电动汽车内置永磁同步电机控制策略研究

陆 媛，李大康

（铜陵学院电气工程学院，安徽 铜陵244000）

0 引言

近些年来，传统能源缺乏问题日益严重，清洁型新能源的开发利用越来越受到人们的重视。随着以光伏发电为代表的新能源技术的不断发展，以及充电桩的逐步普及，电动汽车因其高效节能、清洁低碳的特征成为汽车行业发展的新方向[1]。

内置式永磁同步电机作为电动汽车的核心部件，兼具交流电机和直流电机的优点，原材料资源丰富、结构简单、功率密度高，已广泛应用于我国电动汽车市场。而其作为一个较为复杂的耦合非线性系统[2]，常用的控制方法有两种：电流滞环控制和电压空间矢量控制。

本文基于电流滞环控制和电压空间矢量控制各自的优缺点，将两种控制方法有机结合起来加以优化，并在电流滞环环节中用两相斩波替代三相斩波，以降低控制器开关损耗，进一步提高系统的节能性。文章对该控制方案进行了仿真和实验验证。

1 控制方案设计

电动汽车经充电桩获得电能储存在车载蓄电池中，再经逆变器将所储存的直流电转换成交流电供给内置永磁同步电机。为使电动汽车在运行过程中获得平稳的转矩，电机的定子相电流应是随转子位置正弦变化的信号[3]。逆变器（如图1所示）的六个桥臂按照设定的控制模式开通/关断，使输出的电流波形尽可能接近理想正弦波。

图1 三相逆变器原理图

1.1 传统控制方案

永磁同步电机控制器常采用电流滞环控制和电压空间矢量控制。

电流滞环控制方法是将给定的三相参考电流iabc_ref与实际检测的逆变器输出电流iabc相比较，并预先设定滞环宽度△。若|iabc_ref-iabc|>△，则调节逆变器开关状态使电流偏差减小到滞环宽度范围内。这种控制方式可以使实际电流波形保持在与理想正弦波形一定偏差限度内呈不规则锯齿状波动，如图2所示。这种控制方法电流跟踪性好、易于实现，但稳定性较差、输出电流谐波含量高，一定程度上影响内置永磁同步电机的性能。

图2 电流滞环控制电流波形示意图（单相）

空间矢量控制方法是利用了平均值等效原理：一个开关周期内对基本电压矢量相加，使其迭加所得的矢量与需要的电压矢量相等。任何一个时刻，电压矢量都可以由组成该矢量当前所在区域的两个相邻的非零矢量和零矢量的不同组合来得到[4]，即：

三组功率开关构成八种不同的开关状态，所得到的合成电压矢量如表1.

表1 开关状态与对应电压矢量

将上表中八种电压矢量映射到复平面中，可以得到电压空间矢量图，如图3所示。

图3 电压空间矢量图

这种控制方法能相对减小永磁同步电机的谐波损耗、降低脉动转矩，电压利用率高，适合应用于数字化编程与控制[5]，但电流跟踪响应速度不如滞环控制。

1.2 改进控制方案

综合以上两种传统控制方案的优缺点，采用复合控制策略，即设定滞环宽度为△，在空间矢量控制的基础上，当|iabc_ref-iabc|>△时改用电流滞环控制，以提高电流跟踪响应速度。

同时，对于无中性点引出的内置永磁同步电机，其三相电流满足：ia+ib+ic=0[6]，即在电流滞环控制环节中，控制其中两相电流，就可以实现对第三相电流的控制。据此可以对电流滞环控制环节加以优化，仅对电流较小的两相进行斩波，电流最大的那相不斩波，进一步降低控制器的开关损耗[7]。

改进控制方案的实现流程图如图4所示。

图4 改进控制方案流程图

2 实验分析与验证

为了检验改进控制方案的有效性和可靠性，构建实验系统对内置永磁同步电机及其控制系统的转速响应、定子相电流、功率管开关信号等进行分析，电机参数如表2所示。

表2 电机参数

控制系统核心芯片选用TMS320F28335，通过电流传感器获得逆变器输出到永磁同步电机的定子相电流值[8]。控制器根据预先设定的控制方案计算得到参考电流iabc_ref，再经如图4所示的控制流程获得逆变器各功率管的开关信号，实现电机的驱动控制，如图 5 所示[9]。

图5 实验系统框图

2.1 转速响应对比

在相同工作条件下，保持内置永磁同步电机负载和逆变器直流端电源电压不变，电机从静止开始运行。初始设定转速为500 r/min，0.03 s时提高至1 200 r/min，对比空间矢量控制方案和改进方案的转速跟踪响应情况，如图6所示。

图6 转速响应波形对比

可以看出，改进方案对转速变化的跟踪速度更快，动态响应性能较好。

2.2 定子相电流对比

在如3.1所述工作条件下，保持设定转速为1 200 r/min，对比两种控制方案下逆变器输出到电机的定子相电流波形，并对其进行FFT[10]，分析谐波情况，如图7和图8所示。

图7 定子相电流波形对比

图8 谐波及THD对比

由图可见，改进控制方案相对于空间矢量控制方案谐波成分稍低，总谐波畸变率（THD）从5.41%降到了3.01%，定子相电流波形更接近理想正弦波；由于其在电流偏差大时引入了电流滞环控制，峰值附近纹波较小。

2.3 开关信号对比

在如3.1所述工作条件下，保持设定转速为1 200 r/min，对比观测逆变器功率管开关状态，如图9所示。改进方案在滞环处理时将三相斩波简化为两相斩波，每一相的功率管会有一段时间处于长开/长关的状态，总体上减少了逆变器的开关次数，降低了开关损耗。

图9 开关信号（单相）波形对比

3 结论

文章针对电动汽车内置永磁同步电机电流滞环控制和电压空间矢量控制各自的特点，将两种控制方法有机结合起来加以优化，并在电流滞环环节中用两相斩波替代三相斩波，以达到优化控制效果、降低开关损耗、提高系统节能性的目的。

文章阐述了该改进控制方案的原理与实现方法，并验证了其可行性，得到以下结论：（1）新方案动态响应性能较好，对转速变化的跟踪速度优于传统的空间矢量控制方案；（2）输出的定子相电流波形更接近理想正弦波，谐波总体较小，有助于降低永磁同步电机的运行损耗；（3）一定程度上降低了逆变器功率管开关次数，降低了控制系统的开关损耗。