彭琛 許寧 鄭亞東

【摘? 要】基于自然環(huán)境及國家能源戰(zhàn)略需求，新能源汽車市場保有量占比逐年提升，電機控制器作為新能源汽車的核心部件，其技術(shù)發(fā)展水平對于提升新能源汽車的經(jīng)濟性、動力性及安全性具有重要意義。本文主要闡述新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，并從多角度對永磁同步電機控制相關(guān)先進技術(shù)進行深入分析，為促進新能源汽車的發(fā)展提供一些個人見解。

【關(guān)鍵詞】電機控制;新能源汽車;永磁同步電機

中圖分類號：U469.72? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：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

作者簡介

彭琛（1989—），男，碩士，工程師，主要從事新能源汽車電機控制、大氣污染監(jiān)測與控制以及環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等方面的工作。

1? 引言

基于國家戰(zhàn)略發(fā)展需求，2020年11月份工信部發(fā)布了《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》，此規(guī)劃是為推動新能源汽車高質(zhì)量發(fā)展，加快建設(shè)汽車強國制定[1]。基于此戰(zhàn)略布局，近年來各大車廠深耕新能源汽車領(lǐng)域，目前主要分為氫燃料電池及鋰離子電池兩個方向，其本質(zhì)都是化學能-電能-機械能的能量轉(zhuǎn)換[2]。與傳統(tǒng)車不同的是，新能源汽車使用電動機來驅(qū)動車輛行駛，早期由于控制技術(shù)不成熟，大部分廠商采用直流電機驅(qū)動。直流電機控制簡單、扭矩響應(yīng)速度快，但受到機械換向性能的制約，其功率密度和電磁兼容性難以滿足新能源汽車的動力需求。在新能源汽車的發(fā)展歷史中，直流無刷電機和開關(guān)磁阻電機等非正弦波電機也曾一度受到廣泛關(guān)注，但隨著數(shù)字控制技術(shù)的興起，正弦波交流電機的性能優(yōu)勢突顯，迅速占據(jù)了主流地位。目前新能源汽車驅(qū)動電機主要有永磁同步和交流異步兩種類型，永磁同步電機由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、功率密度高且運行效率高，特別是在低速區(qū)輸出轉(zhuǎn)矩大等特點，在國內(nèi)成為新能源汽車驅(qū)動電機的首選。

2? 電動汽車用永磁同步電機控制先進技術(shù)

通常使用基本的矢量控制原理可以使得電機保持穩(wěn)定工作。隨著近幾年永磁同步電機的廣泛應(yīng)用，很多學者圍繞提高電機效率、降低電機轉(zhuǎn)矩脈動及電磁噪聲進行大量深入研究，很多先進算法被提出。車用永磁同步電機控制關(guān)鍵技術(shù)如圖1所示，針對新能源汽車使用場景，大部分控制算法的提出基本上圍繞著經(jīng)濟性、動力性、安全性及舒適性這幾個方面進行歸納總結(jié)。

2.1? 智能變開關(guān)頻率技術(shù)

智能變開關(guān)頻率技術(shù)主要包括：PWM變載頻技術(shù)和隨機PWM技術(shù)。其中，PWM變載頻技術(shù)主要是降低電機低速運行時IGBT的開關(guān)損耗，傳統(tǒng)的控制方法是逆變器固定較高的開關(guān)頻率，但是在電機低速運行時，IGBT開關(guān)損耗較大，占控制器總損耗40%，其解決方法是控制器根據(jù)工況變化自動適應(yīng)開關(guān)頻率，從而降低IGBT開關(guān)損耗。以4.5t藍牌車為例，城市普通道路（QCT 759—2006）在加入智能變開關(guān)頻率技術(shù)后，控制器綜合效率可提升1.5%，行駛里程每百公里可以提升1.3km。一般主機廠要求逆變器正常運行時，其直流端總諧波畸變值小于5%，如公式（1）～公式（4）可知電流紋波隨調(diào)制比增大而增大，隨PWM頻率增大而減小[3]，在實際對PWM載頻調(diào)制過程中，需要注意直流端紋波電流需保持在要求范圍內(nèi)。

隨機PWM技術(shù)主要是降低IGBT開關(guān)時產(chǎn)生的電磁干擾，如公式（5）所示，首先我們確定中心頻率fs0，Δf一般為fs0的0.2倍，Ri為[-1，1]上呈三角分布或正弦分布的隨機數(shù)[4]，通過加入隨機PWM技術(shù)，可使IGBT開關(guān)時產(chǎn)生的電流功率密度在一個PWM周期內(nèi)呈均勻分布，從而降低EMI[5]。

