純電動汽車永磁同步電機控制技術研究

丁學鳳

（1.貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州工程應用技術學院機械工程學院，貴州 畢節 551700）

和傳統汽車比起來，純電力汽車往往是利用驅動電機、調速控制器、動力電池以及車載充電等模塊予以驅動，其速度快慢、啟動效率都取決于驅動機的實際性能。因為過去的電機控制技術表現出能耗較高、性能較差且扭矩低的缺陷，積極推廣應用新型電機控制技術能夠有效促進其運行效率的提升，進而提高純電動汽車的性能，對于促進新能源汽車發展意義重大。

1 純電動汽車電機驅動系統分類

電機驅動系統可以說是電動汽車核心部位，其實現功能基于人工控制，把車載蓄電池蘊含的電能轉變為車輛動能，現階段純電動汽車電機驅動系統的類型包括：直流電機、交流感應電機、開關磁阻電機和永磁同步電機驅動等幾種不同類型。

首先是直流電機驅動。它是最早應用的電機驅動系統類型，因為該系統涉及到的相關技術目前已經相對成熟，因此該系統也表現出成本低、控制器構造簡單、性能良好的優勢，同時因為直流電機驅動系統在啟動時轉矩較高，調速范圍更寬，現階段市場中大部分電動汽車都是選擇直流電機控制驅動。

其次是交流感應電機驅動。它又可以稱異步電機，近年來電子技術飛速發展，交流感應電機驅動系統也開始進入到越來越多新能源汽車企業的視野中，同時交流感應電機驅動系統調速性能技術不斷突破瓶頸，讓它逐漸成為現階段工業領域中得以普遍應用的電機。但需要認識到的一點是，異步電機系統相對來說更加復雜，相關技術還有待深入研究，這也是該系統在實際研發應用過程中的制約因素。

再次是開關磁阻電機驅動。該電機的核心在于SRM（開關磁阻），不管電機設計構造，亦或是工作原理，SRM都表現出獨有的特征，但此類驅動系統實際運行過程中存在噪音較大、結構復雜等缺陷，和上述兩種電機驅動系統比起來，它的突出優勢是調速范圍更寬且運行穩定性更高。因為該電機在速度調控范圍上具備顯著優勢，它的未來發展和應用前景也受到了更多新能源汽車廠商的認可。

最后是永磁同步電機驅動。該型電機驅動系統表現出空間小、功率密度高和運行效率高的突出優勢，近年來受到了很多研發廠商的關注。但該驅動系統的缺點也較為顯著，比如說電流損耗更大、長時間運行之后可能存在退磁現象、運行過程中噪聲較大等。目前西方國家針對永磁同步電機進行的技術研發工作更加全面深入，相關技術也較為成熟，國內還存在明顯差距，但在國家政府相關部門積極推廣支持的背景下，新型永磁材料研發和無傳感器技術的日益更新，類似于稀土永磁同步電機也進入到我們的視野中。

2 永磁同步電機（PMSM）的優勢分析

對永磁同步電機而言，其磁通材料為永久磁鐵，磁通方向代表d軸，和d軸相互垂直的方向為q軸，當q軸存在電流經過后能夠符合左手定則要求，此電流即屬于q軸電流。相對于感應電機而言，除開q軸電流，為確保擁有充足的磁通，d軸方向也應當存在電流經過，而此電流則屬于d軸電流，因而能夠了解到，永磁電動機僅僅需要更少的電流即可達到運行所需扭矩，有效降低了運行損耗。而運行效率更高的電機驅動系統是目前電動車研發生產中受到更多關注的，基于實際結構而言，永磁電動機表現出如下兩方面的特征：首先，轉子永磁體能夠選擇內置模式；其次，能夠進行多極設計。

從圖1能夠看出永磁電動機的具體轉子結構。過去很長一段時間以來，轉子上的永磁體都是選擇表貼式結構，而近年來所研發的新型永磁電機往往選擇內置結構。其理由有兩點：和表貼式結構比起來，內置式結構能夠有效避免高速旋轉狀態下永磁體散落的現象；所以在對電動機予以設計的過程中，轉子轉速一般選擇超過10000r/min，同時配置永磁體的磁路內具有氣隙，永磁體形成磁通的d軸和q軸方向的自感存在較大差異。換句話說，如果存在d軸電流以及q軸電流的情況下，必然會形成磁阻轉矩。若可以把和磁通垂直的q軸電流形成的電磁轉矩和磁阻轉矩予以合成，即能夠有效提高電動機最大轉矩。簡言之，對要求的最大轉矩選擇合理的轉子結構，能夠有效降低電動機所占空間。

