。驾驶员通过操作加速踏板，将驾驶意图转换为电信号传输到主控制器，主控制器向电机驱动器发出响应的控制指令，电机驱动器选择合适控制策略对电动机进行启动、加速、减速、制动控制，在这个过程中，系统会产生相应损耗，若能在调速过程中使损耗处于最低值，可使电机的整体效率最优。为此，国内外学者就车用永磁同步电机系统效率优化控制进行了大量的研究[10-34]。其中，文献[11]研究了id=0的控制方法，其控制灵活简单、计算量小、转矩性能好，但功率因数低，没有利用电机的磁阻转矩，随着转矩和功率的上升，电机效率会迅速下降，一定程度上限制了电机的调速范围。

文献[12-13]研究了功率最小控制，通过在线调节控制量使逆变器直流输入功率最小，从而降低整个驱动系统的损耗，可实现系统效率的全局最优，无需电机的精确参数，算法对于任意电机均广泛适用，但收敛时间过长；文献[14-17]研究了最大转矩电流比控制，该策略提高了电机的动态响应速度，有效减少电机铜损，但没有将电机铁损考虑在内；文献[28-32]研究了人工智能在效率优化控制中的应用，智能控制在效率优化方面成果显著，但智能控制主要凭经验设计，对系统性能缺少客观的理论预见性，控制系统复杂，计算量大，对硬件条件要求高，应用时需更多与其他控制策略组合；文献[18-27]研究了损耗最小控制，针对电机的损耗，以精确的电机数学模型为基础，建立损耗模型，并对其进行分析计算，得到电机最小损耗点，计及铜损和铁损等，该控制系统中效率可达到全局最优，有效减少电机损耗，达到节能的目的。因此，损耗最小控制方法成为目前研究热点，最有发展前途。

1 基于电机模型的效率优化控制策略

1.1id=0控制

id=0的控制方法又称为恒转矩角控制，在这种控制策略下，转矩角恒等于90°，此时定子电流只存在交轴分量，也就是说产生的直轴电流为零，相当于直轴绕组开路，从电机端口看，可以等效于一台他励直流电机，多用于表贴式永磁同步电机(Surface permanent magnet synchronous motor,SPMSM)，当 PMSM 工作在基速以下时，多采用这种控制方式，广泛应用于中小功率 PMSM驱动系统中[11]。因定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量垂直，电机的电流全部用来产生电磁转矩，电机的电流利用率较高。但对于内置式永磁同步电机来说，由于交、直轴电感不相等，电机电磁转矩中的永磁转矩不为零，降低了电机转矩的利用率。

1.2 恒功率因数控制

恒功率因数控制方法，即通过控制电机的交、直轴电流分量，使电机功率因数恒为1，即定子电流和定子电压矢量在空间上重合。应用此方法可使得变器的容量得到最大限度的利用，但在同等电流条件下输出力矩较小。

1.3 功率最小控制

最小功率控制，是指在稳态给定转速和转矩的条件下，输出功率保持不变，并使用搜索算法根据输入功率的测得数据不断对励磁电流进行调整，输入功率保持最小，从而使电机始终在效率最优点运行。

上海工程技术大学的余朝刚[12]和长安大学的汪贵平教授[13]等人，研究了输入功率最小的搜索方法，运用模糊控制进行输入功率最小控制，最大程度降低对电机参数的依赖。匀速阶段时，模糊控制器在线寻找功率最小工作点，但模糊逻辑搜索可能出现振荡，搜索时间长，稳定性差，有待进一步改进。

1.4 最大转矩电流比控制

最大转矩电流比(Maximum Torque Per Ampere,MTPA)控制策略，多用于内置式永磁同步电机(Interior permanent magnet synchronous machine,IPMSM)，在输出转矩一定时，输入电流最小；或在输入电流一定的情况下，使输出转矩最大。采用该策略可减小电机定子铜耗，提高运行效率，但当输出转矩不断增大时，功率因数下降较快。

文献[14]中提出了一种适用于不同电机参数的最大转矩电流比的通用控制方法。将电机参数以去磁电流为基准进行标幺值处理，从而使电机物理量一致，建立符合该要求的可供矢量控制查表的表格，当电机参数发生改变时，调整去磁电流、直、交轴电感等参数即可，不需要修改表格即可使控制软件应用于新的电机。

