電動汽車用IPMSM直接轉矩控制 系統效率優化

邱　鑫　黃文新　卜飛飛　楊建飛

電動汽車用IPMSM直接轉矩控制 系統效率優化

邱鑫1，2黃文新1卜飛飛1楊建飛2

（1. 南京航空航天大學江蘇省新能源發電與電能變換重點實驗室 南京 210016 2. 南京師范大學江蘇省三維打印裝備與制造重點實驗室 南京 210042）

為提升電動汽車續航里程，提出一種車用內置式永磁同步電動機（IPMSM）直接轉矩控制系統的在線效率優化方法。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驅動系統的電磁損耗。同時推導了銅損和總電磁損耗隨定子磁鏈變化規律，并在此基礎上，得到一種適用于電動汽車頻繁變速運行的分區式效率優化方法。該方法利用離散化思想，根據轉速和轉矩將電動機運行范圍分為不同區間，并在各自區間內單獨作尋優搜索。所述方法對尋優算法依賴性小，實驗結果驗證了該在線效率優化方法的有效性和可行性。

內置式永磁同步電動機 直接轉矩控制 效率優化 電動汽車

0　引言

近年來，雖然電動汽車相關技術得以迅速發展，但是其中電池的容量和體積重量等因素仍是阻礙電動汽車進一步推廣的關鍵瓶頸。因此，在電池容量有限的條件下，提升電動汽車驅動系統整體效率對于提高續航和節約能源均有重要意義［1-3］。

現有中小型電動汽車多采用內置式永磁同步電動機（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor， IPMSM）［4-6］，雖然IPMSM自身具有高效率、高功率密度等優點，但在電動汽車應用場合，還需結合控制算法保證IPMSM在復雜運行工況下高效率運行。

由于電動機勵磁強度與銅損及鐵損息息相關，因而現有控制方法一般從調節電動機無功分量的途徑優化系統效率。如文獻［5］提出的一種與矢量控制（Vector Control， VC）結合，通過閉環調節直軸電流效率優化方法，但由于直軸電流的改變會導致輸出轉矩變化，因此該方法通常需要同時補償交軸電流以避免影響輸出轉矩。作為另一種高性能永磁電動機控制方法，直接轉矩控制（Direct Torque Control， DTC）直接對電動機磁場和轉矩進行控制，將其用于效率優化時僅需調節定子磁鏈分量，實現更為方便［7-9］，因而文中效率優化方法選擇與DTC結合實施。

根據實現手段，現有效率優化算法主要分離線式和在線式兩種。如文獻［10］提出的離線效率優化方法，利用損耗方程計算對應最高效率的磁鏈給定量。但其中損耗系數不僅受電動機材料和工藝影響，而且隨電動汽車不同工況變化，需要大量離線測試確定，不利于實際應用。在線式效率優化方法不受電動機參數等因素影響，根據母線輸入功率和輸出功率實時值，通過尋優算法保持系統最優效率運行［11-14］。現有在線效率優化方法多從改進尋優算法角度出發，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收斂速度。但是由于受開關器件斬波等因素影響，功率信號一般需要經過大慣性濾波環節才能得到有效數值，導致即使收斂算法再優秀，也無法獲得很快的收斂速度，進而在電動汽車等變速運行場合難以運用。

本文從電動汽車用IPMSM直接轉矩控制角度出發，首先通過理論分析得到IPMSM驅動系統鐵損和銅損的損耗方程，推導系統電磁損耗隨定子磁鏈變化規律。在此基礎上，提出一種適于電動汽車的在線效率優化方法。所提方法將電動機運行狀態分為不同區間，并在各自區間單獨優化最優效率，從而把傳統單線式優化方式擴展至工作平面優化方式。實驗結果表明，該方法可在電動機變速運行時作最優效率優化運行，適于電動汽車等應用場合。

1　IPMSM控制系統的電磁損耗

在電動機控制系統中，損耗主要包括電動機的銅損、鐵損、機械損耗和雜散損耗等，以及電動機控制器的開關損耗等。其中機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，電動機控制系統的效率優化研究通常針對鐵損和銅損等主要損耗展開。下文將從直接轉矩控制角度分析IPMSM控制系統電磁損耗。

