摘要：永磁同步電機是新能源汽車中常用的電機類型，其因高效率和高功率密度而在新能源汽車中占據(jù)重要地位。隨著新能源汽車對動力性能和續(xù)航里程要求的逐漸提高，驅動電機的高速化成為關鍵技術之一。探討永磁同步電機的高速控制策略，重點分析了矢量控制和直接轉矩控制2種控制策略，并介紹了高速運行中的參數(shù)優(yōu)化技術。通過闡述高速控制策略及其在永磁同步電機高速運行中的應用，以期為永磁同步電機的高速化提供理論基礎和技術參考。

關鍵詞：永磁同步電機；高速控制；矢量控制

0 前言

隨著全球對可持續(xù)發(fā)展和環(huán)保要求的不斷提高，新能源汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，成為汽車工業(yè)的重要方向。永磁同步電機憑借其高效率、高功率密度和良好的控制性能，已成為新能源汽車驅動系統(tǒng)的主流選擇。為了滿足新能源汽車對動力性能、續(xù)航里程和能效的更高要求，驅動電機的高速化趨勢日益顯著。電機的高速運行雖然能夠提高功率密度和效率，但也帶來了更大的技術挑戰(zhàn)，如機械強度、熱管理和控制策略等問題。本文聚焦于新能源汽車用永磁同步電機的高速控制策略，通過分析矢量控制和直接轉矩控制（DTC）的原理和應用，為電機高速化提供理論支持和技術參考。

1 永磁同步電機高速控制策略

1. 1 永磁同步電機的工作原理

1. 2 永磁同步電機高速運行中的挑戰(zhàn)

隨著永磁同步電機在新能源汽車中的應用不斷增加，電機的高速運行需求也逐漸提升。然而，高速運行帶來了許多挑戰(zhàn)[3]。

（1） 機械強度問題。轉子在高轉速下會承受巨大的離心力，尤其是永磁體材料（如釹、鐵、硼）的抗拉強度較低，易引起機械破壞。

（2） 熱管理問題。高速運行時，電機內部的損耗增加，特別是銅損和鐵損，導致溫度急劇上升。如果熱量不能有效散發(fā)，將影響電機性能，甚至導致永磁體退磁。

（3） 電磁干擾問題。高頻電流和電壓的快速變化會引起較大的電磁干擾，影響電機及其控制系統(tǒng)的正常運行。

（4） 控制精度問題。電機高速運行時，需要精確的控制策略來維持電機的穩(wěn)定性和響應速度，傳統(tǒng)控制方法在高速情況下可能無法滿足要求。

1. 3 控制策略在高速運行中的作用

為了確保永磁同步電機在新能源汽車中的高速運行既高效又可靠，采用先進的控制策略至關重要。這些策略不僅需要維持電機的穩(wěn)定運行，還要優(yōu)化其動態(tài)性能和整體效率，特別是在面對極端運行條件時[4-5]。在高速運行中，控制策略主要包括矢量控制和直接轉矩控制（DTC），每種方法都針對特定的運行挑戰(zhàn)提供了解決方案。

矢量控制通過優(yōu)化電流輸入，提高了電機的響應速度和精確性，使電機能在寬廣的速度范圍內穩(wěn)定工作。而DTC則直接影響電機的轉矩輸出，實現(xiàn)快速響應和高效率。這些策略的有效實施，不僅提升了電機的性能，還顯著增加了電機的適用性和可靠性，特別是在高速和高負載條件下。

通過調整控制參數(shù)和優(yōu)化控制算法，這些策略能夠應對由高速運行引起的挑戰(zhàn)，如熱管理、機械強度維持及電磁干擾控制，確保新能源汽車驅動系統(tǒng)的高效可靠運行。

2 矢量控制策略

2. 1 矢量控制的原理

矢量控制，又稱場定向控制（FOC），是一種先進的電機控制技術，通過將定子電流分解為與轉子磁場同向（d軸）和垂直于轉子磁場方向（q軸）2個分量來進行獨立控制。通過這種方式，矢量控制能夠實現(xiàn)對電機磁鏈和轉矩的獨立調節(jié)，使得電機的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能大大提高。矢量控制利用坐標變換（如Clarke變換和Park變換）將三相電流轉換為直流量，從而簡化了電機控制的復雜性，提高了控制精度和響應速度。

2. 2 高速運行中的矢量控制應用

在高速運行中，矢量控制通過精確的電流調節(jié)和實時的磁鏈檢測，確保電機在高轉速下依然能夠保持穩(wěn)定和高效運行。矢量控制的應用包括動態(tài)調節(jié)定子電流以適應瞬時負載變化，以及優(yōu)化轉矩輸出以減少損耗和提高效率。特別是對于新能源汽車，矢量控制可以有效改善電機在高速工況下的性能，提升整車的動力性能和續(xù)航里程。通過先進的控制算法和實時反饋調節(jié)，矢量控制在實際應用中能夠顯著提升電機的運行效率和穩(wěn)定性。

