電動汽車永磁同步輪轂電機控制方法的研究

宋先軍

(上海大郡動力控制技術有限公司，上海201114)

[摘要]近幾年我國純電動汽車發展速度越來越快，但研發純電動汽車時會因為傳統的汽車設計理念受到阻礙，在電動汽車中，有一種新型的驅動電力技術——永磁同步輪轂電機，依據電動汽車自身的特點，出現了永磁同步輪轂電機設計，電機在車輪內部進行安裝。輪轂直接驅動前進，和傳統輪轂電機驅動結構相比，潛力巨大。基于對電動汽車的永磁同步輪轂電機控制方法進行了探究。

關鍵詞 變頻技術永磁同步電機 矢量控制 三電平逆變器

中圖分類號U469

1永磁同步電機的發展概述

永磁同步電機具有效率高、輕量化以及高動態性能等三個特點。而且永磁同步電機驅動系統組件主要有電流、電機，控制器和逆變器、速度傳感器等。伴隨著電力電子技術密切結合微電子控制技術的程度加深，FPGA和IH1的技術也得到很大的發展，使用永磁同步電機( PMSM)的頻率越來越高，而且研究控制方法如自適應控制方法以及無位置傳感器等也多了起來。控制電機很多控制系統都是雙閉環控制，外環為轉速環，內環則為電流環，轉速的調節實現是轉速負反饋作用，那電流同樣是由電流負反饋實現的。n

永磁同步電機的最大特點就是：轉速與電源頻率完全同步而且無差率。電力電子變壓變頻技術發展起來之后，調速的實現基本要靠變壓變頻.(Variable Voltage。Variable Fre-quency，WVF)，對于該怎樣控制變壓變頻，在發展、中已經提出了新的控制策略，提高了控制性能，成本也得到降低。

2永磁同步電機控制方法

2.1矢量控制方法

矢量控制理論是在20世紀70年代出現的，最根本的目的是定向控制定子電流相位以及矢量幅值。坐標變換電機的電流、三相電壓、磁鏈三相后，就有了兩相旋轉坐標系產生，同時定子電流分解為轉矩分量以及勵磁分量兩個分量，相互正交，前者較后者滯后90。矢量控制是控制轉矩分量和勵磁分量的，永磁同步電機就得到控制。和直流電機控制方式一樣，控制方式也是如此。通常勵磁分量保持不變，控制轉矩分量。這種控制方式具有眾多優勢，如控制精度比較高，轉矩響應速度快。

2.2直接轉矩控制方法

和矢量控制方法相比，雖然提出直接轉矩控制方法的時間晚了10年，但它依然是永磁同步電機的最重要控制方式之一。矢量控制方法是利用控制定子電流對電機進行控制，那么直接轉矩控制方法就相反，通過控制磁鏈走向，進一步控制電磁轉矩，直到直接控制了電機。具體分析就是，居于定子坐標系下，利用觀測器對轉矩和磁鏈進行觀測，進一步比較這兩個值和相應參考值的差別，基于定子磁鏈的位置，再把兩個差值經過對應的滯環比較器，在對電壓矢量進行最優選擇時要基于開關表部分，對逆變器的通斷進行控制，以此就達到了控制電機的實現。該方法的優勢更加明顯，如性能良好、對電機參數依賴小以及坐標變換不很復雜等。

3永磁同步電機的結構和數學模型

3.1永磁同步電機結構

相比于其他的電勵磁電機，永磁同步電機有高轉矩慣量比、效率較高及高功率密度等優勢，在很多領域被廣泛地應用。和電勵磁同步電機不同，永磁同步電機的轉子材質是高性能的磁性材料制成的，沒有勵磁線圈與滑環等結構，取代電勵磁電機電樞繞組，簡化同步電機的大小以及整體結構，有效提高了電機效率。相比電勵磁同步電機的定子部分，永磁同步電機的定子部分也一樣，主要包括了定予繞組以及定子鐵心，定子繞組是星形連接。永磁同步電機分類有很多的分析方法，基于轉子結構的永磁體的位置不一致分為內置式以及貼面式兩種方法，貼面式有外表貼面式和內表貼面式兩種。

3.2永磁同步電機的數學模型

本文是以三相兩極永磁同步電機舉例，分析永磁同步電機，采用的一般化的數學模型。轉子是永磁性的。在研究中，通常會基于忽略次要因素的前提下，做如下假設：忽略磁化曲線的飽和非線性因素、定子繞組的效應以及定子電阻和漏抗的影響等。一般變換遵循正交變換矩陣，這是為了計算方便;不論是變換前還是變換后，電機的功率始終是遵循能量守恒;不管坐標系怎樣變化，電流所產生的旋轉磁場始終恒等。重基于三電平逆變器的滑模控制電機系統

近幾年，要控制永磁同步電機，不能離開的調速方式就是可變壓可變頻方式。由于逆變器產生變壓變頻信號，由此逆變器與電機的控制有著密切聯系。但是永磁同步電機在運行中，依然有一些問題，如電能利用率低以及轉矩脈動大等困擾，始終有著諧波危害( EMI)的出現。在PMSM控制系統中，解決這些問題，就提出了引入三電平逆變器的可行性研究方案。

三電平變換器控制中，最基礎的控制方式就是PWM控制方法，在掌握PWM控制法的基礎上，推導出了準正弦波PWM、SVPWM(空間矢量調制)、SPWM等算法。目前相對來說，“SVPWM方法還是比較成熟的，而且控制效果也較好。選擇三電平空間矢量調制法最重要的原因就是有27個空間矢量，兩電平逆變器具有8個空間矢量，此法判斷區域生很復雜，在計算在對應區域每一個矢量時間作用時間上也是很復雜，但優點大于缺點，此調制算法使磁同步電機更好地完成驅動控制，使電壓利用率得到大大提高。所以，電力電子研究人員把更多焦點集中在此法上。

5永磁同步電機控制方法的延展

輪轂式電動汽車系統是電子差速系統，實現了差速轉向動作，在研究電子差速系統時主要有設計電子差速策略和控制輪轂電機兩部分。基于分配轉速，建立了差速策略轉向模型，依據汽車轉角信號以及汽車的當前速度進一步科學地計算出了四個車輪的速度。在四輪轂電機電動汽車差速運動過程申，受到外界各種干擾以及各種參數的影響，汽車轉向模型就有了很大不確定性。因此為了更好地研究，5就簡化了轉向模型，此模型的假設下車體是剛性的，而且車輪做的是純滾動運動，后軸中心處的速度即為車速。忽略輪胎的側偏特性和輪胎差異以及地面影響等。

總之，近幾年在能源急劇短缺以及環境急劇惡化的背景下，電動汽車作為新興一員，受到越來越多的關注。出現了輪轂式電動汽車而廣受關注，它主要是由特殊的動力驅動系統——電子差速系統構成。電子差速系統有電機控制和電子差速策略兩部分。希望通過本文對電動汽車永磁同步輪轂電機控制方法的研究，可以有利于電動汽車的發展，促進城市環境的改善。

參考文獻

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