基于电动汽车永磁同步电动机的控制策略

聂光辉

摘  要：由于电动汽车用永磁同步电机要满足车辆在各种负荷下的起步、加速、匀速行驶、减速和制动等不同工况的要求，因此其必须能够快速响应并且调速范围广，控制系统对永磁同步电机来说非常重要，通过控制系统能够使电机在不同行驶工况下都能正常的工作。

关键词：电动汽车;驱动电机;控制策略

中图分类号：TM341            文献标志码：A

目前绝大多数的电动汽车用可调速的永磁同步电机都属于自控式的，所谓自控式是指通过检测转子位置和转速并反馈信息，确保电机系统和逆变器一直处于同步状态。常见的对永磁同步电机的控制方式有恒压频比开环控制、失量控制、直线转矩控制和智能控制等控制方式。分别实现在不同行驶场合下对永磁同步电机的起动、加速、正转、反转及能量回收的控制。

近些年来，交流电机上常用的控制方式有开环控制、矢量控制、直接转矩控制及智能控制等，这些控制方式既能用于交流异步电机，同时也能用于在我国具有得天独后发展前景的永磁同步电机上。我国是稀土储量和产量大国，稀土又是制造电机永磁体的重要原料。交流异步电机广泛应用于电力机车和商用电动汽车上，由于永磁同步电机具有体积小、质量轻、其转子上有永磁体不需要通电等优点，因此越来越多的乘用车采用该电机作为动力装置来驱动车轮行驶，也正是因为其转子不需要通电，给它的控制带来了困难。

1 永磁同步电机的开环控制

永磁同步电机的开环控制（VVVF）是交流电动机变频调速最基本的控制方式，简称变频调速系统，也称恒压频比开环控制。能应用在大多数对调速性能要求一般的交流电动机调速控制系统中，并且使用方便，是通用变频器的基本模式。

永磁同步电机的开环控制原理是控制器对给定或者预先设定好的电压及频率进行分析和计算，然后控制输入变频器的三相正弦交流电压值及频率，使之随给定或者预先设定好的电压及频率的变化而变化，从而改变定子绕组的磁场旋转速率，转子的旋转速度也随之改变，也就改变了电机的转速，如图1所示。

开环控制在基频（指电机在额定扭矩时的频率）以下的调速过程中的转差率不随转速的变化而变化，电动机的机械特性比较硬，调速范围宽，无论高速还是低速时工作效率都比较高。

但由于该种控制方式没有位置传感器检测转子速度和位置的信号，属于开环控制，因此难以准确控制电磁转矩，在电动汽车行驶中开空调或者上坡时，突加的负荷可能会导致转子转速降低，甚至是停转。所以不适合对电动汽车上的永磁同步电机进行控制。

2 矢量控制

矢量控制（VC）最初应用于异步电机，后来引入交流同步电机的控制系统中，矢量控制的核心是转矩控制，将直流调速系统的理论应用到永磁同步电机的控制策略中，可以精确控制交流同步电机的动态响应，并使电机实现大范围调速控制[1]，满足电动汽车对动力的需求。

由于永磁同步电动机转子的转速和旋转磁场的转速相同，转子对控制效果影响比较小，所以只需要检测和定子的电流矢量，就能实现控制转矩的目的，如图2所示。具体来说，是将永磁同步电机的定子电流矢量分解为产生磁场的励磁电流分量和产生转矩的转距电流分量，并分别对2个分量的幅值和相位进行控制。

根据矢量控制范围的不同，该控制方法主要有最大转矩/电流控制、id=0控制（id即电流i在矢量坐标系里的d轴上的分量为零。通常d轴电流为励磁电流）、弱磁控制和最大输出功率控制等[1]。其中控制方式最简单的是弱磁控制，其可以改善电机的调速性能。为了在高速时获得更宽广的功率运行范围，电动汽车对永磁同步电机的高速运行通常采用弱磁控制。

3 直接转矩控制

直接转矩控制（DTC）是在20世纪80年代后期提出的，首先在交流异步电动机的控制中应用，后来逐渐推广到弱磁区域以及永磁同步电动机的控制中，其控制原理的核心是通过直接控制电机的转矩来控制其转速。

直接转矩控制系统由速度控制器、调节器、PWM逆变器、磁链和转矩计算模块、速度传感器及和永磁同步电动机等部份组成。直接转矩控制只需检测定子绕组的电压和电流，就能通过控制器去计算电磁转矩，并与给定值进行比较，实现转矩的直接控制[2]。

永磁同步电动机直接转矩控制的控制过程如图3所示，控制系统对逆变器输出的三相电压和电流进行检测，输入坐标变换模块并进行变换后，进入磁链和转矩计算模块进行分析，测算出永磁同步电机的定子磁链，由此得出转子的瞬时转矩。

电动机的实际转速可通过速度调节器（转子位置传感器）获得，例如现在电动汽车永磁同步电机上广泛采用的旋转变压器就是转子位置传感器的一种。电动机的实际转速与转子的基准转速比较，确定出基準转矩，并与通过转子位置传感器检测的实际转矩相比较，再经过逆变器输出控制脉冲信号。

直接转矩控制的原理框图如图3所示，实际转速值ω与转速参考值ω*相比较，得到转矩参考值T*。经转矩调节与反馈转矩T比较所得的转矩差做滞环处理，得到转矩控制信号τ。再将定子磁链参考值φS*跟定子磁链实际值φS相比，经磁链调节得到磁链控制信号φ。从PWM逆变器传递的直流侧电压Udc及电机的三相交流电压经过坐标变换，分别转换成α轴实测电流iα、β轴实测电流iβ、α轴实测电压uα和β轴实测电压uβ，并在矩阵和磁链比较器中进行计算，输出扇区信号，并和转矩控制信号τ和磁链控制信号φ共同进入开关选择，生成PWM脉冲宽度调制信号，输出给PWM逆变器，给电机供电。

直接转矩控制极大地简化了信号的处理难度，电动机参数影响也较小，抗干扰能力强，转矩响应快，被广泛应用于电动汽车的交流电机的控制器中。

4 智能控制

为了提高永磁同步电动机的智能控制能力，就必须不依赖或者不完全依赖控制对象的模型，以此来为以后实现自动驾驶功能奠定基础。

交流电动机控制系统采用由速度环和电流环构成的双闭环控制结构，对电流环的控制采用矢量控制和直接转矩控制方式，能保证电机控制系统的动态响应。在速度环中，经常采用智能PI控制器实现对速度环的控制，大大提高了系统的整合性能。

在双闭环控制结构中，智能PI控制器相当于速度控制器，电流和转矩的控制仍采用VC控制和DTC控制等控制方法，使系统的性能达到最优。

从目前来看，智能控制要应用在对电动汽车的永磁同步电动机控制中，还只是一个概念，相信在不久的将来，智能控制会越来越多的应用在电动汽车的电机控制中，开启智能驾驶和无人驾驶的新时代。

总之，电动汽车广泛采用的永磁同步电机一般都采用自控式变频调速，通过转子位置传感器为控制系统提供转子位置信号，从而实现对电机转矩的精确控制，满足电动汽车对电动机的智能控制要求。

参考文献

[1]张宽，文红举，范钰琢，等.电动车用永磁同步电机矢量控制策略[J].汽车工程师，2017（1）：38-40.

[2]陈福民，王海仙，谭茀娃，等.感应电动机直接转矩控制及其发展[J].电工技术杂志，1994（1）：29-32.