矢量控制下的車用IPMSM電機轉(zhuǎn)矩控制*

王旭斌，和豪濤

（河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院，河南 鄭州 450000）

IPMSM是將永磁體嵌入或內(nèi)裝在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)的永磁同步電機，相對于SPMSM，其能夠有效利用磁阻轉(zhuǎn)矩，提高轉(zhuǎn)矩/電流比；還可降低永磁體勵磁磁通，減小永磁體體積，有利于弱磁運行，擴展速度范圍；具有低速輸出大扭矩、高速輸出大功率的工作特性，在電動汽車，特別是純電動汽車上作為驅(qū)動裝置廣泛使用。IPMSM的控制方法有開環(huán)控制的恒壓頻比控制、閉環(huán)控制的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。其中，矢量控制技術(shù)是借鑒他勵直流電動機電樞電流和勵磁電流相互垂直，沒有耦合及可獨立控制的思路，以坐標變換理論為基礎(chǔ)，通過對電機定子電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標系中大小和方向的控制，達到對直軸和交軸分量的解耦目的，從而實現(xiàn)磁場和轉(zhuǎn)矩的解耦控制；矢量控制更多采用空間矢量調(diào)制技術(shù)SVPWM獲得準圓形旋轉(zhuǎn)磁場。

IPMSM電機的控制對象有轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制。目前，對電機的轉(zhuǎn)速驅(qū)動控制技術(shù)研究較多，而全速域下驅(qū)動和制動的轉(zhuǎn)矩控制研究不多。在車輛行駛中，巡航行駛時，電動汽車IPMSM電機工作于轉(zhuǎn)速控制；而車輛一般行駛時，運行轉(zhuǎn)速大都由駕駛員來控制，駕駛員根據(jù)當前車速以及需求車速對IPMSM電機進行轉(zhuǎn)矩控制，決定加速和減速。此外，電動汽車IPMSM驅(qū)動電機的控制還包括電機系統(tǒng)的上下電控制，電機上下電控制較多采用基于整車State機制的控制策略。電動汽車轉(zhuǎn)矩控制涉及驅(qū)動和制動兩種工況，由整車控制器根據(jù)車輛的實際運行情況，即車速、擋位、電門踏板開度、制動踏板開度、電池SOC值等狀態(tài)信息，來決定電機的輸出轉(zhuǎn)矩/功率。當電機控制器接收到整車控制器發(fā)出的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩輸出指令后，就將動力電池提供的直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電，驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩；當電機控制器接收到整車控制器發(fā)出的制動轉(zhuǎn)矩輸出指令后，就將電機反電動勢能量供給動力電池，電機輸出制動轉(zhuǎn)矩。矢量控制下的轉(zhuǎn)矩控制相對于轉(zhuǎn)速控制，僅保留電流環(huán)參與控制，如圖1所示，關(guān)鍵是性能要求下的指令轉(zhuǎn)矩情況及其參考電流的確定。

圖1 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

1 電機特性

對電機的控制，根本是對電樞電流的控制，而參考電流受制于電機的工作特性。基于矢量控制下的IPMSM電機數(shù)學(xué)模型如下：

根據(jù)定子電壓方程及電壓約束方程，以一定的電流，，即恒轉(zhuǎn)矩運行過程中，將所需定子電壓隨轉(zhuǎn)速達到電壓極限值時的轉(zhuǎn)速范圍稱為恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)，電機實施變壓變頻控制。不同恒轉(zhuǎn)矩值下的轉(zhuǎn)速不同，恒轉(zhuǎn)矩值越高，電壓極限橢圓的兩軸半徑越大，可達到的最高轉(zhuǎn)速越低。通常，額定轉(zhuǎn)矩下，電壓達到極限值的轉(zhuǎn)速稱為基速。峰值轉(zhuǎn)矩下的最大轉(zhuǎn)速稱為轉(zhuǎn)折速度。越過恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)，為了擴大轉(zhuǎn)速范圍，通過減小對d方向的轉(zhuǎn)子磁鏈減弱，即弱磁控制區(qū)，電機實施恒壓變頻控制。

由轉(zhuǎn)矩方程知，在電動機結(jié)構(gòu)確定后，電磁轉(zhuǎn)矩的大小將決定于定子電流的兩個分量。而且，對每一個，和都有無數(shù)組合與之對應(yīng)。這就需要確定對兩個電流分量的匹配原則，也就是定子電流的優(yōu)化控制問題。顯然，優(yōu)化目標不同，兩個電流分量匹配的原則和控制方式便不同。

電動機在恒轉(zhuǎn)矩運行區(qū)，鐵耗不是主要的，而銅耗占的比例較大，通常選擇最大轉(zhuǎn)矩/電流比（MTPA）來控制定子電流，這樣不僅使電動機銅耗最小，還減小了逆變器和整流器的損耗，可降低系統(tǒng)的總損耗，還利用弱磁效應(yīng)充分利用了電機的磁阻轉(zhuǎn)矩。由轉(zhuǎn)矩公式在-平面內(nèi)得到恒轉(zhuǎn)矩曲線族，如圖2a所示（圖中轉(zhuǎn)速信息針對弱磁控制區(qū)，低于MTPA線對應(yīng)最大轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速沒顯出），每一條恒轉(zhuǎn)矩曲線上有一點與坐標原點最近，這點便與最小定子電流相對應(yīng)。將各條恒轉(zhuǎn)矩曲線上這樣點連起來就確定了最小定子電流矢量軌跡MTPA曲線OA。A點是峰值轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的工作點，可見，其恒轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速最小。給定指令轉(zhuǎn)矩，根據(jù)計算速度和精度，求解MTPA曲線上的，的具體實現(xiàn)有較多方法，常用的有公式解析計算及其改進公式、查表法及智能控制算法等。

