電動汽車用永磁同步電動機弱磁控制系統研究

馬立麗，朱明星

（中國航天科工集團31研究所，北京100074）

電動汽車用永磁同步電動機弱磁控制系統研究

馬立麗，朱明星

（中國航天科工集團31研究所，北京100074）

電動汽車用永磁同步電動機在基速以下恒轉矩運行，在基速以上恒功率擴速運行。在分析永磁同步電動機數學模型的基礎上，設計了一種具有轉速控制和轉矩控制兩種工作模式的弱磁控制系統。該系統在基于XC164的硬件平臺上進行了試驗，得到了永磁同步電動機控制系統的轉速-轉矩特性及效率曲線。試驗結果表明，該系統有效滿足了電動汽車的弱磁擴速要求。

電動汽車；永磁同步電動機；弱磁；調速

1 引言

用于電動汽車的永磁同步電動機要求能夠頻繁地起動、停車或加減速，還要求能夠在低速或者爬坡時輸出高轉矩，并要求能夠在寬轉速范圍內平滑地調節速度和轉矩。由于電動汽車的電機控制器的直流側輸入電壓所引起的電流調節器的飽和特性，電機轉矩和功率會過早地下降，較強的弱磁性能可以在逆變器容量不變的前提下提高車輛的起動加速能力和爬坡能力，并拓寬車輛的轉速調節范圍，因此，對電動汽車用永磁同步電動機進行弱磁控制且拓寬其轉速調節范圍具有重要的現實意義。

弱磁控制的原理是通過增加定子的直軸電流并利用直軸的電樞反應使電機氣隙磁場減弱，達到等效于減弱磁場的效果，從而達到弱磁增速的目的。根據這一基本思路，學者們提出了眾多方案用于改善永磁同步電機的弱磁控制性能。Bimal K.Bose［1］提出了6步電壓法，通過改變電機的功角來達到改變轉矩的目的，該方案對于電機參數的依賴性小，且可實現對直流母線電壓的最大利用。為了解決電機從恒轉矩工況到弱磁工況的切換問題，Thomas M.J.［2］提出了前饋弱磁方案。J.M.Kim［3］提出了用電流解耦控制和給定電壓補償的方法來改善電機的弱磁運行性能。

2 電動汽車用永磁同步電動機的數學模型

分析永磁同步電動機最常用的方法是采用d-q坐標系的數學模型，它不僅可用于分析電動機的穩態運行性能，也可用于分析瞬態過程［4］。兩相旋轉坐標系d-q、兩相靜止坐標系α-β以及定子三相靜止坐標系之間的關系變量A，B，C分別如圖1所示。圖中ωe是轉子旋轉角速度（電角度表示），對永磁同步電動機來說，也相當于轉子磁場的旋轉角速度。d-q坐標系以角速度ωe在空間旋轉，且d軸按轉子N極磁場方向定向。

圖1 PMSM矢量控制坐標變換圖

為建立永磁同步電機在坐標系下的數學模型，首先假設：忽略電機鐵心飽和；不計電機中的渦流和磁滯損耗；電機的電流為對稱的三相正弦波電流。

這樣，在轉子d-q坐標系中PMSM的數學模型的分量形式表示如下：

定子電壓方程為

定子磁鏈方程為

電磁轉矩方程為

機械運動方程為

上式中，各字母符號的含義如下：ψ—磁鏈，ωe—轉子角速度（電角度表示），Ld、Lq—定子繞組的直軸、交軸電感，—轉子永磁體產生磁鏈的幅值，（其中ψf為常數，為轉子永磁體產生的磁鏈），Te—電磁轉矩，pn—電機極對數，ωr—轉子機械角速度，TL—負載轉矩，Rω—阻力系數，p—微分算子。

永磁同步電機的d-q坐標系下的各量與A，B，C三相系統中的各量之間的聯系可以通過坐標變換來實現。從d-q坐標系到兩相靜止的α-β坐標系再到實際的三相A，B，C坐標系的坐標變換可以表示為：式中，θ表示α軸與d軸之間的夾角（用電角度表示），i0表示零軸電流，而對于三相對稱系統而言，零軸電流為0。

3 電動汽車用永磁同步電動機的弱磁控制原理

在實際的電動汽車用永磁同步電動機控制系統中，電機的定子電流和端電壓受到逆變器容量的限制。永磁同步電動機的感應電勢隨著轉速的增大而增加，當電機的端電壓達到控制器直流側電壓時，PWM控制器將失去跟蹤電流的能力。

假設在d-q旋轉坐標系下電壓、電流的極限值分別為Ulim、Ilim，且考慮到電機高速穩定運行時，電阻值遠小于電抗值，其電阻的電壓降可以忽略不計時，就可以得到以下的約束條件［5］：

