邱　鑫　黃文新　卜飛飛　楊建飛

電動(dòng)汽車用IPMSM直接轉(zhuǎn)矩控制 系統(tǒng)效率優(yōu)化

邱鑫1，2黃文新1卜飛飛1楊建飛2

（1. 南京航空航天大學(xué)江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210016 2. 南京師范大學(xué)江蘇省三維打印裝備與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210042）

為提升電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程，提出一種車用內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)（IPMSM）直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的在線效率優(yōu)化方法。首先分析IPMSM的銅損和鐵損，并將控制器損耗歸入銅損，以全面考慮IPMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁損耗。同時(shí)推導(dǎo)了銅損和總電磁損耗隨定子磁鏈變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上，得到一種適用于電動(dòng)汽車頻繁變速運(yùn)行的分區(qū)式效率優(yōu)化方法。該方法利用離散化思想，根據(jù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩將電動(dòng)機(jī)運(yùn)行范圍分為不同區(qū)間，并在各自區(qū)間內(nèi)單獨(dú)作尋優(yōu)搜索。所述方法對(duì)尋優(yōu)算法依賴性小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該在線效率優(yōu)化方法的有效性和可行性。

內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī) 直接轉(zhuǎn)矩控制 效率優(yōu)化 電動(dòng)汽車

0　引言

近年來，雖然電動(dòng)汽車相關(guān)技術(shù)得以迅速發(fā)展，但是其中電池的容量和體積重量等因素仍是阻礙電動(dòng)汽車進(jìn)一步推廣的關(guān)鍵瓶頸。因此，在電池容量有限的條件下，提升電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體效率對(duì)于提高續(xù)航和節(jié)約能源均有重要意義［1-3］。

現(xiàn)有中小型電動(dòng)汽車多采用內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor， IPMSM）［4-6］，雖然IPMSM自身具有高效率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，但在電動(dòng)汽車應(yīng)用場合，還需結(jié)合控制算法保證IPMSM在復(fù)雜運(yùn)行工況下高效率運(yùn)行。

由于電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁強(qiáng)度與銅損及鐵損息息相關(guān)，因而現(xiàn)有控制方法一般從調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)無功分量的途徑優(yōu)化系統(tǒng)效率。如文獻(xiàn)［5］提出的一種與矢量控制（Vector Control， VC）結(jié)合，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)直軸電流效率優(yōu)化方法，但由于直軸電流的改變會(huì)導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩變化，因此該方法通常需要同時(shí)補(bǔ)償交軸電流以避免影響輸出轉(zhuǎn)矩。作為另一種高性能永磁電動(dòng)機(jī)控制方法，直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control， DTC）直接對(duì)電動(dòng)機(jī)磁場和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，將其用于效率優(yōu)化時(shí)僅需調(diào)節(jié)定子磁鏈分量，實(shí)現(xiàn)更為方便［7-9］，因而文中效率優(yōu)化方法選擇與DTC結(jié)合實(shí)施。

根據(jù)實(shí)現(xiàn)手段，現(xiàn)有效率優(yōu)化算法主要分離線式和在線式兩種。如文獻(xiàn)［10］提出的離線效率優(yōu)化方法，利用損耗方程計(jì)算對(duì)應(yīng)最高效率的磁鏈給定量。但其中損耗系數(shù)不僅受電動(dòng)機(jī)材料和工藝影響，而且隨電動(dòng)汽車不同工況變化，需要大量離線測試確定，不利于實(shí)際應(yīng)用。在線式效率優(yōu)化方法不受電動(dòng)機(jī)參數(shù)等因素影響，根據(jù)母線輸入功率和輸出功率實(shí)時(shí)值，通過尋優(yōu)算法保持系統(tǒng)最優(yōu)效率運(yùn)行［11-14］。現(xiàn)有在線效率優(yōu)化方法多從改進(jìn)尋優(yōu)算法角度出發(fā)，如黃金分割法［11］、模糊控制法［13］等，這些方法能有效加快尋優(yōu)收斂速度。但是由于受開關(guān)器件斬波等因素影響，功率信號(hào)一般需要經(jīng)過大慣性濾波環(huán)節(jié)才能得到有效數(shù)值，導(dǎo)致即使收斂算法再優(yōu)秀，也無法獲得很快的收斂速度，進(jìn)而在電動(dòng)汽車等變速運(yùn)行場合難以運(yùn)用。