文献[15]针对传统效率优化控制方法存在对参数依赖性问题，提出了一种电机鲁棒自调节最大转矩电流比优化方法。该方法通过在定子电流矢量角上叠加一个高频正弦小信号，通过数字信号处理提取出反映转矩变化规律的功率信号，并采用调节器锁定出最优矢量角，使鲁棒控制的动态响应性能得到提高。

南京航空航天大学张卓然[16]教授在原有的MTPA控制策略的基础上，使用变步长搜索原理对交、直轴电流进行寻优。湘潭大学的罗显光教授[17]以永磁同步电机调速系统电磁转矩离散预测模型为基础，构建以电磁转矩跟踪、MTPA优化以及系统限流保护为目标的预测控制价值函数，可在线自适应地识别出永磁同步电机调速系统的动、稳态情况，并根据相应的识别结果突出各个优化目标项，从而实现其调速系统的全局最优控制，提升了PMSM调速系统的运行效率。

JorisLemmens[18]等人根据馈电逆变器的电压和电流极限值，应用差分算法调节d、q轴电流，从而得到最佳的电流轨迹。操作简单，易于调整，并且可以达到弱磁控制和恒转矩控制的无缝过渡，将电压极限椭圆和电流极限圆作为实时优化的条件，将调整结果逐次迭代，直至得到最优解，达到效率最优。由于参数的线性误差，一次迭代结果只是估计值，不能直接得到最优的转矩或电流。利用反馈结构将电流矢量逐步细化，以达到迅速收敛的目的，动态性能更稳定，响应更快。

1.5 损耗最小控制

损耗最小控制策略，即在电机正常运行过程中考虑引入各种实际损耗，包括铜损、铁损、机械损耗和附加损耗等，建立与实际电机运行误差较小的损耗模型。实现在全部速度边界范围内电机始终保持高效率的运行，需要依据电机的实际运转速度以及实际电流的大小推导出在不同实际情况下电机相关损耗最小的控制电流，或是效率保持最高时系统内部的最优化磁链水平或激励电流的大小，永磁同步电机计及铁损和铜损的等效电路图如图3所示，建立损耗模型，对其进行分析计算，得到电机最小损耗点。

日本的Shigeo Morimoto[19]提出一种损耗最小控制算法，将运行速度、负载条件、磁阻转矩和弱磁效应有效利用，使得电流矢量最优，适用于各种类型的永磁同步电机，包括凸极式和隐极式电机。对于实时处理的控制算法，最大限度地减少电机的总损耗，与传统的控制方法相比，效率得到提高。

图3 d、q轴等效电路Fig.3 Equivalent circuit of d axis and q axis

韩国的Juuggi Lee[20]提出一种基于电感饱和度和交叉耦合的最小损耗控制算法，通过实验获得的基于磁通的数据，得到q轴电流的函数，进而建立关于电感的模型。当速度和转矩为定值时，得到损耗最小的电流值。并将最小损耗时的电流制成表，利用查表法将其应用于转矩控制回路中。在转矩速度工作点均能保证效率最高。

湖南大学的黄守道教授[21]通过分析基于转子磁场定向的损耗模型，根据等效电路推导出交、直轴电流与总损耗的关系式，利用拉格朗日函数求出直轴定子电流的最优值，利用前馈补偿来改善系统的动态性能，通过前馈补偿，在负载扰动的情况下，提高动态响应速度，改善动态性能，引入优化控制算法后，损耗降低。该算法在低速及轻载的情况下，效率提高更明显。但计算量大，并且将铁损电阻视为定值，而实际上铁损电阻是随着转速的变化而变化的。

同济大学的吴志红[22]利用有限元仿真得到铁损电阻在不同转速下的值，建立永磁同步电机的损耗最小模型，通过改变铁损电阻的方法获得最优控制电流，并与最大转矩电流比控制在不同工况下进行对比，验证了算法的有效性。可以直接仿真计算出损耗数据，相比于最大转矩电流比控制算法，损耗明显减小，且高转速和低负载时效果更为明显。但是，其仿真时间长，在具体运行仿真时，参数的设置会影响仿真运行的时间。

电气损耗与电磁转矩，电角速度，直轴电流有关，达到稳定时，电磁转矩和转速均为定值，所以只和有功电流有关系。文献[23]根据等效电路得交、直轴电流分别关于电磁转矩的表达式，带入电机参数，求得拟合曲线。并且在最小损耗模型的基础上结合模糊控制实现在线寻优，与最大转矩电流比控制相比，损耗明显降低。但速度变化时，电流波动大，稳定性较差。其选用拟合曲线为三次拟合，误差较大，五次拟合将更接近真实曲线。

