一種永磁同步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方法＊

李瑋，劉超，梁海強(qiáng)

（北京新能源汽車股份有限公司 工程研究院，北京 100176）

前言

純電動(dòng)汽車通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)車輛行駛，電機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制作為純電動(dòng)汽車的核心對(duì)整車性能影響重大，因此成為國(guó)內(nèi)外各大純電動(dòng)汽車廠商研究的重點(diǎn)[1-2]。隨著永磁材料、電力電子技術(shù)、控制理論、電機(jī)制造以及信號(hào)處理硬件的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）得到了普遍應(yīng)用，在永磁同步電機(jī)中，內(nèi)置式永磁同步電機(jī)（IPMSM）具有機(jī)械強(qiáng)度高、磁路氣隙小、電樞反應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被普遍應(yīng)用于純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。永磁同步電機(jī)在基速以下，一般采用最大轉(zhuǎn)矩電流比（MTPA）控制，最大轉(zhuǎn)矩電流比控制又稱定子電流最小控制，是指在轉(zhuǎn)矩給定的情況下，最優(yōu)配置交直軸電流分量，使定子電流最小，即單位電流下電機(jī)輸出扭矩最大，該控制方法可以減小電機(jī)銅耗，提高運(yùn)行效率，并且由于逆變器所需輸出的電流較小，對(duì)逆變器的容量要求可相對(duì)降低。

在純電動(dòng)汽車領(lǐng)域IPMSM控制中，若要提高控制精度，需要考慮電感飽和效應(yīng)的影響，但目前國(guó)內(nèi)純電動(dòng)汽車廠商的普遍做法為將IPMSM電機(jī)D軸與Q軸的電感當(dāng)作定值處理，忽略飽和效應(yīng)，但這樣做勢(shì)必會(huì)對(duì)控制性能造成影響[3-6]。針對(duì)該問題，本文提供了一種適用于裝備內(nèi)置式永磁同步電機(jī)純電動(dòng)汽車的最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方法，該方法以查表法為基礎(chǔ)，即前期通過公式推導(dǎo)與臺(tái)架、實(shí)車試驗(yàn)等方式確定電機(jī)輸出扭矩與D、Q軸電流的關(guān)系，并制成表格，用于電機(jī)控制過程中的實(shí)時(shí)查詢；另外該方法考慮了電感飽和效應(yīng)的影響，當(dāng)Q軸電流增加到一定程度磁路飽和時(shí)，對(duì)Q軸電感進(jìn)行補(bǔ)償，在此基礎(chǔ)上得到新的輸出扭矩與D、Q軸電流的關(guān)系，并用于電機(jī)控制。該方法在保證控制實(shí)時(shí)性需求的前提下，考慮了電感飽和效應(yīng)對(duì)控制的影響，為提高電機(jī)控制性能奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 內(nèi)置式永磁同步電機(jī)控制

純電動(dòng)汽車永磁同步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制在電機(jī)核心控制中所處的位置見圖1。

圖1 電機(jī)控制框圖

如圖1所示，電機(jī)核心控制包括三部分，分別為電流管理控制、電流環(huán)控制及SVPWM控制。其中電流管理控制實(shí)現(xiàn)的功能為根據(jù)輸入的扭矩命令T輸出D軸及Q軸電流命令I(lǐng)d與Iq，電流管理控制包括弱磁控制及最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在基速以下是采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在基速以上轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)需要弱磁控制介入；電流環(huán)控制實(shí)現(xiàn)的功能為根據(jù)電流管理模塊輸入的命令電流Id、Iq與電機(jī)實(shí)際反饋的D、Q軸電流Id*、Iq*經(jīng)電流環(huán)控制（一般采用PI控制）及解耦后得到D軸及Q軸電壓命令Ud與Uq；SVPWM控制實(shí)現(xiàn)的功能為將D、Q軸電壓命令Ud、Uq轉(zhuǎn)化為電機(jī)U、V、W三相繞組的驅(qū)動(dòng)電壓占空比，從而將兩相電壓命令值轉(zhuǎn)換為對(duì)電機(jī)三相繞組電壓值的精確輸出，最終驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