本文從電動(dòng)汽車用IPMSM直接轉(zhuǎn)矩控制角度出發(fā)，首先通過理論分析得到IPMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)鐵損和銅損的損耗方程，推導(dǎo)系統(tǒng)電磁損耗隨定子磁鏈變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，提出一種適于電動(dòng)汽車的在線效率優(yōu)化方法。所提方法將電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分為不同區(qū)間，并在各自區(qū)間單獨(dú)優(yōu)化最優(yōu)效率，從而把傳統(tǒng)單線式優(yōu)化方式擴(kuò)展至工作平面優(yōu)化方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可在電動(dòng)機(jī)變速運(yùn)行時(shí)作最優(yōu)效率優(yōu)化運(yùn)行，適于電動(dòng)汽車等應(yīng)用場合。

1　IPMSM控制系統(tǒng)的電磁損耗

在電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，損耗主要包括電動(dòng)機(jī)的銅損、鐵損、機(jī)械損耗和雜散損耗等，以及電動(dòng)機(jī)控制器的開關(guān)損耗等。其中機(jī)械損耗和雜散損耗雖難以測控，但它們通常占總損耗比例較?。?4］，因此，電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的效率優(yōu)化研究通常針對(duì)鐵損和銅損等主要損耗展開。下文將從直接轉(zhuǎn)矩控制角度分析IPMSM控制系統(tǒng)電磁損耗。

1.1IPMSM控制系統(tǒng)的鐵損

IPMSM控制系統(tǒng)的鐵損主要包括電動(dòng)機(jī)的磁滯損耗PHy和渦流損耗PEd，分別表示為

式中 GFe——鐵磁材料重量；

f——電頻率；

Bσ——磁通密度；

b——鐵磁材料厚度；

ρ1，ρ2——鐵磁材料的電阻率和密度；

k1，k2——鐵磁材料磁滯系數(shù)。

為分析方便，不考慮鐵心局部飽和，根據(jù)磁鏈ψs與磁通密度Bσ之間關(guān)系

式中 z

——繞組匝數(shù)；

S——磁路截面積。

將式（2）代入式（1），并令

可得鐵損PFe為

可見，IPMSM控制系統(tǒng)的鐵損與頻率和磁鏈均相關(guān)。

1.2IPMSM控制系統(tǒng)的銅損

一般地，IPMSM定子繞組電阻上的損耗被稱為電動(dòng)機(jī)銅損，即

IPMSM控制器的損耗也主要與電流有關(guān)，主要包括功率開關(guān)管的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，在開關(guān)頻率和母線電壓等參數(shù)不變情況下，可近似表示為［15，16］

式中，A0、B0和C0為表征開關(guān)管及其寄生二極管特性的特征系數(shù)。

由于Pmotor與Pswitch均與電流相關(guān)，文中將IPMSM的銅損和控制器的損耗結(jié)合，作為系統(tǒng)總銅損，得到

1.3電流與磁鏈關(guān)系

DTC的直接控制量是磁鏈與轉(zhuǎn)矩，它的效率優(yōu)化通過調(diào)節(jié)磁鏈的途徑實(shí)現(xiàn)。由式（4）可知，磁鏈與鐵損之間存在直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，但磁鏈與銅損則沒有直觀的聯(lián)系，下文將對(duì)此進(jìn)行分析。

