电动汽车用永磁同步电机控制关键技术研究

2023-05-24彭琛许宁郑亚东

汽车电器 2023年5期

彭琛许宁郑亚东

【摘要】基于自然环境及国家能源战略需求，新能源汽车市场保有量占比逐年提升，电机控制器作为新能源汽车的核心部件，其技术发展水平对于提升新能源汽车的经济性、动力性及安全性具有重要意义。本文主要阐述新能源汽车电机驱动系统的发展现状，并从多角度对永磁同步电机控制相关先进技术进行深入分析，为促进新能源汽车的发展提供一些个人见解。

【关键词】电机控制;新能源汽车;永磁同步电机

中图分类号：U469.72 文献标志码：A 文章编号：1003-8639（ 2023 ）05-0019-04

【Abstract】Based on the natural environment and national energy strategic needs，the proportion of new energy vehicle market has been increasing year by year. As the core component of new energy vehicles，the technical development level of motor controller is of great significance for improving the economy，power and safety of new energy vehicles. In this paper，the development status of the motor drive system of new energy vehicles is reviewed，and the advanced technologies related to permanent magnet synchronous motor control are analyzed from multiple perspectives，so as to provide some personal insights for promoting the development of new energy vehicles.

【Key words】motor control;new energy vehicle;PMSM

作者简介

彭琛（1989—），男，碩士，工程师，主要从事新能源汽车电机控制、大气污染监测与控制以及环境监测领域的物联网技术等方面的工作。

1 引言

基于国家战略发展需求，2020年11月份工信部发布了《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》，此规划是为推动新能源汽车高质量发展，加快建设汽车强国制定[1]。基于此战略布局，近年来各大车厂深耕新能源汽车领域，目前主要分为氢燃料电池及锂离子电池两个方向，其本质都是化学能-电能-机械能的能量转换[2]。与传统车不同的是，新能源汽车使用电动机来驱动车辆行驶，早期由于控制技术不成熟，大部分厂商采用直流电机驱动。直流电机控制简单、扭矩响应速度快，但受到机械换向性能的制约，其功率密度和电磁兼容性难以满足新能源汽车的动力需求。在新能源汽车的发展历史中，直流无刷电机和开关磁阻电机等非正弦波电机也曾一度受到广泛关注，但随着数字控制技术的兴起，正弦波交流电机的性能优势突显，迅速占据了主流地位。目前新能源汽车驱动电机主要有永磁同步和交流异步两种类型，永磁同步电机由于具有结构紧凑、质量轻、功率密度高且运行效率高，特别是在低速区输出转矩大等特点，在国内成为新能源汽车驱动电机的首选。

2 电动汽车用永磁同步电机控制先进技术

通常使用基本的矢量控制原理可以使得电机保持稳定工作。随着近几年永磁同步电机的广泛应用，很多学者围绕提高电机效率、降低电机转矩脉动及电磁噪声进行大量深入研究，很多先进算法被提出。车用永磁同步电机控制关键技术如图1所示，针对新能源汽车使用场景，大部分控制算法的提出基本上围绕着经济性、动力性、安全性及舒适性这几个方面进行归纳总结。

2.1 智能变开关频率技术

智能变开关频率技术主要包括：PWM变载频技术和随机PWM技术。其中，PWM变载频技术主要是降低电机低速运行时IGBT的开关损耗，传统的控制方法是逆变器固定较高的开关频率，但是在电机低速运行时，IGBT开关损耗较大，占控制器总损耗40%，其解决方法是控制器根据工况变化自动适应开关频率，从而降低IGBT开关损耗。以4.5t蓝牌车为例，城市普通道路（QCT 759—2006）在加入智能变开关频率技术后，控制器综合效率可提升1.5%，行驶里程每百公里可以提升1.3km。一般主机厂要求逆变器正常运行时，其直流端总谐波畸变值小于5%，如公式（1）～公式（4）可知电流纹波随调制比增大而增大，随PWM频率增大而减小[3]，在实际对PWM载频调制过程中，需要注意直流端纹波电流需保持在要求范围内。

随机PWM技术主要是降低IGBT开关时产生的电磁干扰，如公式（5）所示，首先我们确定中心频率fs0，Δf一般为fs0的0.2倍，Ri为[-1，1]上呈三角分布或正弦分布的随机数[4]，通过加入随机PWM技术，可使IGBT开关时产生的电流功率密度在一个PWM周期内呈均匀分布，从而降低EMI[5]。

