电动汽车用永磁同步电机控制策略研究

靳宇星

摘 要：近年来随着节能减排的要求，为了有效地降低汽车燃油消耗量和尾气排放量，越来越多的汽车制造厂商将目光投向了电动汽车。不论是纯电动汽车还是混合动力电动汽车，其主要驱动的核心部件均为电机。该文针对目前市场上电动汽车采用的主流驱动电机，分析了各种电机的优劣性，同时针对目前使用最广泛且控制性能最优的永磁同步电机，介绍了其主要的几种控制策略并分析了各种控制策略的优劣性。最后在仿真软件中建立了相应的仿真模型，所建立的模型既能作为科研用也可用作实验室的教学。

关键词：电动汽车;永磁同步电机;控制策略

中图分类号：TP273;TM351      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）06-0226-03

1 背景

随着当今工业生产的快速发展和消费水平的提高，越来越多的人开始拥有汽车，而随之带来的尾气排放量的逐渐增高和石油等自然资源的逐年减少已成为当今社会面临的巨大问题[1]。传统的靠油气燃烧提供动力的汽车在节能和环保方面已很难再有新的突破，因此从能源和环境的角度出发，新能源汽车的崛起势不可挡。电动汽车采用电力驱动系统取代传统的燃油发动机系统，既可以提高能源的利用率，又可以减少污染物的排放，甚至实现汽车在城市道路行驶过程中的零排放。因此，许多传统的汽车生产企业也将目光转移到了电动汽车上，除了因为电动汽车具有能量利用率高、污染物排放量少、动力系统简单等优势外，其还可以通过直接控制驱动电机的转速来省去传统的变速箱系统，使得车辆传动系统更加轻便简单。同时，相对于自动变速箱，电机控制系统结构简单、技术、运行可靠。

通常情况下，电动汽车根据其能源和动力装置的不同，可以分为纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车三种基本类型[2]。其中，純电动汽车是完全通过电力驱动电机提供动能推动的汽车运行的;混合动力电动汽车是利用电能和汽油燃烧的化学能，供给电机和发动机来推动汽车运行的;燃料电池电动汽车则是直接或间接地利用氢获得能源，再由电动机驱动提供动力推动汽车运行。目前，传统混合动力电动汽车已经大量使用，并被公认为是一种节能环保型汽车，而纯电动汽车正在逐步占据汽车市场，并能够彻底实现零排放标准，同时正在逐步向着更优的控制性能和更舒适的乘车体验感反面进行进一步的优化。

2 电动汽车驱动电机的性能要求

电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行驶中的主要执行机构，也是整车运行的动力提供装置[3]。驱动电机及其控制系统是汽车的核心部件，所选的驱动电机性能的好坏直接决定了汽车的运行性能和动力表现。作为电动汽车驱动器的电机主要有以下几点要求：

1）电机结构紧凑、尺寸小、重量轻;

2）可靠性高、安全性能良好;

3）高效率、高功率密度;

4）高转矩和高功率输出;

5）宽调速范围，高速达到4～5倍的基速;

6）较大高效率区和较强短时过载能力;

7）针对车辆运行环境要有较强的可靠性和鲁棒性;

8）低成本、低噪音和低转矩脉动。

永磁同步电机相对于其他感应电动机具有体积小、效率高、运行平稳可靠、噪音小、抗干扰能力强等优点，是最适合作为电动汽车驱动电机的。其在控制难易程度上要远比异步电机简单而且高效，因此世界各国在发展新能源电动汽车的时候都将永磁同步电机作为驱动电机的首选。

永磁同步电机由铁氧体、铝镍钴、钕铁硼等永磁材料构成转子永磁体替代了电励磁同步电机中的电励磁系统，省去了电刷、集电环和励磁绕组[4]。其核心就是稀土永磁体，也是生产永磁同步电机的最主要成本。而我国的稀土存储量世界第一，总存储量占全世界的五分之四，因此在我国发展永磁同步电机具有其他国家无法比拟的优势。表1给出了几种常见电机的性能的对比。