圖2 IPMSM運行控制圖

在弱磁控制區(qū)，典型曲線有等轉(zhuǎn)矩曲線族DE/FG/HI、最大輸出功率曲線：電流極限圓曲線（極限電壓電流約束下，各轉(zhuǎn)速下輸出轉(zhuǎn)矩最大值的連線AB）和最大轉(zhuǎn)矩電壓比MTPV曲線（極限電壓約束下，各轉(zhuǎn)速下輸出轉(zhuǎn)矩最大值的連線BEGIC）。給定指令轉(zhuǎn)矩，計算各等轉(zhuǎn)矩曲線對應(yīng)的，公式解析法幾乎不可能，常用的有梯度法及查表法；電流極限圓曲線和最大轉(zhuǎn)矩電壓比MTPV曲線對應(yīng)的，計算有公 式 解 析 計算、查表法或梯度法及超前角控制等。采用查表法，使用MTPA、等轉(zhuǎn)矩曲線和MTPV控制，某電機驅(qū)動及制動過程指令電流隨轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化如圖3所示。

圖3 指令電流i d，i q隨轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化云圖

2 驅(qū)動轉(zhuǎn)矩控制

當汽車處于起步、加速減速、停車、爬坡等工況時，需要較高的轉(zhuǎn)矩，電機主要運行在恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)，當汽車運行在較高車速、超車等工況時，電機轉(zhuǎn)速在基速以上，電機主要運行在弱磁控制區(qū)。對照圖2c所示，以額定轉(zhuǎn)矩作為指令轉(zhuǎn)矩，恒轉(zhuǎn)矩起動驅(qū)動負載轉(zhuǎn)矩，先在恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)以MTPA控制運行至點D，然后進入等轉(zhuǎn)矩弱磁控制區(qū)運行至點E，而后沿MTPV控制線到目標轉(zhuǎn)速對應(yīng)的點G后，指令轉(zhuǎn)矩降為負載轉(zhuǎn)矩值，電機等速運轉(zhuǎn)。只要在達到目標轉(zhuǎn)速前，指令轉(zhuǎn)矩大于負載轉(zhuǎn)矩達到目標轉(zhuǎn)速時，指令轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩，電機便等速運轉(zhuǎn)，這樣有無數(shù)過程選擇。在驅(qū)動轉(zhuǎn)矩控制中，是否進入弱磁控制區(qū)與目標轉(zhuǎn)速有關(guān)；弱磁區(qū)如何控制，與性能目標有關(guān)，文獻[3]給出了弱磁區(qū)的最優(yōu)驅(qū)動控制。作為比較，階躍轉(zhuǎn)速控制下的起動和制動過程，為了響應(yīng)時間較短，電機各轉(zhuǎn)速點工作于峰值或最大轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，對應(yīng)圖2（a、c、d）中OABC曲線或CB＇A＇O曲線。

3 制動轉(zhuǎn)矩控制

電動汽車使用了液壓制動和電機再生回饋制動組成的混合制動，滑行制動時主要是電機再生回饋制動起作用，踏板制動時液壓制動和電機再生回饋制動共同參與，兩者有并聯(lián)和串聯(lián)控制兩種方式，純電動車較多采用并聯(lián)控制，混合動力車較多采用串聯(lián)控制。根據(jù)車輛驅(qū)動形式及控制要求，又有具體的實現(xiàn)方法。電機制動轉(zhuǎn)矩控制是設(shè)計混合制動中制動力分配控制的基礎(chǔ)。

由轉(zhuǎn)矩方程，電機制動時輸出轉(zhuǎn)矩為負值，相對驅(qū)動轉(zhuǎn)矩控制，只需控制＜0即可，電磁參數(shù)關(guān)系變化如圖2b所示。在SVPWM調(diào)制控制下，逆變電路工作于可控整流狀態(tài)，制動電流和電樞電壓仍受到極限值的約束。根據(jù)電機輸入功率正負值，將制動過程分為高速弱磁區(qū)回饋制動和低速恒轉(zhuǎn)矩能耗制動，如圖2d所示。在分界線上可進行最大回饋電磁轉(zhuǎn)矩控制，在回饋制動區(qū)可進行回饋最大功率、考慮損耗的最優(yōu)回饋及電機發(fā)電效率最優(yōu)等轉(zhuǎn)矩控制。制動時，根據(jù)初始轉(zhuǎn)速大小，電機將經(jīng)歷高速的回饋制動或低速的能耗制動。文獻[8]給出恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動制動仿真，從中可看出轉(zhuǎn)矩控制跟蹤及，變化情況。

4 結(jié)語

IPMSM電機的工作特性數(shù)學(xué)方程是分析及進行矢量控制下IPMSM電機轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)。利用工作軌跡圖、特性曲線圖及相量圖的對應(yīng)關(guān)系是理解和開發(fā)驅(qū)動制動各控制區(qū)進行轉(zhuǎn)矩、功率或效率等最優(yōu)控制策略的途徑，控制曲線，值的計算獲得也是研究的熱點。