電動汽車驅動電機控制策略的分析與研究*

何 琨 ，張 斌

（黃岡職業技術學院交通學院，湖北 黃岡 438002）

0 引言

近年來，隨著世界經濟的發展，對快速高效運輸的需求也在增長，對汽車的需求也不例外，然而這也導致了石油消費的增加，這種情況被認為對環境不利。因此，人們轉向使用替代能源的車輛。這種電動或油電混合動力汽車現在已成為人們日常生活的一部分（Anderson 等，2010）[1]。然而，關于這些車輛以及它們如何操作，還有更多內容需要了解，特別是關于汽車的知識。

在電動和油電混合動力汽車等新能源汽車中，正是電機將車輛電池中存儲的電能轉化為機械能，使車輛能夠實際移動（Abu-Ghazal 等，2019）[2]。除此之外，電機還有助于將車輛制動時產生的機械能轉換為電能，然后將電能儲存回電池中。換句話說，電機也是電池充電系統的一部分。這些電機包括感應電機、直流電機和永磁同步電機。基于它們的控制器和其中使用的算法，這些電機在性能和效率方面各有優缺點。擬議的研究應著眼于這些與新能源汽車相關的電機及其性能，以確定新能源汽車的最佳電機控制方案。

1 問題陳述

當涉及電機控制時，內燃機車和電動內燃機車之間存在某些基本差異。與向系統提供恒定負載的內燃機不同，電機僅提供按需功率，這使得電機可以避開向系統引入恒定負載的需要[3]。電動機控制性能和速度的方式是通過改變施加的電壓和電流。然而，這種方法的低效性通常導致其無法提供足夠的扭矩，然而扭矩和速度控制對于確保電機在足夠的時間內保持其性能至關重要，可以提高可靠性并防止電機損壞（Quintero-Manríquez等，2021）[4]。

此外，在純電動汽車方面，電機是唯一的動力來源。與工業電機相比，電動汽車中的電機驅動系統面臨許多挑戰，如寬速度控制范圍、降低車輛整備重量的高扭矩/功率密度、可預測的驅動循環動態運行、確保車輛即使在主要部件發生故障后仍能運行的強大跛行回家功能以及終身保障等（Cai 等，2011）[5]。為了加強控制，設計工程師利用電子開關自動降低電流和電壓。然而，這種方法仍然受到動態（過渡）損耗和通斷周期靜態電阻損耗的影響。因此，當涉及交換機時，面臨的挑戰是如何降低此類損失（Chau，2014）[6]。

2 汽車驅動電機類型

2.1 直流電機

早在19 世紀，直流電機就成為電動汽車的主要部件，這主要是因為這些電機的調節簡單。然而，隨著時間的推移，這些電機變得不適合當今技術先進的替代能源汽車。現在，它們只能在低速電動汽車中找到（Cai等，2021）[7]。

2.2 感應電機

在感應電機（IM）中，交流電（AC）通過電磁感應過程到達旋轉裝置。因為感應電機轉子的結構似鼠籠，因此其也被稱為鼠籠電機。電力直接在旋轉裝置內感應（Sampathkumar 等，2019）[8]，這與直流電機不同，在直流電機中，電力通過直流直接輸送。感應電機有多種用途，在各個領域都有應用，尤其是在工業驅動領域（Choudhary等，2019）[9]。

2.3 開關磁阻電機

與感應電機類似，開關磁阻電機非常簡單，它們沒有線圈，其功率主要通過鐵制成的轉子產生，該轉子只有突出的磁極。有一系列開關有助于形成旋轉場，從而使轉子磁極磁化。由此產生的吸引力使轉子保持運動（Cai 等，2021）[7]。這種電機效率高，易于控制。然而，由于扭矩波動、噪聲和振動，它們不用于新能源汽車中。

2.4 同步磁阻電機

與開關磁阻電機不同，這種電機具有繞組，轉子為圓柱形，但由各向異性磁性結構復合（Cai 等，2021）[7]。對于這類電機，控制它們的速度和扭矩是完全可能的。此外，在某些應用中，可以節省大量能源，如泵和風扇（Heidari等，2021）[10]。

2.5 永磁電機

近年來，在永磁電機方面取得了重大進展，已經開發出不僅可以節約成本效益而且具有大能量密度的合金。這些在實現效率以及開發輕便緊湊的電機方面發揮了重要作用（Cai 等，2021）[7]。在這些類型的電機中，永磁體通常位于轉子中，并且基于位置，它根據線圈產生的磁場旋轉，這使得速度控制成為可能。