3 电动汽车电机驱动控制系统

电动汽车的驱动系统包括电池系统、电机和驱动电机控制器等三个部分[5]。其中驱动电机控制器主要由电子开关和电子元件构成的功率模块以及由微处理器和控制策略构成的控制模块两部分组成。其中控制策略至为重要，一个好的控制策略在很大程度上决定车辆的运行性能，会使整车的操控性能和舒适度大幅提升[6]。目前对永磁同步电机驱动控制策略的研究是电动汽车研究领域的热点问题。

根据近几年的市场调研显示，永磁同步电动汽车驱动电机的调速方法已有很多种，目前主要应用的有矢量控制策略和直接转矩控制两种。

3.1 永磁同步电机传统控制策略

矢量控制提出于1971年，最先被应用在了异步电机的控制中，其后由于其良好的控制效果因此也被用来控制永磁同步电机，其控制思想是在永磁同步电机上模拟直流电机的转矩控制过程。这种控制策略通过对永磁同步电机数学模型进行Clark变换和Park变换，将期望的定子三相电流由is由静止坐标轴转换为d-q轴坐标系下相互垂直，相互独立的电流分量id和iq，其中id又称为励磁电流，iq又称为转矩电流，此时永磁同步电机定子三相交流电流实现了解耦，即可实现对期望的转矩和磁链的分别控制，因此采用这种方法能够使三相交流同步电机获得类似于直流电机的调速方式和控制效果。

当永磁同步电机数学模型建立在d-q轴坐标系下时，若想使转矩获得最大值，可以使励磁电流id=0，此时期望的电流矢量is2=id2+iq2=0+ iq2= iq2，则转矩电流iq与电磁转矩磁成正比，此时也被称作id=0控制。此时磁通完全有永磁体产生，电机所有的电流全部用来产生电磁转矩，实现了电机的静态解耦。

矢量控制能够在很大程度上提高电机的传动效率，在相同的电池容量下其续航能力更强，因此自问世以来就备受研究者的喜爱，经过多年的研究与应用，目前是电动汽车驱动电机使用最多的控制方式。具有动态性能好、调速范围宽的优点，同时该方法也存在对电机参数依赖过大的问题，因此必须通过设置相应的传感器来获取电机运行参数，这不仅增加了电机的硬件成本，而且降低了电机运行的可靠性。另外由解耦控制带来的较大计算量是该策略的又一缺点。图1给出了其控制原理图。

直接转矩控制是20世纪80年代中期由德国学者提出的一种高效的电机控制策略。其控制思路同矢量控制不同点在于其并不是通过坐标变换对定子电流直接进行解耦控制，而是首先通过获取的直流母线电压和定子电流计算电机的电磁转矩和磁链，然后利用滞环比较器进行磁链和转矩的解耦控制。因此具有比矢量控制更快的转矩响应速度。

该方法采用bang-bang控制与PWM技术并用的策略来进行转矩控制，因此具有动态响应快、控制性能优良的优点，同时由于去掉了复杂的电流解耦环节因此其对电机参数的依赖也没有矢量控制大。但其存在转矩和磁链脉动大的缺点。图2给出了其控制原理图。

3.2 永磁同步电机智能控制策略

近年来随着智能控制理论的深入研究和其在工业生产中的应用。许多智能控制策略也开始引入电机控制领域中如：滑模控制、模型预测控制、自抗扰控制和神经网络控制等。这些方法的应用在提高电机控制性能的同时也大大地增强驱动系统的抗干扰能力，是目前电动汽车驱动控制系统的热点研究方向。