從電流角度，IPMSM的轉(zhuǎn)矩方程為

式中 Ψf

——轉(zhuǎn)子磁鏈；

P——電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；

Is——定子電流；

Lq， Ld——交、直軸電感，不失一般性，以凸極

電動(dòng)機(jī)為例，Lq＞Ld；

θ——電流角，Is與d軸的夾角，轉(zhuǎn)矩隨θ變化規(guī)律如圖1所示。

圖1中T0=1.5PψfI0。由圖1可知，以Is=I0為例，當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在A點(diǎn)時(shí)，具有最大的轉(zhuǎn)矩電流比，對(duì)應(yīng)的直軸電流Id為

式中，Iq為交軸電流分量。

圖1　轉(zhuǎn)矩Te與電流角θ關(guān)系Fig.1　The relationship between torque Teand current angle θ

式（1）表明，在一定輸出轉(zhuǎn)矩條件下，必然存在一個(gè)使得電動(dòng)機(jī)電流幅值最小的直軸電流量。

從DTC角度出發(fā)，IPMSM的轉(zhuǎn)矩方程為

式中 Ψq, Ψd——定子磁鏈交、直軸分量。

若要保持輸出轉(zhuǎn)矩不變，則

以圖1中A點(diǎn)變化至B點(diǎn)為例：

（1）當(dāng)θ＞90°并逐漸減小至90°時(shí)，電流幅值Is增加，Iq增加，ψq增加，為滿足式（11），ψd必須增加，因此定子磁鏈ψs增加。

（2）當(dāng)θ＜90°時(shí)，隨Is增加，ψd增加，為滿足式（11），ψq必須增加，因此定子磁鏈ψs增加。

反之同理，由A點(diǎn)變化至C點(diǎn)時(shí)，定子磁鏈ψs持續(xù)減小。

由以上分析得到定子磁鏈與定子電流幅值之間關(guān)系：在相同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩條件下，隨定子磁鏈單調(diào)變化，必然存在唯一定子磁鏈?zhǔn)沟枚ㄗ与娏鞣底钚　?/p>

1.4損耗與磁鏈關(guān)系

由1.2和1.3節(jié)結(jié)論，可得到IPMSM控制系統(tǒng)的電磁損耗為

忽略參數(shù)變化，各損耗變化趨勢可由圖2定性表示。由圖2可知，在頻率和轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，鐵損隨磁鏈增加而增加，而銅損先減少后增加。當(dāng)滿足銅損隨磁鏈下降速度大于鐵損上升速度的條件時(shí)，則存在一總電磁損耗最小點(diǎn)，即效率最高點(diǎn)。

一般地，IPMSM的電負(fù)荷和磁負(fù)荷通常被設(shè)計(jì)在接近水平，因而合理設(shè)計(jì)的IPMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的銅損和鐵損大小相當(dāng)。此外，對(duì)比式（4）與式（7），由于磁鏈/電流=電感，通常中小功率永磁電動(dòng)機(jī)電感L多為mH級(jí)，電流的變化速度是磁鏈變化的1/L倍，即銅損的變化速度通常遠(yuǎn)大于鐵損變化速度，因此，常規(guī)IPMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能滿足圖2中效率最高點(diǎn)的存在條件。

圖2　損耗隨磁鏈變化規(guī)律Fig.2 The changing rule of power loss with stator flux linkage

2　電動(dòng)汽車用IPMSM在線效率優(yōu)化方法

根據(jù)上文分析，在一定工作狀態(tài)下，必然存在一最優(yōu)磁鏈?zhǔn)沟肐PMSM控制系統(tǒng)效率最高。但由于磁鏈、轉(zhuǎn)矩和電流等分量之間的耦合關(guān)系，最優(yōu)磁鏈的解析式難以直接推導(dǎo)，因此文中采用在線效率優(yōu)化方法。

2.1分區(qū)式在線效率優(yōu)化方法

雖然在線效率優(yōu)化方法具有對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化不敏感等諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于功率計(jì)算需要一定的濾波時(shí)間，而且電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)也需要一定的收斂及穩(wěn)定時(shí)間，因此在線效率優(yōu)化方法通常具有較長的運(yùn)行周期。而電動(dòng)汽車與其他電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不同，它運(yùn)行于頻繁加減速狀態(tài)，難以長時(shí)間保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，導(dǎo)致尋優(yōu)搜索尚未達(dá)到最優(yōu)時(shí)已進(jìn)入新的工作狀態(tài)。因此，常規(guī)在線效率優(yōu)化方法難以滿足電動(dòng)汽車的需求。