永磁同步電動機形成轉矩的過程能夠借助如公式（1）來說明，第1項是永磁體磁通Φa和q軸電流iq所形成的電磁轉矩；第2項是由于凸極產生的磁阻轉矩，具體大小和d軸以及q軸自感差之間表現出正比關系。

式中：Pn——極對數；Φa——電樞交鏈的永磁體產生的磁通；Ld、Lq——d、q軸的自感。

圖1 內置式永磁電動機轉子結構

3 純電動汽車用永磁電機控制基礎

3.1 永磁電動機的轉矩控制

永磁電動機的基本結構如圖2所示。一般來說，電動汽車控制系統是依據加速踏板和制動器所發出的指令來完成相關操作的。從本質上來說屬于電流控制系統，從而確保存在類似轉矩指令電流順利通過。換句話說，借助于調整d軸磁通來實現d軸電流的有效控制，也能夠采用同樣的方法來對q軸電流予以控制，兩種電流屬于獨立控制，可適用于矢量控制方法。

基于圖2能夠了解到，轉矩指令運算模塊根據電動汽車加速踏板以及制動器所發出的相關指令，結合電動機速度ω可以獲得轉矩指令τ*，最佳電流指令運算模塊按照轉矩指令τ*和電動機速度ω能夠獲得更高效的q軸電流指令iq*、d軸電流指令id*。上文提及，電磁轉矩和q軸電流iq之間屬于正比關系，然而由于磁阻轉矩和d軸電流id、q軸電流iq之間也屬于正比關系，所以永磁電動機雖然存在相同轉矩τ，依舊能夠對d軸電流id及q軸電流iq比例予以控制。d/q軸電流控制模塊的主要工作是輸出d軸電壓指令ud*、q軸電壓指令uq*，從而讓d軸電流id、q軸電流iq可以順利達到指令值的標準。同時，停頓時間補償模塊對逆變器開、關停頓所產生的電壓誤差實施補償。這樣所形成的三相交流電壓指令值Uu、Uv、Uw在PWM信號發生器中變更為符合逆變器動作要求的信號，最終將信號進行輸出。這便是永磁電動機的具體控制流程，且著重針對矢量控制。

圖2 純電動汽車永磁電機控制系統的構成

3.2 最佳電流指令確定方法

對此項來說，d軸電流指令i*d以及q軸電流指令i*q應當符合如下要求：①為確保其反電動勢保持在蓄電池電壓逆變器最大輸出電壓值之下，當電動機速度ω相對較大的情況下，即反電動勢較大的情況（圖3），應當借助于d軸電流id進行弱磁控制。對于圖3a來說，永磁體磁通Φ的方向，即d軸正方向，確保id維持反方向（d軸負方向），在這樣的情況下，圖3b為電壓矢量圖，弱磁控制狀態下電壓矢量U不超過不存在該狀態時的電壓矢量U0，從而能夠看出，把反電動勢維持在最大輸出電壓之內。

圖3 弱磁控制時的電流、電壓矢量

上文中提及，永磁電動機的突出特征在于能夠應用磁阻轉矩，對于上述公式（1）來說，右邊第2項指的是磁阻轉矩；在選擇圖1的結構轉子情況下，d軸電感量Lw以及q軸電感量Lq的公式Ld

4 結語

總而言之，對于純電動汽車來說，電機控制技術屬于其核心技術，也是當前研究的重要方向，未來電機控制系統必然會朝著體積更小、質量更輕的趨勢發展，電機驅動性能和運行性能將進一步提高。作為純電動汽車的核心部件，如何研發設計出更好的電機驅動系統，積極推進電機控制技術的突破創新，這是純電動汽車進一步發展的關鍵所在。相信未來電機控制技術的不斷發展，新能源汽車必然能夠得以更加廣泛地應用和發展。