滑模控制是20世纪50年代由苏联科学家提出的一种非线性控制策略。与常规的线性控制策略不同的是其控制作用是不连续的，是一种变结构的控制策略，通过控制律中的切换作用使得被控对象的状态被限定在所设计的滑动平面上运动，并保证误差具有一定的收敛性。该控制策略具有响应快速、抗干扰能力强、对电机参数不敏感的特性。

自抗扰控制技术是由我国学者韩京清提出的一种高性能控制策略，控制器中包含了跟踪微分器、扩张状态观测器和线性反馈控制器等几个部分。这种控制策略对系统模型参数的依赖性小，能够及时观测系统运行过程中的误差，并通过反馈来消除误差，同时又能兼顾外界干扰所带来的影响，并及时进行反馈补偿。因此具有非常强的抗扰动能力。

模型预测控制是近年产生的一种新型的控制策略，其控制原理是首先对电机建立预测模型，通过计算出每个控制量作用后系统的输出状态，然后将输出量带到设定的目标函数中通过对比选择最优的控制量作用于系统中。模型预测控制具有算法简单可靠，易于实现的优点。

神经网络是一种以模拟人脑思维控制过程的模型，通过模拟人脑神经元之间相互连接及信号传递关系来使得被控对象具有类似人工智能的工作特性。通常神经网络在控制中的应用主要包含两部分，一是神经网络系统辨識，实现被控对象的建模。二是采用神经网络直接设计控制器，能够对不确定系统及扰动进行有效控制。其在永磁同步电机的应用中通常用来进行参数辨识或与其他传统控制策略相结合来提高系统控制性能。

4 永磁同步电机数学模型

永磁同步电机是一种高性能的三相交流电机，对其进行数学建模是认识和分析电机运行规律，掌握各变量间的因果或定量关系的基础。在考虑电机电感不受电流变化影响，磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗;忽略齿槽、换相过程和电枢反应的影响，并且三相绕组对称电枢绕组在定子内表面均匀连续分布等基础条件下，可建立其在d-q轴坐标系下的数学模型如下：

Matlab/Simulink是以一款非常实用的数学计算的工具软件。它具有强大的矩阵运算能力、绘图功能以及可视化的仿真环境，能够对通信系统、非线性控制、电力系统等进行详细的建模、仿真和研究[7]。可在此工具下按照建立的永磁同步电机数学模型搭建仿真模块进行仿真运行和结果分析，以便选取适当的控制策略和获取合理的设计参数。图3给出了根据永磁同步电机数学模型在Simulink平台下搭建的矢量控制仿真模型。

5 结束语

本文针对电动汽车的主要分类和电机驱动控制系统，从节能环保方面分析了电动汽车相比于传统汽车的优点。介绍了电动汽车主要的几种驱动电机并分析了各自的优缺点，同时给出了目前市场上电动汽车使用的主流永磁同步电机的主要控制策略，及其基本控制原理。最后在仿真软件中建立了目前市场上应用最广泛的矢量控制仿真模型。

参考文献：

[1] 汤高攀，李海光.混合动力电动汽车的发展趋势[J].汽车实用技术，2020（22）：243-245.

[2] 旷水章，匡增彧，王虎.新能源汽车技术发展现状和趋势[J].内燃机与配件，2020（22）：188-189.

[3] 雷显国.电动汽车电机驱动控制系统设计方法[J].科学大众（科学教育），2020（6）：198.

[4] 李文悦.永磁同步电机控制在电动汽车中的应用[J].内燃机与配件，2019（22）：45-46.

[5] 聂光辉.电动汽车电机控制器控制原理[J].现代工业经济和信息化，2019，9（11）：56-57.

[6] 黄其，陈翔，罗玲，等.电动汽车用永磁同步电机控制器设计[J].电机与控制应用，2019，46（10）：84-91.

[7] 魏东坡，张坤，赵宏霞，等.基于MATLAB的电动汽车永磁同步电机特性仿真[J].汽车实用技术，2019（17）：21-23.

【通联编辑：谢媛媛】