針對(duì)電動(dòng)汽車的運(yùn)行特點(diǎn)，文中提出了一種分區(qū)式在線效率優(yōu)化方法。如圖3所示，電動(dòng)汽車用IPMSM的外特性主要由轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速衡量，該兩變量共同構(gòu)成IPMSM的運(yùn)行區(qū)間。若將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速區(qū)間平分為多段，則運(yùn)行區(qū)間被平分為多個(gè)獨(dú)立區(qū)間，每個(gè)區(qū)間代表IPMSM不同運(yùn)行狀態(tài)。在每個(gè)獨(dú)立區(qū)間內(nèi)，均可實(shí)施效率優(yōu)化運(yùn)算，具體實(shí)施方式如圖4所示。

如圖4所示，所述單個(gè)區(qū)間內(nèi)效率優(yōu)化采用常規(guī)擾動(dòng)式尋優(yōu)方法。當(dāng)IPMSM運(yùn)行至某一區(qū)間時(shí)，即可根據(jù)已存儲(chǔ)的輸入功率、效率和磁鏈等數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)區(qū)段內(nèi)的效率優(yōu)化并進(jìn)行存儲(chǔ)更新。

圖3　電動(dòng)汽車運(yùn)行狀態(tài)分區(qū)Fig.3　The partitions of EV operation state

圖4　效率優(yōu)化算法流程Fig.4　The flow diagram of efficiency optimization

不同于傳統(tǒng)效率優(yōu)化方法，所述分區(qū)式效率優(yōu)化方法將尋優(yōu)搜索過程“多線程”化，對(duì)于搜索算法的尋優(yōu)速度無太高要求，更適合頻繁變速的電動(dòng)汽車應(yīng)用場合，在正常行駛過程中，隨IPMSM多次加減速運(yùn)行后，即能達(dá)到全局最優(yōu)。

2.2結(jié)合DTC的在線效率優(yōu)化方法

將上述在線效率優(yōu)化方法與直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)合，整體控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。文中使用SVPWM- DTC方法以避免傳統(tǒng)DTC轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大和開關(guān)頻率不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。

為省卻母線電流采樣元件，降低系統(tǒng)成本，輸入功率使用瞬時(shí)功率計(jì)算的方法獲得

所得功率Pinput經(jīng)濾波后，即可用于圖4所示效率優(yōu)化算法。

圖5　IPMSM在線效率優(yōu)化直接轉(zhuǎn)矩控制方法整體框圖Fig.5　General control strategy block diagram of the IPMSM online efficiency optimization DTC method

3　實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所述IPMSM效率優(yōu)化直接轉(zhuǎn)矩控制方法的正確性，搭建如圖6所示的拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其中，負(fù)載由一臺(tái)5.5kW異步電動(dòng)機(jī)提供，該異步機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行于轉(zhuǎn)矩控制模式。被測樣機(jī)為一臺(tái)額定功率1kW的IPMSM，其額定轉(zhuǎn)速為1 000r/min，額定轉(zhuǎn)矩為10N·m，極對(duì)數(shù)為3，最大相電流為20A，永磁磁鏈為0.2Wb，運(yùn)行于轉(zhuǎn)速控制模式。被測樣機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)之間安裝轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器以精確測量負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

圖6　拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.6　Dragged experiment platform

樣機(jī)控制器使用Freescale DSP 56F8346作為控制核心。母線電壓為200V，控制器開關(guān)頻率為8kHz。

3.1固定運(yùn)行狀態(tài)效率優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所提方法在固定工作狀態(tài)下的效率優(yōu)化能力，控制樣機(jī)運(yùn)行于500r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為10N·m，初始磁鏈給定分別為0.168Wb和0.244Wb。圖7給出相應(yīng)的定子磁鏈幅值、輸入功率、輸出功率、效率和相電流波形。