2.2? 過調(diào)制技術(shù)

電機損耗主要包括鐵損和銅損，通常情況下電機發(fā)熱由電流引起的銅損占比約為40%。在電機輸出功率不變的情況下，盡可能提高相電壓利用率，從而減小相電流輸出，降低電機熱損耗，提高電機工作效率，從而提高整車行駛里程，提升整車的經(jīng)濟性。以4.5t藍牌車為例，在NEDC工況下，加入過調(diào)制技術(shù)后的電機效率可以提升1%，行駛里程每百公里可以提升1.2km。如圖2所示，SVPWM最大輸出電壓幅值為基本電壓矢量構(gòu)成的六邊形內(nèi)切圓，其最大電壓幅值為Udc /。根據(jù)電壓矢量幅值大小，可將電壓矢量劃分為3個區(qū)域：①當參考電壓幅值滿足│Vref│≤Udc /時，此時參考電壓處于線性調(diào)制區(qū)，理想情況下輸出相電壓為平滑的正弦波，對應(yīng)調(diào)制比為0≤M≤1;②當參考電壓幅值滿足Udc /≤│Vref│≤0.6061Udc時，此時參考電壓幅值處在過調(diào)制Ⅰ區(qū)，對應(yīng)調(diào)制比為1≤M≤1.049;③當參考電壓幅值滿足0.6061Udc≤│Vref│≤（2/π）Udc時，此時參考電壓幅值處在過調(diào)制Ⅱ區(qū)，對應(yīng)調(diào)制比為1.049≤M≤1.102[6]。當參考電壓幅值處在過調(diào)制Ⅰ區(qū)時，輸出相電壓波形為基波疊加含量較高的3次諧波;當參考電壓幅值處在過調(diào)制Ⅱ區(qū)時，輸出相電壓波形為基波疊加含量較高的3次諧波和5次諧波。其中，高次諧波為無效波，經(jīng)過Clark、Park變換后，會在Id、Iq電流上疊加一個偶次振蕩波，高次諧波會加大電機電磁噪聲和電機轉(zhuǎn)矩脈動，在電流環(huán)階段需要做諧波抑制處理[7]。

2.3? 壓降補償和死區(qū)補償

電機電角度參數(shù)是矢量控制兩個關(guān)鍵參數(shù)之一，在進行電角度計算之前，我們需要進行零點標定，零點標定不準會導(dǎo)致扭矩精度出現(xiàn)偏差，車輛會出現(xiàn)不可控現(xiàn)象。如在某車型調(diào)試現(xiàn)場，由于電機電角度人為修改4°，車輛高速行駛松油門后有扭矩存在（約為10N·m），導(dǎo)致整車架空時，若不踩制動，整車車速降不下來。電機零點主要通過電壓方程（6）進行標定，將被測電機安裝至臺架并給定恒定的轉(zhuǎn)速，id和iq給定值為0，不斷手動調(diào)整電角度零點值，直至Ud值為0。在標定過程中，由于d、q軸的電流值為0，最終經(jīng)SVPWM調(diào)制后的三相占空比較低，如果標定過程中沒有加入壓降補償和死區(qū)補償，會產(chǎn)生一個ΔUd值，導(dǎo)致零點標定不準，同時電機在低速小扭矩狀態(tài)下運行時，波形畸變嚴重，電磁噪聲較大。額定工況無補償和半周期補償電流波形對比如圖3所示。根據(jù)文獻得知，可以使用半周期補償方法進行死區(qū)和壓降補償，需要注意的是，在相電流為0時需要做細節(jié)化處理，防止補償發(fā)生偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致波形進一步惡化[8]。公式（7）中，Tcom為最終的死區(qū)補償時間，i為相電流，Td為設(shè)置的固定死區(qū)時間，Ton為IGBT門極打開時間，Toff為IGBT門極關(guān)斷時間;公式（8）中的Tvcom為壓降補償時間，Vd0為續(xù)流二極管導(dǎo)通壓降，Vce0為IGBT導(dǎo)通壓降，VDC為母線電壓，TS為載波半周期時間。

2.4? 內(nèi)模解耦技術(shù)