基于南通金驰机电有限公司委托湖南大学熊万里教授[24]课题组研发的“磁悬浮永磁直驱高速大功率电机”科研项目。在传统电机数学模型基础上，利用数学方法推导出铁耗电阻，该铁损电阻是关于电机参数的函数，并经过坐标变换得到静止坐标系下的电流和电压值，提出基于电压空间矢量脉宽调制的最小损耗控制方法，实现电机高效节能调速，根据铜耗和铁耗的计算模型，推导了满足损耗最小、效率最优的最小损耗控制方法；将最小损耗控制与恒磁控制从转速、转矩、电流和电磁损耗等方面进行对比。该控制策略不仅能够降低电机电磁损耗、提高效率，而且使电流、转矩谐波减少，电机的运行更加平稳可靠。

长安大学的龚贤武[25]等人通过等效电路分别推导出铜损最小和铁损最小时的直轴电流，采用加权的方法得到损耗最小时的最优直轴电流，并将得到的最小损耗控制和最大转矩电流比控制进行对比，铜损减少相对明显，电动机动态响应更快，损耗降低，达到节能的目的。

HamidrezaPairo[26]提出了一种基于永磁同步电机简化条件下的近似模型。在算法推导的过程中，将精确模型的算法进行简化，因铁损电阻远远大于铜损电阻，将两损耗电阻值之和近似为铁损电阻值，得到简化模型，并且通过调节PI调节器的比例系数和积分系数，使直轴定子电流最优，达到系统损耗最小。

1.6 系统最小损耗控制策略

电动汽车驱动系统主要包括永磁同步电机、逆变器和电池，通过对驱动系统的损耗分析，进而分析电动汽车效率最优控制策略，但相应研究文献较少。

崔皆凡[27]和欧阳明高教授[28]等综合考虑了电机和逆变器整体驱动系统的损耗，得到系统损耗和定子磁链关系的数学模型。其中，文献[28]还涉及到了电池损耗，得到电动汽车最优制动能量回馈控制策略，实现了全局范围内的最大效率控制。

2 不基于电机模型的效率优化智能控制策略

2.1 效率优化模糊控制策略

模糊逻辑控制简称模糊控制，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。美国控制理论专家建立了模糊集合理论，首先提出了模糊集合的概念，并将它应用到具体的机械控制中，由此模糊控制理论逐渐成为人们日益关注的焦点。

吉林大学的宋传学教授[29]采用模糊控制手段和动态规划手段设计出响应的辅助动力单元的控制策略，能准确识真实条件下的实时路况，使电动汽车的燃油经济性能得到改善。文献[30]中提出了一种基于改进型模糊逻辑控制器的弱磁控制系统，有效解决了车用电机参数变化范围大的问题，提高了电动汽车用永磁同步电机参数变化时的转矩输出能力和系统效率。

2.2 效率优化神经网络控制策略

神经网络具有结构简单，非线性拟合能力强，可以任意精度逼近非线性函数等优点，被大量应用于智能控制器的设计当中。

文献[31]指出，PMSM在运行中定子电阻的阻值是随温度变化而变化的，利用小波神经网络，实时在线观测定子电阻阻值并进行在线补偿，求得关于最优磁链的最小损耗模型，此最优磁链是关于定子电阻的函数，基于此种改进方法，转矩脉动小，转速响应快，满足快速性和稳定性的要求，提高了驱动系统的效率，降低了总损耗，但该方法在启动时，转速波动相对较大。文献[32]研究了一种应用于永磁同步电机转速控制中的趋近律参数优化的模糊滑模控制方法，采用神经网络优化趋近律参数，得到最优曲线，并设计了滑模变结构控制器实时修正趋近律参数，具有良好的静态、动态特性和鲁棒性。

2.3 效率优化专家系统控制策略

控制器中专家系统的核心部分是由知识库、推理机构和控制算法组成。知识库的构建是基础，其核心是如何表达和获取知识。针对永磁同步电机的动态数学模型、参数改变以及容易受到外加干扰，文献[33]提出了一种基于专家控制的PMSM转速控制系统。该控制系统响应速度快，超调小，系统运行稳定，具有良好的动态特性和鲁棒性。

2.4 模型参考自适应控制策略

模型参考自适应控制策略是将不含待观测变量的方程作为参考模型，而将含有待观测变量的方程作为可调模型，两个模型均输出同一变量，利用两个模型的输出量的差值对可调模型中的待观测变量经行调节，设计出合适的调节规则，以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的，多用于无传感器矢量控制中，如何设计自适应参数调整律，在保证系统稳定性的同时使误差信号趋于零，也是面临的一大问题。