由圖7可知，所述效率優(yōu)化方法在不同起始給定磁鏈幅值下，均可穩(wěn)定收斂至最優(yōu)磁鏈給定。此外可以發(fā)現(xiàn)，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于參數(shù)的變化，最優(yōu)磁鏈也跟隨變化，并不是固定值。

圖7　500r/min負(fù)載轉(zhuǎn)矩10N·m時(shí)固定狀態(tài)效率 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)波形Fig.7　Stable state efficiency optimization experiment waveforms at 500r/min with 10N·m load torque

3.2 變速運(yùn)行效率優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證文中所提方法在變速運(yùn)行時(shí)的效率優(yōu)化能力，控制IPMSM在200r/min至1 000r/min之間增減速運(yùn)行，運(yùn)行周期為20s，負(fù)載5N·m，初始磁鏈幅值給定0.168Wb，在25s時(shí)啟動(dòng)效率優(yōu)化算法。圖8給出相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的定子磁鏈幅值、輸入功率、輸出功率、效率和相電流波形。

圖8　負(fù)載轉(zhuǎn)矩5N·m變速運(yùn)行時(shí)效率優(yōu)化實(shí)驗(yàn)波形Fig.8　Variable speed efficiency optimization experiment waveforms with 5N·m load torque

由圖8可知，在增減速運(yùn)行過程中，各分區(qū)的效率逐漸增加，在約4次增減速循環(huán)運(yùn)行后趨于穩(wěn)定。效率未優(yōu)化時(shí)最低（200r/min）與最高（1 000r/min）效率分別為0.6與0.87，優(yōu)化后分別達(dá)到0.72與0.93，系統(tǒng)效率顯著提升。

4　結(jié)論

本文介紹了一種電動(dòng)汽車用IPMSM DTC在線效率優(yōu)化方法。在分析DTC下IPMSM鐵損與銅損隨磁鏈幅值變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出一種適合電動(dòng)汽車應(yīng)用場合的分區(qū)式在線效率優(yōu)化方法。該方法將電動(dòng)機(jī)運(yùn)行區(qū)間按轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分區(qū)，并根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分別對(duì)各分區(qū)作效率優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)表明，所提在線式效率優(yōu)化方法在穩(wěn)定和變速運(yùn)行狀態(tài)下可靠提升系統(tǒng)效率，且不依賴優(yōu)化算法和電動(dòng)機(jī)參數(shù)。

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邱 鑫 男，1985年生，博士研究生，主要從事電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)、電力電子與電力傳動(dòng)方面的研究。

黃文新 男，1966年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事新能源發(fā)電、功率電子學(xué)及電機(jī)控制等方面的研究。

Efficiency Optimization of IPMSM Direct Torque Control System Used in Electric Vehicles

Qiu Xin1，2Huang Wenxin1Bu Feifei1Yang Jianfei2
（1. Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016 China 2. Jiangsu Key Laboratory of 3D Printing Equipment and Manufacturing Nanjing Normal University Nanjing 210042 China）

An online efficiency optimization method of direct torque control （DTC） system is proposed to increase the range of electric vehicles （EVs） using interior permanent magnet synchronous motor （IPMSM）. First of all， the iron loss and copper loss are analyzed and the loss of convert is included in copper loss to study the electromagnetic loss of IPMSM drive system comprehensively. The change rules of copper loss and total electromagnetic loss varying with stator flux linkage are also investigated， based on which， a discrete efficiency optimization method is raised to fit the variable-speed operating mode of EVs. The proposed method separates the EV operating range into several sections according the speed and torque， and the optimization search operation in each section is independent. For this reason， the method has little special demand for search algorithms. Experiment results show the validity and feasibility of the method.

Interior permanent magnet synchronous machine， direct torque control， efficiency optimization， electric vehicle

TM301.2

國家自然科學(xué)基金（50977045）和江蘇省高校自然科學(xué)基金（15KJB470010）資助項(xiàng)目。

2013-0-12-29 改稿日期 2014-07-15