扭矩響應(yīng)速度是衡量車用電機控制系統(tǒng)技術(shù)先進性的一個重要指標，其直接影響車輛的動力性。一般主機廠要求電機扭矩輸出從0～Tmax時，其時間應(yīng)保持在100ms以內(nèi)，且扭矩輸出平穩(wěn)無振蕩。根據(jù)扭矩方程（10）可知，當電機參數(shù)已知時，扭矩響應(yīng)速度取決于電流環(huán)響應(yīng)速度。由于在不同運行工況下，永磁同步電機參數(shù)（ψf、Ld、Lq、Rs）是時變的，傳統(tǒng)PI控制策略所設(shè)計的電流環(huán)Kp、Ki參數(shù)一般是固定值，不能獲得最優(yōu)的動態(tài)性能。根據(jù)永磁同步電機非線性、強耦合的特性引入內(nèi)模控制，實際測試扭矩響應(yīng)速度可控制在30ms左右。圖4所示為內(nèi)模解耦控制框圖，其中s、d、q為電機的實際參數(shù)，應(yīng)用中可以先調(diào)節(jié)λ來滿足內(nèi)?？刂破鞯慕怦钚阅?，再通過調(diào)節(jié)α和β來消除λ對電流控制器的影響，其中α和β分別為比例調(diào)節(jié)因子和積分調(diào)節(jié)因子[9]。

2.5? 電機轉(zhuǎn)子溫度估計技術(shù)

扭矩控制精度是電機控制系統(tǒng)一個重要的技術(shù)指標，在《GB/T 18488.1—2015 電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng) 第1部分-技術(shù)條件》中給出了扭矩控制精度的定義。一般，OEM對扭矩精度要求是：電機輸出扭矩在0～100N·m范圍內(nèi)，精度控制在±3N·m內(nèi);而大于100N·m時，精度控制在±3%內(nèi)。根據(jù)扭矩方程（10）可知，磁鏈ψf是影響扭矩精度的一個重要因素。一般來說，永磁體磁鏈隨永磁體溫度升高而減小，不同的材料其衰減倍數(shù)不同，其次，當電機轉(zhuǎn)子溫度過高時，會造成永磁體退磁。目前絕大部分電機溫度傳感器是埋在定子繞組中，其實際測量的是定子線圈的溫度值，這時需要建立電機轉(zhuǎn)子損耗模型算法，實時準確地估算電機轉(zhuǎn)子溫度，提高整車的安全性。首先將電機熱網(wǎng)絡(luò)簡化為5節(jié)點T網(wǎng)絡(luò)模型，通過建立模型得到電機溫度估計狀態(tài)方程，并根據(jù)實際測量的各節(jié)點溫度曲線值對Ri和Ci進行求解;同時根據(jù)有限元仿真方法和公式（11），對電機鐵損電阻隨ωe變化的MAP表進行估計;然后通過公式（12）和（13）計算出電機的定、轉(zhuǎn)子鐵損功率;最后通過熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計算出轉(zhuǎn)子的實際溫度[10]。需要注意的是，目前大部分文獻給出的熱模型數(shù)學計算方法過于復(fù)雜，不利于移植到單片機里運行，實際情況下，我們需要對RC網(wǎng)絡(luò)進行Z變換，然后轉(zhuǎn)換為差分方程進行求解。

2.6? IGBT結(jié)溫估計技術(shù)

目前大部分主機廠對核心三電系統(tǒng)給予8年/15萬公里超長質(zhì)保。電機控制器作為一個核心控制單元，其80%的故障原因由功率驅(qū)動及功率單元產(chǎn)生，功率單元故障主要是IGBT結(jié)溫過高導(dǎo)致載流子壽命減少，長時間的高溫導(dǎo)致IGBT失效，同時IGBT失效后會造成汽車動力瞬間丟失，車輛處于不可控狀態(tài)，特殊場景下對駕駛員造成極大的安全隱患。通過建立IGBT的熱路模型，準確快速地估算IGBT實時最大結(jié)溫，動態(tài)調(diào)整IGBT最大持續(xù)輸出電流，提升整車的安全性及動力性。根據(jù)IGBT材料特性需要建立7階熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，實際情況下，為了減少單片機運算量，一般選取3階熱阻網(wǎng)絡(luò)即可。常用的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型有Cauer（圖5）和Foster模型，這里選用Cauer模型進行計算[11]。首先根據(jù)IGBT結(jié)溫估計狀態(tài)方程對各階Ri和Ci進行求解，然后根據(jù)3階RC網(wǎng)絡(luò)進行Z變換，通過差分方程求解Tj。結(jié)溫熱阻網(wǎng)絡(luò)的輸入損耗為IGBT的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗、續(xù)流二極管的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗之和，實際應(yīng)用時續(xù)流二極管的損耗可近似等于IGBT的損耗，其計算公式如式（14）～式（17）所示，其中Pcond為導(dǎo)通損耗，Pon為打開損耗，Poff為關(guān)斷損耗，Ri為正向?qū)娮?，VCEO為導(dǎo)通壓降，IC為集電極電流，d為PWM占空比，aon、bon、con、aoff、boff、coff為擬合的系數(shù)，Udc為母線電壓，Urated為器件手冊中測試的標準母線電壓，fSW為IGBT開關(guān)頻率，ρon與ρoff為結(jié)溫相關(guān)系數(shù)[12]。通過此熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計算的結(jié)溫Tj可以滿足穩(wěn)態(tài)誤差≤±5℃，動態(tài)誤差≤±10℃，響應(yīng)時間≤500ms。