2.2 过调制技术

电机损耗主要包括铁损和铜损，通常情况下电机发热由电流引起的铜损占比约为40%。在电机输出功率不变的情况下，尽可能提高相电压利用率，从而减小相电流输出，降低电机热损耗，提高电机工作效率，从而提高整车行驶里程，提升整车的经济性。以4.5t蓝牌车为例，在NEDC工况下，加入过调制技术后的电机效率可以提升1%，行驶里程每百公里可以提升1.2km。如图2所示，SVPWM最大输出电压幅值为基本电压矢量构成的六边形内切圆，其最大电压幅值为Udc /。根据电压矢量幅值大小，可将电压矢量划分为3个区域：①当参考电压幅值满足│Vref│≤Udc /时，此时参考电压处于线性调制区，理想情况下输出相电压为平滑的正弦波，对应调制比为0≤M≤1;②当参考电压幅值满足Udc /≤│Vref│≤0.6061Udc时，此时参考电压幅值处在过调制Ⅰ区，对应调制比为1≤M≤1.049;③当参考电压幅值满足0.6061Udc≤│Vref│≤（2/π）Udc时，此时参考电压幅值处在过调制Ⅱ区，对应调制比为1.049≤M≤1.102[6]。当参考电压幅值处在过调制Ⅰ区时，输出相电压波形为基波叠加含量较高的3次谐波;当参考电压幅值处在过调制Ⅱ区时，输出相电压波形为基波叠加含量较高的3次谐波和5次谐波。其中，高次谐波为无效波，经过Clark、Park变换后，会在Id、Iq电流上叠加一个偶次振荡波，高次谐波会加大电机电磁噪声和电机转矩脉动，在电流环阶段需要做谐波抑制处理[7]。

2.3 压降补偿和死区补偿

电机电角度参数是矢量控制两个关键参数之一，在进行电角度计算之前，我们需要进行零点标定，零点标定不准会导致扭矩精度出现偏差，车辆会出现不可控现象。如在某车型调试现场，由于电机电角度人为修改4°，车辆高速行驶松油门后有扭矩存在（约为10N·m），导致整车架空时，若不踩制动，整车车速降不下来。电机零点主要通过电压方程（6）进行标定，将被测电机安装至台架并给定恒定的转速，id和iq给定值为0，不断手动调整电角度零点值，直至Ud值为0。在标定过程中，由于d、q轴的电流值为0，最终经SVPWM调制后的三相占空比较低，如果标定过程中没有加入压降补偿和死区补偿，会产生一个ΔUd值，导致零点标定不准，同时电机在低速小扭矩状态下运行时，波形畸变严重，电磁噪声较大。额定工况无补偿和半周期补偿电流波形对比如图3所示。根据文献得知，可以使用半周期补偿方法进行死区和压降补偿，需要注意的是，在相电流为0时需要做细节化处理，防止补偿发生偏转导致波形进一步恶化[8]。公式（7）中，Tcom为最终的死区补偿时间，i为相电流，Td为设置的固定死区时间，Ton为IGBT门极打开时间，Toff为IGBT门极关断时间;公式（8）中的Tvcom为压降补偿时间，Vd0为续流二极管导通压降，Vce0为IGBT导通压降，VDC为母线电压，TS为载波半周期时间。

2.4 内模解耦技术

扭矩响应速度是衡量车用电机控制系统技术先进性的一个重要指标，其直接影响车辆的动力性。一般主机厂要求电机扭矩输出从0～Tmax时，其时间应保持在100ms以内，且扭矩输出平稳无振荡。根据扭矩方程（10）可知，当电机参数已知时，扭矩响应速度取决于电流环响应速度。由于在不同运行工况下，永磁同步电机参数（ψf、Ld、Lq、Rs）是时变的，传统PI控制策略所设计的电流环Kp、Ki参数一般是固定值，不能获得最优的动态性能。根据永磁同步电机非线性、强耦合的特性引入内模控制，实际测试扭矩响应速度可控制在30ms左右。图4所示为内模解耦控制框图，其中s、d、q为電机的实际参数，应用中可以先调节λ来满足内模控制器的解耦性能，再通过调节α和β来消除λ对电流控制器的影响，其中α和β分别为比例调节因子和积分调节因子[9]。

2.5 电机转子温度估计技术

扭矩控制精度是电机控制系统一个重要的技术指标，在《GB/T 18488.1—2015 电动汽车用驱动电机系统第1部分-技术条件》中给出了扭矩控制精度的定义。一般，OEM对扭矩精度要求是：电机输出扭矩在0～100N·m范围内，精度控制在±3N·m内;而大于100N·m时，精度控制在±3%内。根据扭矩方程（10）可知，磁链ψf是影响扭矩精度的一个重要因素。一般来说，永磁体磁链随永磁体温度升高而减小，不同的材料其衰减倍数不同，其次，当电机转子温度过高时，会造成永磁体退磁。目前绝大部分电机温度传感器是埋在定子绕组中，其实际测量的是定子线圈的温度值，这时需要建立电机转子损耗模型算法，实时准确地估算电机转子温度，提高整车的安全性。首先将电机热网络简化为5节点T网络模型，通过建立模型得到电机温度估计状态方程，并根据实际测量的各节点温度曲线值对Ri和Ci进行求解;同时根据有限元仿真方法和公式（11），对电机铁损电阻随ωe变化的MAP表进行估计;然后通过公式（12）和（13）计算出电机的定、转子铁损功率;最后通过热阻网络模型计算出转子的实际温度[10]。需要注意的是，目前大部分文献给出的热模型数学计算方法过于复杂，不利于移植到单片机里运行，实际情况下，我们需要对RC网络进行Z变换，然后转换为差分方程进行求解。

