混合動力車用永磁同步電機矢量控制策略分析

楊毅

摘 要：日前，節能和環保日漸成為了國際主題，各行各業都逐步踏上了節能環保之路。而作為能夠提升燃油自身的經濟性、不斷降低污染物排放代表的混合動力汽車得到了廣泛重視。在此背景下，本文簡單介紹了永磁同步電機在混合動力車上的應用情況，從而進一步分析了混合動力車用永磁同步電機，在介紹永磁同步電機矢量控制基本原理及控制問題的基礎上，提出了混合車用永磁同步電機矢量控制策略。

關鍵詞：混合動力車;永磁同步電機;矢量控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.017

在能源和環境問題日益突出的今天，混合動力汽車憑借其排放低、燃油經濟性好等優點得到了越來越多的重視。永磁同步電機擁有眾多突出的優點，特別是效率高、功率密度也相對較高，在控制性能上也較為突出，目前越來越多的車開始采用永磁同步電機。在使用永磁同電機時，由于其以磁體勵磁，而矢量控制可有效降低電機弱磁現象。因此，學術界對混合動力汽車驅動電機控制的研究成為一項重要技術。

1 永磁同步電機在混合動力車上的應用

以當前技術來看，混合動力車上所采用的永磁同步驅動電機大多是三相永磁同步電機。相對交流異步電機來說，永磁同步電機的優點是省略了異步電機中必要的轉子側所帶的勵磁電流，這就使得二次側產生的銅損得到了有效地消除，從而使得自身的效率得到了提升。在材料上，永磁同步電機自身所需要的轉子永磁體是利用稀土作為自身的創作材料，這使得永磁同步電機的尺寸得到明顯的減小，功率密度更是得到提升。例如，就目前來看相對經典而且還屬于混合動力車的車有：通用汽車公司所生產的Volt以及豐田公司所出產的Prius等，均是使用了永磁同步電機。

2 用永磁同步電機對混合動力車進行矢量分析

2.1 永磁同步電機矢量控制基本原理

以交流電機為載體，將其三相坐標系中的各種變數通過轉子通過地磁場物質的力的作用，確定方向，轉換成二相旋轉坐標上，讓定子電流分解為兩種，一種是勵磁分量，另一種是轉矩分量，讓定子電流具有非常良好的解耦特性，從而通過直流電機控制方法來對交流電機進行有效的控制，讓電機操作系統保持很好的動態特性，這就是矢量控制的大概方法。而通過電流空間使用特殊方法進行坐標變換，把永磁同步電動機通過等效原理轉換成直流電動機，就可以通過直流電機操作方法對永磁同步電動機進行控制。

在永磁同步電動機中，使用的是雙閉環矢量控制系統，其中使用PI算法控制轉速為外環，將電流調節器給定值輸入當做是轉速調節器的輸出值，在進行PI算法進行電流調節，通過繞在定子上面的銅線進行輸出，得到兩個軸電壓設定值。經過帕克逆轉變，把之前得到的兩軸電壓設定值轉變為二相靜止坐標電壓設定值。然后用空間矢量脈寬調制方法對逆變器進行操作，把蓄電池中直流電壓轉變為交流電流，輸出給繞在定子上面的銅線上。

2.2 混合動力車用永磁同步電機矢量控制的主要問題

矢量控制步進擁有很多優勢，其還具備兩相、三相坐標系轉換方法復雜、太過依賴于電機參數、電機機械設計或參數等不確定因素，不能確保參數具備解耦性等很多缺點。確定好繞固定軸轉動的構件位置檢測到其位置信息以確定磁場方向，從而增加整體成本，是矢量控制系統的必要前提。對其有決定性影響的是機械設計精度差以及電動機內不是正弦波形氣隙磁場，這兩個因素直接降低了其解耦性，在轉換坐標過程中誤差值大，最終控制系統效果達不到預期值。

3 混合動力車用永磁同步電機矢量控制策略

面對混合動力車用永磁同步電機矢量控制中的問題，在運動控制中，變頻調速電機以變流裝置的關鍵性技術中的脈寬調制技術作為首要手段。脈寬調制技術人們熟知的分為兩種，即正弦波脈寬調制技術與電壓空間矢量脈寬調制技術。

3.1 正弦波脈寬調制

脈沖寬度調制技術是通過調制出特定寬度的脈沖序列，相似輸出的幅值波形與形狀波形。經過一系列實驗可以得出最終結論，當輸出波形很相似時，那就一定是在保持物體原來的運動狀態的前提下，增加各種形狀的矢量并保證其窄脈沖保持一樣。利用傅立葉原理對輸出波形進行變換，轉換結果只有在高頻段有一點區別。

讓逆變器輸出的電壓與正波形相似，是正弦波脈寬調制的最終目的。形成環繞旋轉磁場進而生成穩定的電磁扭矩是對電機進行控制的最重要的目的，但是負載電路的參數會對電流波形產生一定影響。假設將逆變器與電機當做一個整體作為基本目標，基于此來跟蹤環繞旋轉磁場以達到控制脈沖寬度調制電壓，這個控制手段稱之為磁鏈跟蹤。要想對磁鏈跟蹤行走軌跡進行控制，就要依靠電壓空間矢量加法所得到的，所以它又可以成為電壓空間矢量脈寬調制。由此可以得到，正弦波脈寬也可以進行調節。

3.2 電壓空間矢量脈寬調制

空間矢量脈寬調制相對于比正弦脈寬調制而言，擁有電流波形畸形率小，電磁扭矩脈動小，擁有更高的直流電壓利用率、數字化更加容易實現等優點，它代表著現代伺服體系調制技術的理想化?？臻g矢量脈寬調制他的直流電壓利用率很高、實現數字化更為便捷及電機扭轉脈動小等突出優點，因此，它經常出現在永磁同步電機變頻調速系統中。

三相電壓型逆變器是系統中電機驅動的裝置，空間矢量脈寬調制中電流控制策略則是轉子磁場中矢量控制策略得到的指令值轉子磁場定向矢量控制策略得到的定子電壓矢量指令值，輸出為逆變器每相上橋臂在各采樣周期雙內的開通時刻。在固定周期內，對于任何一個定子電壓矢量指令值都可以由其相鄰的兩個基本電壓向量合成。

脈沖寬度調制擁有特定周期，在一個周期內，利用彼此挨著的兩個電壓向量和零向量互相作用產生最終的輸出電壓矢量，最終可以得到電壓空間矢量脈寬的波形。

4 結束語

總之，在混合動力車用永磁同步電機矢量控制中，正弦波脈寬調制與電壓空間矢量脈寬調制是目前解決混合動力車用永磁同步電機矢量控制中參數耦合不完全、誤差大等問題。在今后的發展中，相信，通過同業科研人員對混合動力車用永磁同步電機矢量控制的不斷研究，矢量控制方法會更加豐富、易于操作。

參考文獻：

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