1.1IPMSM控制系統的鐵損

IPMSM控制系統的鐵損主要包括電動機的磁滯損耗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。

為分析方便，不考慮鐵心局部飽和，根據磁鏈ψs與磁通密度Bσ之間關系

式中 z

——繞組匝數；

S——磁路截面積。

將式（2）代入式（1），并令

可得鐵損PFe為

可見，IPMSM控制系統的鐵損與頻率和磁鏈均相關。

1.2IPMSM控制系統的銅損

一般地，IPMSM定子繞組電阻上的損耗被稱為電動機銅損，即

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

式中，A0、B0和C0為表征開關管及其寄生二極管特性的特征系數。

由于Pmotor與Pswitch均與電流相關，文中將IPMSM的銅損和控制器的損耗結合，作為系統總銅損，得到

1.3電流與磁鏈關系

DTC的直接控制量是磁鏈與轉矩，它的效率優化通過調節磁鏈的途徑實現。由式（4）可知，磁鏈與鐵損之間存在直接對應關系，但磁鏈與銅損則沒有直觀的聯系，下文將對此進行分析。

從電流角度，IPMSM的轉矩方程為

式中 Ψf

——轉子磁鏈；

P——電動機極對數；

Is——定子電流；

Lq， Ld——交、直軸電感，不失一般性，以凸極

電動機為例，Lq＞Ld；

θ——電流角，Is與d軸的夾角，轉矩隨θ變化規律如圖1所示。

圖1中T0=1.5PψfI0。由圖1可知，以Is=I0為例，當電動機工作在A點時，具有最大的轉矩電流比，對應的直軸電流Id為

式中，Iq為交軸電流分量。

圖1　轉矩Te與電流角θ關系Fig.1　The relationship between torque Teand current angle θ

式（1）表明，在一定輸出轉矩條件下，必然存在一個使得電動機電流幅值最小的直軸電流量。

從DTC角度出發，IPMSM的轉矩方程為

式中 Ψq, Ψd——定子磁鏈交、直軸分量。

若要保持輸出轉矩不變，則

以圖1中A點變化至B點為例：

（1）當θ＞90°并逐漸減小至90°時，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θ＜90°時，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點變化至C點時，定子磁鏈ψs持續減小。

由以上分析得到定子磁鏈與定子電流幅值之間關系：在相同轉速轉矩條件下，隨定子磁鏈單調變化，必然存在唯一定子磁鏈使得定子電流幅值最小。

1.4損耗與磁鏈關系

由1.2和1.3節結論，可得到IPMSM控制系統的電磁損耗為

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

一般地，IPMSM的電負荷和磁負荷通常被設計在接近水平，因而合理設計的IPMSM驅動系統的銅損和鐵損大小相當。此外，對比式（4）與式（7），由于磁鏈/電流=電感，通常中小功率永磁電動機電感L多為mH級，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大于鐵損變化速度，因此，常規IPMSM驅動系統能滿足圖2中效率最高點的存在條件。

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

2　電動汽車用IPMSM在線效率優化方法

根據上文分析，在一定工作狀態下，必然存在一最優磁鏈使得IPMSM控制系統效率最高。但由于磁鏈、轉矩和電流等分量之間的耦合關系，最優磁鏈的解析式難以直接推導，因此文中采用在線效率優化方法。

2.1分區式在線效率優化方法

雖然在線效率優化方法具有對電動機參數變化不敏感等諸多優點，但由于功率計算需要一定的濾波時間，而且電動機勵磁調節也需要一定的收斂及穩定時間，因此在線效率優化方法通常具有較長的運行周期。而電動汽車與其他電驅動系統不同，它運行于頻繁加減速狀態，難以長時間保持穩定的工作狀態，導致尋優搜索尚未達到最優時已進入新的工作狀態。因此，常規在線效率優化方法難以滿足電動汽車的需求。

針對電動汽車的運行特點，文中提出了一種分區式在線效率優化方法。如圖3所示，電動汽車用IPMSM的外特性主要由轉矩及轉速衡量，該兩變量共同構成IPMSM的運行區間。若將轉矩和轉速區間平分為多段，則運行區間被平分為多個獨立區間，每個區間代表IPMSM不同運行狀態。在每個獨立區間內，均可實施效率優化運算，具體實施方式如圖4所示。