3 DTC策略

3. 1 DTC的原理

DTC是一種先進的電機控制方法，其核心思想是直接控制電機的磁鏈，而不依賴于傳統(tǒng)的電流控制。DTC通過實時檢測定子磁鏈的誤差，選擇合適的電壓矢量來修正誤差，從而實現(xiàn)高效的動態(tài)響應。其基本原理可以用以下步驟描述。

（2） 誤差檢測和比較。通過比較實際磁鏈和轉矩與參考值之間的誤差，生成相應的控制信號。

（3） 電壓矢量選擇。根據(jù)誤差的大小和方向，施加適當?shù)碾妷菏噶?，以減少誤差并調整磁鏈。通常使用空間矢量脈寬調制（SVPWM）方法實現(xiàn)電壓矢量的選擇和控制。

（4） 電壓矢量施加。通過逆變器將選擇的電壓矢量施加到電機上，實時調整電機的運行狀態(tài)。

3. 2 高速運行中的DTC實現(xiàn)

在電機高速運行中，DTC需要應對電機頻率和電壓的大幅變化，以及電機參數(shù)的不確定性。為了確保電機高速運行中的穩(wěn)定性和高效性，DTC在實現(xiàn)過程中需要采取以下措施。

（1） 高精度的定子磁鏈和轉矩估算。由于電機高速運行時的動態(tài)變化較快，定子磁鏈和轉矩的估算需要高精度和快速響應，通常通過高頻率的采樣和高效的數(shù)字信號處理（DSP）來實現(xiàn)。

（2） 優(yōu)化的電壓矢量選擇。在電機高速運行中，電壓矢量的選擇十分關鍵。通過改進的SVPWM算法，可以在更短的時間內選擇最優(yōu)的電壓矢量，減少誤差并提高控制精度。

（3） 實時參數(shù)調整。電機高速運行時，電機參數(shù)（如電阻、電感等）會隨溫度和負載變化而變化。實時監(jiān)測和調整這些參數(shù)，可以提高DTC的魯棒性和穩(wěn)定性。

（4） 高效的熱管理。電機高速運行會帶來更多的熱量，電機的溫升需要有效的熱管理系統(tǒng)來控制。通過實時監(jiān)測溫度并進行冷卻管理，可以確保電機在高速運行中的安全性和可靠性。

通過上述方法，DTC能夠在高速運行中有效控制電機的轉矩和磁鏈，提高電機的動態(tài)性能和運行效率，確保新能源汽車在各種工況下的高效運行。

4 高速控制中的參數(shù)優(yōu)化

4. 1 轉速與電流控制參數(shù)的優(yōu)化

4. 2 高速運行中的參數(shù)調整方法

在高速運行中，電機參數(shù)（如電阻Rs，電感Ld、Lq等）會隨著溫度和負載變化而變化，實時調整這些參數(shù)對于保持電機的高效運行至關重要，具體調整方法如下。

（1） 自適應控制算法。通過實時監(jiān)測電機的運行狀態(tài)，動態(tài)調整控制參數(shù)。例如，基于模型參考自適應系統(tǒng)（MRAS）的方式可以實時調整電機的等效參數(shù)。

（2） 觀測器設計。設計狀態(tài)觀測器，如滑模觀測器（SMO）來估算電機的瞬時參數(shù)，以提高參數(shù)估算的精度和響應速度。

通過這些參數(shù)調整方法，可以確保電機在高速運行中的穩(wěn)定性和高效性，提高系統(tǒng)的魯棒性。

5 結語

本文探討了新能源汽車用永磁同步電機的高速控制策略，重點分析了矢量控制和DTC 2種主要方法。通過研究永磁同步電機的基本工作原理和高速運行中的挑戰(zhàn)，明確了高速控制策略在提升電機性能和穩(wěn)定性方面的重要作用。矢量控制通過解耦電流實現(xiàn)對磁鏈和轉矩的獨立調節(jié)，而DTC則通過實時選擇電壓矢量直接控制電機轉矩和磁鏈。這些控制策略在實際應用中表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，尤其在高速運行工況下，提高了電機的動態(tài)響應和效率。此外，參數(shù)優(yōu)化和實時調整方法的引入進一步增強了電機的魯棒性和可靠性。未來，隨著控制算法和技術的不斷進步，高速控制策略將在新能源汽車領域發(fā)揮更加重要的作用。

參 考 文 獻

[1] 郭明皓.新能源汽車用永磁同步電機控制策略研究[D]. 徐州： 中國礦業(yè)大學，2021.

[2] 嚴晶鋮，賴輝，楊效，等.適用于新能源汽車的新型永磁輔助同步電機的建模及控制研究[J].中國設備工程，2022（24）：130-133.

[3] 李希偉.電動車用永磁同步電機無傳感器矢量控制研究[D].大連： 大連理工大學，2015.

[4] 張朋輝.永磁同步電動機弱磁控制策略的研究與仿真[J].防爆電機，2022，57（3）：45-48，54.

[5] 武龍星.電動汽車用永磁同步電動機弱磁控制策略綜述[J].輕工科技，2015，31（4）：66-67.