從圖1中可以看出，電流管理控制作為電機(jī)核心控制中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，其計(jì)算的D、Q軸電流命令將對(duì)電機(jī)控制的性能、精度產(chǎn)生影響，而最大轉(zhuǎn)矩電流比控制是電流管理控制的重要組成部分，因此其控制的優(yōu)劣將對(duì)整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響。

2 最大轉(zhuǎn)矩電流比控制

內(nèi)置式永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

式（1）中Te為轉(zhuǎn)矩命令；np為極對(duì)數(shù)；φf為永磁體磁鏈；Ld為D軸電感；Lq為Q軸電感；id為D軸電流；iq為Q軸電流。

最大轉(zhuǎn)矩電流比控制D、Q軸電流方程為：

根據(jù)式（2）（3），當(dāng)給定轉(zhuǎn)矩命令則能夠求解出一組D、Q軸電流，但由于以上公式的計(jì)算量極大，在電機(jī)控制中一般不進(jìn)行直接計(jì)算，目前工程化中普遍采用的方法為查表法，即通過前期試驗(yàn)或模擬仿真得到命令扭矩Te與D、Q軸電流的關(guān)系，并以表格的形式存儲(chǔ)。在實(shí)際的控制過程中，當(dāng)給定扭矩命令后，通過查表的方式可迅速得到D、Q軸電流指令，并直接用于后續(xù)控制。

查表法具有速度快的優(yōu)點(diǎn)，但沒有考慮磁路飽和的影響。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的參數(shù)會(huì)伴隨運(yùn)行工況的不同而發(fā)生變化，當(dāng)磁路發(fā)生飽和時(shí)，電機(jī)的電感會(huì)發(fā)生變化，前面提到的解析方程（2）（3）在實(shí)際中會(huì)受到一定限制，進(jìn)而影響電機(jī)的控制性能。針對(duì)該問題本文在合理簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上給出一種解決方法。

3 考慮磁路飽和的MTPA控制

在內(nèi)置式永磁同步電機(jī)中，Q軸對(duì)應(yīng)的等效氣隙較短，容易發(fā)生飽和，而D軸對(duì)應(yīng)的等效氣隙較長(zhǎng)，不容易發(fā)生飽和。在大量研究數(shù)據(jù)表明，D軸電感隨Q軸電流的增加變化較小，因此在解析方程（2）（3）中可認(rèn)為L(zhǎng)d恒定；而磁路飽和時(shí)Q軸電感隨Q軸電流的增加變化較大，且呈非線性關(guān)系，因此，在以上合理假設(shè)的基礎(chǔ)上僅考慮Q軸電流對(duì)Lq的影響，這樣一來大大地簡(jiǎn)化了問題處理難度。

考慮到磁路飽和時(shí)Q軸電感隨Q軸電流的增加變化較大，因此首先通過實(shí)驗(yàn)手段確定Lq與iq的變化曲線。由于Lq與iq之間為非線性關(guān)系，接下來對(duì)該曲線進(jìn)行分段線性化處理，分段數(shù)目為N。之后針對(duì)這N段曲線通過臺(tái)架試驗(yàn)、仿真計(jì)算等方法確定扭矩命令Te與D、Q軸電流id與iq之間的關(guān)系，并存儲(chǔ)在表格中，共N張表，在最大轉(zhuǎn)矩電流比控制過程中根據(jù)iq電流的變化變換扭矩命令Te的查詢表格，得到D、Q軸電流命令，最終實(shí)現(xiàn)考慮磁路飽和的最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，具體見圖2。

圖2 最大轉(zhuǎn)矩電流比控制

如圖2所示，首先判斷上一周期的Q軸電流命令，并根據(jù)上一周期的Q軸電流命令確定扭矩查詢表格，之后利用該表格及命令扭矩值直接查詢得到D、Q軸電流命令。該方法中的扭矩查詢表格為事先制作完成，因此只需要命令扭矩值與上一周期的Q軸電流值就能夠快速唯一的確定一組D、Q軸電流命令，從而保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)需求。在實(shí)際控制過程中，扭矩查詢表會(huì)根據(jù)Q軸電流的變化進(jìn)行切換，為了保證電機(jī)最終輸出扭矩的平順性，扭矩查詢表不應(yīng)該頻繁切換，為此需加入滯回策略，具體如圖3所示。

