混合动力车用永磁同步电机矢量控制策略分析

杨毅

摘 要：日前，节能和环保日渐成为了国际主题，各行各业都逐步踏上了节能环保之路。而作为能够提升燃油自身的经济性、不断降低污染物排放代表的混合动力汽车得到了广泛重视。在此背景下，本文简单介绍了永磁同步电机在混合动力车上的应用情况，从而进一步分析了混合动力车用永磁同步电机，在介绍永磁同步电机矢量控制基本原理及控制问题的基础上，提出了混合车用永磁同步电机矢量控制策略。

关键词：混合动力车;永磁同步电机;矢量控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.017

在能源和环境问题日益突出的今天，混合动力汽车凭借其排放低、燃油经济性好等优点得到了越来越多的重视。永磁同步电机拥有众多突出的优点，特别是效率高、功率密度也相对较高，在控制性能上也较为突出，目前越来越多的车开始采用永磁同步电机。在使用永磁同电机时，由于其以磁体励磁，而矢量控制可有效降低电机弱磁现象。因此，学术界对混合动力汽车驱动电机控制的研究成为一项重要技术。

1 永磁同步电机在混合动力车上的应用

以当前技术来看，混合动力车上所采用的永磁同步驱动电机大多是三相永磁同步电机。相对交流异步电机来说，永磁同步电机的优点是省略了异步电机中必要的转子侧所带的励磁电流，这就使得二次侧产生的铜损得到了有效地消除，从而使得自身的效率得到了提升。在材料上，永磁同步电机自身所需要的转子永磁体是利用稀土作为自身的创作材料，这使得永磁同步电机的尺寸得到明显的减小，功率密度更是得到提升。例如，就目前来看相对经典而且还属于混合动力车的车有：通用汽车公司所生产的Volt以及丰田公司所出产的Prius等，均是使用了永磁同步电机。

2 用永磁同步电机对混合动力车进行矢量分析

2.1 永磁同步电机矢量控制基本原理

以交流电机为载体，将其三相坐标系中的各种变数通过转子通过地磁场物质的力的作用，确定方向，转换成二相旋转坐标上，让定子电流分解为两种，一种是励磁分量，另一种是转矩分量，让定子电流具有非常良好的解耦特性，从而通过直流电机控制方法来对交流电机进行有效的控制，让电机操作系统保持很好的动态特性，这就是矢量控制的大概方法。而通过电流空间使用特殊方法进行坐标变换，把永磁同步电动机通过等效原理转换成直流电动机，就可以通过直流电机操作方法对永磁同步电动机进行控制。

在永磁同步电动机中，使用的是双闭环矢量控制系统，其中使用PI算法控制转速为外环，将电流调节器给定值输入当做是转速调节器的输出值，在进行PI算法进行电流调节，通过绕在定子上面的铜线进行输出，得到两个轴电压设定值。经过帕克逆转变，把之前得到的两轴电压设定值转变为二相静止坐标电压设定值。然后用空间矢量脉宽调制方法对逆变器进行操作，把蓄电池中直流电压转变为交流电流，输出给绕在定子上面的铜线上。

2.2 混合动力车用永磁同步电机矢量控制的主要问题

矢量控制步进拥有很多优势，其还具备两相、三相坐标系转换方法复杂、太过依赖于电机参数、电机机械设计或参数等不确定因素，不能确保参数具备解耦性等很多缺点。确定好绕固定轴转动的构件位置检测到其位置信息以确定磁场方向，从而增加整体成本，是矢量控制系统的必要前提。对其有决定性影响的是机械设计精度差以及电动机内不是正弦波形气隙磁场，这两个因素直接降低了其解耦性，在转换坐标过程中误差值大，最终控制系统效果达不到预期值。

3 混合动力车用永磁同步电机矢量控制策略

面对混合动力车用永磁同步电机矢量控制中的问题，在运动控制中，变频调速电机以变流装置的关键性技术中的脉宽调制技术作为首要手段。脉宽调制技术人们熟知的分为两种，即正弦波脉宽调制技术与电压空间矢量脉宽调制技术。

3.1 正弦波脉宽调制

脉冲宽度调制技术是通过调制出特定宽度的脉冲序列，相似输出的幅值波形与形状波形。经过一系列实验可以得出最终结论，当输出波形很相似时，那就一定是在保持物体原来的运动状态的前提下，增加各种形状的矢量并保證其窄脉冲保持一样。利用傅立叶原理对输出波形进行变换，转换结果只有在高频段有一点区别。

让逆变器输出的电压与正波形相似，是正弦波脉宽调制的最终目的。形成环绕旋转磁场进而生成稳定的电磁扭矩是对电机进行控制的最重要的目的，但是负载电路的参数会对电流波形产生一定影响。假设将逆变器与电机当做一个整体作为基本目标，基于此来跟踪环绕旋转磁场以达到控制脉冲宽度调制电压，这个控制手段称之为磁链跟踪。要想对磁链跟踪行走轨迹进行控制，就要依靠电压空间矢量加法所得到的，所以它又可以成为电压空间矢量脉宽调制。由此可以得到，正弦波脉宽也可以进行调节。

3.2 电压空间矢量脉宽调制

空间矢量脉宽调制相对于比正弦脉宽调制而言，拥有电流波形畸形率小，电磁扭矩脉动小，拥有更高的直流电压利用率、数字化更加容易实现等优点，它代表着现代伺服体系调制技术的理想化。空间矢量脉宽调制他的直流电压利用率很高、实现数字化更为便捷及电机扭转脉动小等突出优点，因此，它经常出现在永磁同步电机变频调速系统中。

三相电压型逆变器是系统中电机驱动的装置，空间矢量脉宽调制中电流控制策略则是转子磁场中矢量控制策略得到的指令值转子磁场定向矢量控制策略得到的定子电压矢量指令值，输出为逆变器每相上桥臂在各采样周期双内的开通时刻。在固定周期内，对于任何一个定子电压矢量指令值都可以由其相邻的两个基本电压向量合成。

脉冲宽度调制拥有特定周期，在一个周期内，利用彼此挨着的两个电压向量和零向量互相作用产生最终的输出电压矢量，最终可以得到电压空间矢量脉宽的波形。

4 结束语

总之，在混合动力车用永磁同步电机矢量控制中，正弦波脉宽调制与电压空间矢量脉宽调制是目前解决混合动力车用永磁同步电机矢量控制中参数耦合不完全、误差大等问题。在今后的发展中，相信，通过同业科研人员对混合动力车用永磁同步电机矢量控制的不断研究，矢量控制方法会更加丰富、易于操作。

参考文献：

[1]董晓.混合动力车用永磁同步电机矢量控制策略研究[D].吉林大学，2014.

[2]柏跃程.混合动力车用电机无传感器矢量控制的研究[D].安徽理工大学，2017.

[3]曹永霞.混合动力车用永磁同步电机参数匹配与控制算法研究[D].吉林大学，2015.