如圖4所示，所述單個區間內效率優化采用常規擾動式尋優方法。當IPMSM運行至某一區間時，即可根據已存儲的輸入功率、效率和磁鏈等數據，進行相應區段內的效率優化并進行存儲更新。

圖3　電動汽車運行狀態分區Fig.3　The partitions of EV operation state

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

不同于傳統效率優化方法，所述分區式效率優化方法將尋優搜索過程“多線程”化，對于搜索算法的尋優速度無太高要求，更適合頻繁變速的電動汽車應用場合，在正常行駛過程中，隨IPMSM多次加減速運行后，即能達到全局最優。

2.2結合DTC的在線效率優化方法

將上述在線效率優化方法與直接轉矩控制結合，整體控制結構如圖5所示。文中使用SVPWM- DTC方法以避免傳統DTC轉矩脈動大和開關頻率不穩定的缺點。

為省卻母線電流采樣元件，降低系統成本，輸入功率使用瞬時功率計算的方法獲得

所得功率Pinput經濾波后，即可用于圖4所示效率優化算法。

圖5　IPMSM在線效率優化直接轉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　實驗

為驗證所述IPMSM效率優化直接轉矩控制方法的正確性，搭建如圖6所示的拖動實驗平臺。其中，負載由一臺5.5kW異步電動機提供，該異步機由變頻器驅動，運行于轉矩控制模式。被測樣機為一臺額定功率1kW的IPMSM，其額定轉速為1 000r/min，額定轉矩為10N·m，極對數為3，最大相電流為20A，永磁磁鏈為0.2Wb，運行于轉速控制模式。被測樣機與異步電動機之間安裝轉矩轉速傳感器以精確測量負載轉矩。

圖6　拖動實驗平臺Fig.6　Dragged experiment platform

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

3.1固定運行狀態效率優化實驗

為驗證所提方法在固定工作狀態下的效率優化能力，控制樣機運行于500r/min，負載轉矩為10N·m，初始磁鏈給定分別為0.168Wb和0.244Wb。圖7給出相應的定子磁鏈幅值、輸入功率、輸出功率、效率和相電流波形。

由圖7可知，所述效率優化方法在不同起始給定磁鏈幅值下，均可穩定收斂至最優磁鏈給定。此外可以發現，在電動機運行時，由于參數的變化，最優磁鏈也跟隨變化，并不是固定值。

圖7　500r/min負載轉矩10N·m時固定狀態效率 優化實驗波形Fig.7　Stable state efficiency optimization experiment waveforms at 500r/min with 10N·m load torque

3.2 變速運行效率優化實驗

為驗證文中所提方法在變速運行時的效率優化能力，控制IPMSM在200r/min至1 000r/min之間增減速運行，運行周期為20s，負載5N·m，初始磁鏈幅值給定0.168Wb，在25s時啟動效率優化算法。圖8給出相應實驗的定子磁鏈幅值、輸入功率、輸出功率、效率和相電流波形。

圖8　負載轉矩5N·m變速運行時效率優化實驗波形Fig.8　Variable speed efficiency optimization experiment waveforms with 5N·m load torque

由圖8可知，在增減速運行過程中，各分區的效率逐漸增加，在約4次增減速循環運行后趨于穩定。效率未優化時最低（200r/min）與最高（1 000r/min）效率分別為0.6與0.87，優化后分別達到0.72與0.93，系統效率顯著提升。

4　結論

本文介紹了一種電動汽車用IPMSM DTC在線效率優化方法。在分析DTC下IPMSM鐵損與銅損隨磁鏈幅值變化規律的基礎上，提出一種適合電動汽車應用場合的分區式在線效率優化方法。該方法將電動機運行區間按轉速和轉矩分區，并根據電動機運行狀態分別對各分區作效率優化。實驗表明，所提在線式效率優化方法在穩定和變速運行狀態下可靠提升系統效率，且不依賴優化算法和電動機參數。

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邱 鑫 男，1985年生，博士研究生，主要從事電動汽車驅動、電力電子與電力傳動方面的研究。

黃文新 男，1966年生，教授，博士生導師，主要從事新能源發電、功率電子學及電機控制等方面的研究。

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

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

2013-0-12-29 改稿日期 2014-07-15