圖3 扭矩表格查詢策略

根據(jù)圖3，輸入量為扭矩命令與上一周期Q軸電流命令iq*，輸出為D、Q軸電流命令。在實(shí)際控制過程中，假設(shè)初始階段采用扭矩命令查詢表1進(jìn)行最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，當(dāng)Q軸命令電流增大到閥值K1時(shí)，則采用扭矩命令查詢表2進(jìn)行最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，若之后Q軸命令電流減小，當(dāng)?shù)陀陂y值K1*時(shí)則重新采用扭矩命令查詢表1進(jìn)行最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，其中K1大于K1*。從扭矩命令查詢表1到扭矩命令查詢表N，以此類推。圖3所示的方法引入了滯回策略，防止由于Q軸電流小范圍波動(dòng)而導(dǎo)致扭矩命令查詢表頻繁切換，進(jìn)而影響控制效果。

4 臺(tái)架試驗(yàn)

針對(duì)本文所提出的控制方法進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。

以某品牌純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為依托開展臺(tái)架試驗(yàn)，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，其峰值輸出功率為160kW，峰值扭矩為300Nm。在電機(jī)基速點(diǎn)以下轉(zhuǎn)速開展試驗(yàn)，保證系統(tǒng)處于MTPA控制區(qū)間，無弱磁控制電流。

利用上位機(jī)分別在規(guī)定時(shí)間5s內(nèi)給出兩組變化的扭矩指令，第一組為100Nm至170Nm的線性變化扭矩指令，第二組為200Nm至250Nm的線性變化扭矩指令。圖4為采用常規(guī)MTPA控制的電機(jī)實(shí)際輸出扭矩，圖5則為采用本文提出的考慮磁路飽和MTPA控制的電機(jī)實(shí)際輸出扭矩。可以看出采用本文所提出的控制方法扭矩波動(dòng)明顯較常規(guī)方法小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出在大扭矩工況下（200Nm-250Nm扭矩指令區(qū)間段），由于D、Q軸電流增大，MTPA控制受磁路飽和的影響加劇，電機(jī)動(dòng)力輸出的平順性受到影響，采用本文所提出的控制方法能夠明顯的改善這種情況，其中在200Nm-250Nm扭矩指令區(qū)間段能夠有效地將扭矩波動(dòng)控制在10Nm以下，改善了系統(tǒng)性能。

圖4 傳統(tǒng)MTPA控制

圖5 考慮磁路飽和的MTPA控制

5 結(jié)論

本文提出了一種最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方法，該方法以查表法為基礎(chǔ)，并考慮了電感飽和效應(yīng)對(duì)控制性能的影響。本文根據(jù)合理假設(shè)，僅考慮Q軸電流對(duì)Q軸電感的影響，簡(jiǎn)化了磁路飽和問題處理難度，在此基礎(chǔ)上對(duì)呈非線性關(guān)系的Q軸電流與Q軸電感進(jìn)行分段線性化處理，并針對(duì)每段線性化區(qū)間建立扭矩命令與D、Q軸電流命令的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，在電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制過程中，結(jié)合上一周期的Q軸電流與扭矩命令，通過查表的方式迅速地得到D、Q軸電流命令。該方法考慮了電感飽和效應(yīng)對(duì)控制性能的影響，為提高電機(jī)控制性能奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)計(jì)算量低，能夠滿足電機(jī)控制的實(shí)時(shí)性需求，另外在查表過程中引入了滯回策略，防止由于Q軸電流小范圍波動(dòng)而導(dǎo)致扭矩命令查詢表頻繁切換，進(jìn)而影響控制效果。最后通過臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)該方法的可行性及有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。