沈阳工业大学的刘桂秋教授[34]提出了基于模型参考模糊自适应PI速度控制方法，将输出动态调整速度环反馈PI控制器增益；大连理工的高仁璟教授[35]将永磁同步电机方程作为参考模型，将定子电流方程作为可调模型，得到模型参考自适应观测器,对电机转速和转子的位置进行估算。模型参考自适应控制算法简单，易于实现，在低速和高速段都有较高的精度，自适应能力明显提高。

3 结论

电动汽车作为一种节省能源、降低排放的新型汽车，具有可以使城市空气和噪声污染显著降低，能源利用更加合理等显著优点。本文对国内外学者提出的车用永磁同步电机优化策略进行总结和比较分析，在众多研究中，围绕电动汽车一次充电续航里程开展研究，综述了目前应用在矢量控制系统中的几种永磁同步电机效率优化控制策略。从不同的控制策略角度，研究提高永磁同步电机驱动系统的效率，促进电动汽车的发展。其中，基于电机模型的控制策略中的损耗最小控制策略在减小电机的电气损耗方面更有效，达到了节能的目的，成为电动汽车用永磁同步电机效率优化控制策略的发展方向，但该控制策略也存在不足之处：(1)d、q轴电流波动较大，这一点需要进一步的深入研究和优化；(2)损耗最小控制策略依赖电机参数，温度、转速等发生改变时，电机参数会发生改变，损耗模型中的参数也需要改变，若引进智能控制，易造成了搜索时间过长的问题；(3)在建模过程中，需要对模型进行简化，得到的是近似最优解。

[1]UDDIN MN,RAHMAN MM.Recent Advances in Direct Torque and Flux Control of IPMSM Drives[J].International Conference on Electrical and Computer Engineering,2017:14-19.

[2]LEMMENS J,VANASSCHE P,DRIESEN J.OptimalControl of Traction Motor Drives UnderElectrothermalConstraints[J].IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics,2014,2(2):249-263.

[3]LEE J,NAM K,CHOI S,et al.Loss-Minimizing Control of PMSM With the Use ofPolynomial Approximations[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(4):1071-1082.

[4]许家群，朱建光，邢伟，等.电动汽车驱动用永磁同步电动机系统效率优化控制研究[J].电工技术学报,2004,7,19(7):81-84.

[5]李哲然.电动汽车连续极永磁同步电机关键控制策略研究[D].武汉：华中科技大学，2014.

[6]SREEJETH M,SINGH M,KUMAR P.Particle swarm optimisation in efficiencyimprovement of vector controlled surface mounted permanent magnet synchronous motor drive[J].Power Electronics IET,2015,8(5):760-769.

[7]MORENO-TORRES P,TORRES J,LAFOZ M,et al.Minimum Losses Point Tracking and Minimum Current Point Tracking in Interior PMSMs[J].European Conference on Power Electronics and Applications,2016,9:5-9.

[8]MARTINEZ J,KRISCHAN K,MUETZE A.A two-step analytic design and optimization of small variable speed PMSMs for home appliances[J].European Conference on Power Electronics and Applications,2016:1-10.

[9]林立，唐宏伟，邱雄迩.车用内置式永磁同步电机线性化损耗最小控制[J].电气传动，2012，42(1):35-39.

[10]李军，何资，林嘉义.基于黄金分割搜索法的IPMSM最大转矩电流比控制[J].微电机，2014,47(9):32-36.

[11]刘畅.内置式永磁同步电机弱磁控制研究与仿真[D].大连:大连交通大学，2015.

[12]冀亨.低地板有轨电车牵引效率优化及控制策略研究[D].上海：上海工程技术大学，2015.

[13]徐淑芬.电动汽车用永磁同步电机效率优化策略研究[D].西安：长安大学,2014.

[14]黄雷，王晓远.永磁同步电机通用化最大转矩电流比控制[J].微电机,2016,7,49(7):58-61.

[15]卫亚博，王军敏，宋璐.混合动力汽车 IPMS鲁棒自调节效率优化控制[J].微特电机.2014,42(9):46-49.

[16]王文佳.转子磁分路混合励磁同步电机电流控制技术研究[D].南京：南京航空航天大学,2014.

[17]闭业宾，罗显光，阮灵通，等.永磁同步电机MTPA预测控制方法研究[J].计算机工程与应用,2014,50(11).