2.7? 主動阻尼技術(shù)

在車輛急加速工況下，扭矩突變響應(yīng)引起傳動軸扭轉(zhuǎn)振動。在電機驅(qū)動制動切換時，引起傳動齒輪嚙合關(guān)系發(fā)生變化，造成齒輪碰撞引起振動。一般解決方法是通過建立整車振動數(shù)學模型，實時識別機械共振特性，改變電機力矩特性抑制振動。公式（18）、公式（19）分別為齒圈轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速和齒圈轉(zhuǎn)矩-輪速的傳遞函數(shù)，通過公式（18）的零極點分布找到齒圈轉(zhuǎn)速-輪速的共振點，然后在共振頻率附近加入偏差控制[13]。圖6為有沒有加入主動阻尼的齒圈轉(zhuǎn)速對比效果，需要注意的是主動阻尼實際效果和電機扭矩響應(yīng)速度、電機扭矩精度關(guān)系較大。

2.8? 諧波抑制技術(shù)

電機相電流諧波為無效波，其一般會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動及電磁噪聲，影響整車NVH，一般主機廠對電機運行時的諧波含量有一定的技術(shù)要求。造成電機相電流諧波主要有以下3個原因：①在電機設(shè)計過程中，其齒槽效應(yīng)、繞組分布形式、磁路飽和效應(yīng)引起的氣隙磁場畸變，主要引入3次、5次、7次等奇次諧波，其諧波含量可通過電機反電動勢進行分析;②電機控制器功率器件開關(guān)時引入的死區(qū)及導(dǎo)通壓降效應(yīng)[14]，這個問題可以通過加入補償解決;③電機運行在過調(diào)制區(qū)，相電壓會引入3次、5次等奇次諧波，此過程諧波含量較大。在三相坐標系下，5次諧波電壓向量旋轉(zhuǎn)方向與基波電壓向量旋轉(zhuǎn)方向相反，旋轉(zhuǎn)速度為5ω，7次諧波電壓向量旋轉(zhuǎn)方向與基波電壓向量旋轉(zhuǎn)方向相同，旋轉(zhuǎn)速度為7ω，經(jīng)過Clark、Park變換后，基于dq軸的數(shù)學方程如公式（20）、公式（21）所示[14]。關(guān)于電流諧波抑制技術(shù)有多種方式，本文實際應(yīng)用中選用多旋轉(zhuǎn)PI控制。首先通過低通濾波來實現(xiàn)對5次、7次諧波電流的提取，得到5次、7次諧波電流在對應(yīng)的同步旋轉(zhuǎn)坐標軸系下d軸和q軸的分量id5H、iq5H、id7H、iq7H;然后設(shè)定控制目標id5×H=0、iq5×H=0、id7×H=0、iq7×H=0;根據(jù)5次、7次諧波電壓穩(wěn)態(tài)方程建立帶有內(nèi)模解耦的PI環(huán)節(jié)，可適用不同參數(shù)的電機，通用性較強。有沒有加入諧波抑制技術(shù)處理的dq軸電流波形對比如圖7所示[15]。

3? 結(jié)論

相較于傳統(tǒng)汽車，新能源汽車越來越受到消費者的青睞。隨著新能源汽車的零部件電動化占比大幅提高，汽車驅(qū)動系統(tǒng)由原來的內(nèi)燃機變換成現(xiàn)在的電動機，如何保證驅(qū)動系統(tǒng)的安全性是目前業(yè)界關(guān)心的問題。同時，由于鋰電池能量密度遠低于汽油能量密度，如何提高驅(qū)動系統(tǒng)效率也是廣大學者需要研究的一個課題。本文結(jié)合國內(nèi)外對永磁同步電機控制技術(shù)的研究，圍繞經(jīng)濟性、動力性、安全性、舒適性這幾個方面總結(jié)了車用永磁同步電機控制中的關(guān)鍵技術(shù)，對新能源汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

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（編輯? 凌? 波）