由以上約束條件可以得到電流的極限圓：

電壓極限橢圓：

永磁同步電動機的運行范圍是以滿足電流極限圓和電壓極限橢圓為前提條件的。即電機的電流矢量is（其分量為iq、id）應處于兩曲線共同包圍的范圍內，如圖2所示。

圖2 電流極限圓與電壓極限橢圓

由圖2可以看出，電機轉速ω升高，id分量趨于增大，相應的iq分量必須減小，削弱永磁體的磁場，減小電機的反電勢，使電機電壓和電流控制在額定范圍內，以達到控制電機弱磁擴速運行的目的。弱磁控制的矢量圖如圖3所示。從圖中可以看出，通過調節弱磁角beta和弱磁電流Id的大小，來控制弱磁的深度，從而達到減小反電勢，增加電機轉速的目的。

圖3 弱磁控制矢量圖

4 電動汽車用永磁同步電動機的控制框圖

電動汽車用永磁同步電動機控制器可工作在轉速閉環和轉矩閉環兩種工作模式下。轉速閉環模式下的控制目標為電機的轉速，轉矩控制模式下的控制目標為電機的轉矩。

在轉速閉環模式下，電機控制器采用基于磁場定向的轉速和電流雙閉環控制，其控制系統框圖如圖4所示。

外環為轉速環，它使電機的實際轉速跟隨指令轉速變化。內環為電流環，它控制電機的電流。

在指令轉速小于轉折轉速時，采用最大轉矩/電流控制，此時：

在指令轉速大于轉折轉速時，采用弱磁控制，此時：

圖4 電機轉速控制系統框圖

圖5 電機轉矩控制系統框圖

電機在轉矩工作模式下采用基于磁場定向的轉矩電流閉環控制，其控制系統框圖如圖5所示。控制器接收整車控制器的轉矩指令，并將該轉矩指令轉換為電機的電流指令，即電機電流空間矢量的幅值，然后通過弱磁PI控制器得到定子電流空間矢量的相位，由此分別得到直軸、交軸電流環的指令，從而進行電流PI的控制。

5 電動汽車用永磁同步電動機弱磁控制系統試驗結果

本文根據上述控制策略并基于XC164的硬件平臺進行了試驗驗證。其中，永磁同步電動機與其控制器的額定電壓為270V DC，額定轉速為3500rpm，弱磁最高轉速為6000rpm。如圖6所示為永磁同步電動機及其控制器的實物圖。

圖6 永磁同步電機及其控制器實物圖

如圖7所示為額定電壓下系統持續工作時的轉速—轉矩特性及效率曲線。

圖7 額定電壓下系統持續工作時的轉速—轉矩特性及效率曲線

如圖8所示為額定電壓下系統峰值工作時的轉速—轉矩特性及效率曲線。

6 結束語

本文設計了一種能夠工作在轉速控制和轉矩控制兩種模式下的永磁同步電動機控制系統，該系統在轉速控制模式可以實現電機的轉速控制，在轉矩控制模式下可以實現電機的轉矩控制。在轉矩工作模式下，采用弱磁角調節的弱磁控制，實現了電動汽車用永磁同步電動機的弱磁調速。該系統在基于XC164的電動汽車用電機控制器的硬件平臺上進行了試驗，試驗結果表明，該系統具有良好的弱磁擴速性能和轉矩、轉速控制性能，滿足了電動汽車的性能要求。

圖8 額定電壓下系統峰值工作時的轉速—轉矩特性及效率曲線

［1］Bimal K.Bose.A high performance inverter-fed drive system of an interior permanent magnet synchronous machine［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1988，24（6）：987-997.

［2］Thomas M.Jahns.Flux-weakening regime operation of an interior permanent-magnet synchronous motor drive［J］.IEEE Transactions on Industrial Application，1987，23（4）：681-689.

［3］J.M.Kim，Sul Seung 2Ki.Speed control of interior permanent magnet synchronous motor drive for the flux weakening operation［J］.IEEE Transactions on Industrial Application，1997，33（4）：43-48.

［4］Bimal，K.Bose.Modern power electronics and AC drives ［M］.Beijing：China Machinery Press，2003.

［5］劉春光，臧克茂，馬曉軍.電傳動裝甲車輛用永磁同步電動機的弱磁控制算法［J］.微特電機，2007，（4）：29-30.

Research on weak magnetic control system of
permanent magnet synchronous motor for electric cars

MA Li-li，ZHU Ming-xing
（The No.31 Institute of China Aerospace Science& Industry Group Corporation，Beijing 100074，China）

The permanent magnet synchronous motors for electric cars run with the constant torque when below the base speed，and run with the constant power and the enlarged speed when above the base speed.Based on the analysis for the mathematical model of permanent magnet synchronous motor，the weak magnetic control system that can work both in the speed control mode and the torque control mode is presented.The system is tested on the XC164 hardware platform，it is obtained that the speed-torque characteristics and efficiency curves of the control system of the permanent magnet synchronous motor.The test results show that the system effectively meets the requirements of the weak magnetic control and the expansion speed for the electric cars.

electric cars；permanent magnet synchronous motor；weak magnetic；speed control

TM351

A

1005—7277（2016）03—0013—04

2016-02-29