[18]LEMMENS J,VANASSCHE P,DRIESEN J.PMSM Drive Current and Voltage Limiting as aConstraint Optimal Control Problem[J].IEEE Journalof Emerging and Selected Topics in Power Electronics,2015,03(2):326-338.

[19]MORIMOTO S,TONG Y,TAKEDA Y,et al.Loss Minimization Control of Permanent Magnet Synchronous Motor Drives [J].Industrial Electronics IEEE Transactions on,1994,41(5):511-516.

[20]LEE J,NAM K,CHOI S,et al.A Lookup Table Based Loss Minimizing Control for FCEV Permanent Magnet Synchronous Motors[J].IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference,2009,4(2):175-179.

[21]邓建国，蔡亚辉，黄守道.含前馈补偿的IPMSM效率优化控制研究[J].电力电子技术,2016,50(2):77-80.

[22]吴志红，廖忠义，朱元.基于等效电路的永磁同步电机效率优化控制[J].机电一体化,2016,09.20-28.

[23]冀亨，余朝刚.一种有轨电车永磁同步电机牵引系统集成效率优化策略[J].电气传动,2016,46(8):21-25.

[24]张德金.永磁同步高速大功率电机电磁特性及效率优化研究[D].长沙：湖南大学,2016.

[25]龚贤武，徐淑芬，张丽君，等.电动汽车用永磁同步电机效率优化控制研究[J].微电机,2014,47(9):27-31.

[26]PAIRO H,SHOULAIE A.Effective and simplified method in maximumefficiency control of interior permanentmagnet synchronous motors[J].IET Electric Power Applications,2017,11(3):447-459.

[27]崔皆凡，李林，单宝钰.永磁同步电机驱动系统最小损耗分析[J].沈阳工业大学学报,2012,7,34(4):372-376.

[28]卢东斌，欧阳明高，谷靖，等.电动汽车永磁同步电机最优制动能量回馈控制[J].中国电机工程学报,2013,1,33(3):83-91.

[29]王达.增程式电动汽车的动力分布设计方法与控制策略研究[D].长春：吉林大学,2016.

[30]吴荒原，王双红，辜承林，等.内置式永磁同步电机改进型模糊逻辑控制器设计[J].中国电机工程学报,2013,33(33):68-75.

[31]周雅薇，聂建华.电动汽车电机驱动系统效率优化控制[J].电子科技,2016,26(5):37-40.

[32]姚江云，吴方圆，覃溪.趋近律参数优化的永磁同步电动机模糊滑模控制[J].2016,44(5):56-59.

[33]林建平，吴必瑞，谢善娟.永磁同步电动机转速专家控制[J].洛阳师范学院学报.2013,2,32(2):56-58.

[34]许万涛.基于模型参考的永磁同步电机模糊控制方法研究[D].沈阳：沈阳工业大学,2016.

[35]李希伟，电动车用永磁同步电机无传感器矢量控制研究[D].大连：大连理工大学,2015.

A summary on efficiency optimization control strategy of interior permanent magnet synchronous motor for electric vehicle

LIN Li，ZHAO Haiyan，CHEN Hongwei,ZHANG Ansheng

(1.Shaoyang University，Hunan Provincial Key Laboratory of Grids Operation and Control on Multi-Power Sources Area，Shaoyang 422000，China；2.Xiangdian Electric Group Co.,Ltd，Xiangtan 411101，China；3.Changsha Nonferrous Metallurgy Design Institute Co.，Ltd,Changsha 410011，China)

It is of great significance to reduce the loss of permanent magnet synchronous motor and improve the efficiency of the system.In this paper,the development of PMSM(permanent magnet synchronous motor)rate optimization at home and abroad is investigated,the advantages and disadvantages of different control strategies are analyzed,several types of efficiency optimization control are summarized,and it is pointed out that the loss minimization control has broad prospects for development.

electric vehicle;permanent magnet synchronous motor;efficiency optimization；minimum loss control

1672-7010(2017)04-0056-07

2017-03-28

湖南省教育厅计划重点项目(16A191)；湖南省科技计划项目(2016TP1023)；2016湖南省教育信息化创新教学应用项目(湘教科研通【2016】28号)；邵阳学院研究生科研创新项目(CX2016SY007)

林立(1972-)，男，湖南武冈人，教授，博士，硕士生导师，主要从事电力电子与电力传动的教学与研究;E-mail:linlidexin@163.com赵海艳(1989-)，女，硕士研究生，从事电力电子与电力传动的研究

TM320.1

A