2.6 IGBT结温估计技术

目前大部分主机厂对核心三电系统给予8年/15万公里超长质保。电机控制器作为一个核心控制单元，其80%的故障原因由功率驱动及功率单元产生，功率单元故障主要是IGBT结温过高导致载流子寿命减少，长时间的高温导致IGBT失效，同时IGBT失效后会造成汽车动力瞬间丢失，车辆处于不可控状态，特殊场景下对驾驶员造成极大的安全隐患。通过建立IGBT的热路模型，准确快速地估算IGBT实时最大结温，动态调整IGBT最大持续输出电流，提升整车的安全性及动力性。根据IGBT材料特性需要建立7阶热阻网络模型，实际情况下，为了减少单片机运算量，一般选取3阶热阻网络即可。常用的热阻网络模型有Cauer（图5）和Foster模型，这里选用Cauer模型进行计算[11]。首先根据IGBT结温估计状态方程对各阶Ri和Ci进行求解，然后根据3阶RC网络进行Z变换，通过差分方程求解Tj。结温热阻网络的输入损耗为IGBT的开关损耗和导通损耗、续流二极管的开关损耗和导通损耗之和，实际应用时续流二极管的损耗可近似等于IGBT的损耗，其计算公式如式（14）～式（17）所示，其中Pcond为导通损耗，Pon为打开损耗，Poff为关断损耗，Ri为正向导通电阻，VCEO为导通压降，IC为集电极电流，d为PWM占空比，aon、bon、con、aoff、boff、coff为拟合的系数，Udc为母线电压，Urated为器件手册中测试的标准母线电压，fSW为IGBT开关频率，ρon与ρoff为结温相关系数[12]。通过此热阻网络模型计算的结温Tj可以满足稳态误差≤±5℃，动态误差≤±10℃，响应时间≤500ms。

2.7 主动阻尼技术

在车辆急加速工况下，扭矩突变响应引起传动轴扭转振动。在电机驱动制动切换时，引起传动齿轮啮合关系发生变化，造成齿轮碰撞引起振动。一般解决方法是通过建立整车振动数学模型，实时识别机械共振特性，改变电机力矩特性抑制振动。公式（18）、公式（19）分别为齿圈转矩-转速和齿圈转矩-轮速的传递函数，通过公式（18）的零极点分布找到齿圈转速-轮速的共振点，然后在共振频率附近加入偏差控制[13]。图6为有没有加入主动阻尼的齿圈转速对比效果，需要注意的是主动阻尼实际效果和电机扭矩响应速度、电机扭矩精度关系较大。

2.8 谐波抑制技术

电机相电流谐波为无效波，其一般会产生转矩脉动及电磁噪声，影响整车NVH，一般主机厂对电机运行时的谐波含量有一定的技术要求。造成电机相电流谐波主要有以下3个原因：①在电机设计过程中，其齿槽效应、绕组分布形式、磁路饱和效应引起的气隙磁场畸变，主要引入3次、5次、7次等奇次谐波，其谐波含量可通过电机反电动势进行分析;②电机控制器功率器件开关时引入的死区及导通压降效应[14]，这个问题可以通过加入补偿解决;③电机运行在过调制区，相电压会引入3次、5次等奇次谐波，此过程谐波含量较大。在三相坐标系下，5次谐波电压向量旋转方向与基波电压向量旋转方向相反，旋转速度为5ω，7次谐波电压向量旋转方向与基波电压向量旋转方向相同，旋转速度为7ω，经过Clark、Park变换后，基于dq轴的数学方程如公式（20）、公式（21）所示[14]。关于电流谐波抑制技术有多种方式，本文实际应用中选用多旋转PI控制。首先通过低通滤波来实现对5次、7次谐波电流的提取，得到5次、7次谐波电流在对应的同步旋转坐标轴系下d轴和q轴的分量id5H、iq5H、id7H、iq7H;然后设定控制目标id5×H=0、iq5×H=0、id7×H=0、iq7×H=0;根据5次、7次谐波电压稳态方程建立带有内模解耦的PI环节，可适用不同参数的电机，通用性较强。有没有加入谐波抑制技术处理的dq轴电流波形对比如图7所示[15]。

3 结论

相较于传统汽车，新能源汽车越来越受到消费者的青睐。随着新能源汽车的零部件电动化占比大幅提高，汽车驱动系统由原来的内燃机变换成现在的电动机，如何保证驱动系统的安全性是目前业界关心的问题。同时，由于锂电池能量密度远低于汽油能量密度，如何提高驱动系统效率也是广大学者需要研究的一个课题。本文结合国内外对永磁同步电机控制技术的研究，围绕经济性、动力性、安全性、舒适性这几个方面总结了车用永磁同步电机控制中的关键技术，对新能源汽车电机驱动系统的开发具有一定的指导意义。

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