3 電機控制技術

3.1 恒壓/頻率比（V/F）控制

恒定電壓/頻率比控制，也被稱為恒定磁通控制，可以通過確保每個頻率的定子電壓保持不變來實現恒定磁通（Tu 等，2017）[11]。在電機以較低速度運行的情況下，T 軸電流保持電機系統穩定。恒定速度/頻率控制是調節感應電機速度的常用技術，它簡單、有效，并且對參數變化具有高魯棒性（Cai 等，2021）[7]。

3.2 磁場定向控制（FOC）

磁場定向控制技術是20 世紀發展起來的。本質上，定子的功率被移除并連接到扭矩發生器。由特定系統磁化，提供穩定的轉子磁通量（Tu 等，2017）[11]。磁場定向控制是非常動態的，因為扭矩波動很小，其速度范圍非常大，啟動非常平穩，這對于在激烈工作環境中使用的機械來說是非常好的（Cai等，2021）[7]。開發這種類型的電機控制技術，為機器在不同類型的條件下做出相應響應奠定了基礎。

3.3 直接轉矩控制

直接轉矩控制不同于磁場定向控制，因為它沒有回路，并且不需要按順序轉換坐標來控制性能（Cai等，2021）[7]。直接轉矩控制結構簡單，響應迅速，對參數變化反應不強，動態響應快，對參數擾動的靈敏度低，用途廣泛，非常適合需要快速響應和廣泛速度調節的情況（Wu 等，2020）[12]。然而，它并非沒有缺點。例如，它需要較高的采樣頻率，并且在相對較低的速度下，電流和轉矩都會產生漣漪效應（Cai 等，2021）[7]。

4 電機控制算法

4.1 比例積分微分（PID）控制

比例積分微分（PID）控制方法在大多數研究中非常普遍，并且在大多數電機和電機控制技術中也普遍使用。這主要是由于其結構簡單，能夠適應參數變化，可靠性高（Cai 等，2021）[7]。雖然該算法適用于線性和固定的對象，但它不適合參數不斷變化和復雜交互的電機（Fan 等，2020）[13]。因此，比例積分微分控制算法需要與下面將描述的一些控制算法相結合，直流電機PID控制算法的方框流程圖如圖1 所示。

圖1 直流電機PID控制算法的方框流程圖

4.2 自適應控制

可與比例積分微分算法耦合的算法之一是自適應控制算法。該算法能夠在線改變參數，使其在處理系統變化時具有通用性。該算法有相當多的導數，包括模型參考自適應控制。然而，重要的是，系統僅依賴于電機的精確模型，電機本身受電機參數波動的影響（Landau 等，2011）[14]，驅動電機自適應控制算法的方框流程圖如圖2所示。

圖2 驅動電機自適應控制算法的方框流程圖

4.3 模型預測控制

這種類型的控制算法在設計上過于簡單，并且相當偏向于快速響應。其基本作用是在采樣過程中的每個時刻解決最優控制問題。然而，與模型參考自適應控制一樣，它也嚴重依賴于電機模型的參數，并且相當復雜（Mayne，2014）[15]，模型預測控制算法的方框流程圖如圖3所示。

圖3 模型預測控制算法的方框流程圖

4.4 模糊邏輯控制（FLC）

該算法的結構可能很簡單，但非常可靠，并且在啟動過程中幾乎不影響電機。它的一個缺點是，它需要大量的專業知識和處理此類算法的豐富經驗（Sharma 等，2014）[16]，模糊邏輯控制算法的方框流程圖如圖4所示。

圖4 模糊邏輯控制算法的方框流程圖

5 結論

1）確定電動汽車驅動電機的控制方案主要是按車型所需來選取最合適的驅動電機，采用最合適的電機控制技術和電機控制算法。由于永磁同步電機的高能效和三相異步電機（感應電動機）的運轉平順、易控制等優點，現今這兩類電機被大量應用于電動汽車領域[17-18]。感應電機因價格低廉、控制技術成熟等方面的優勢，在過去曾占車用驅動電機市場主導地位。永磁電機在控制技術上多采用磁場定向控制，一般配有轉子位置傳感器，也有利用反電動勢識別轉子位置的無傳感器永磁同步電機（車用電機上很少使用）。近年來，隨著永磁同步電機生產技術及其控制技術的進步和市場價格的降低，永磁同步電機逐漸成為當前車用驅動電機的主流。

2）近年來，學者們已經使用上述電機控制算法對電機性能效率進行了大量研究。例如，Abu-Ghazal和Jaber 比較了感應電機與內部永磁同步電機在新能源汽車中的使用，特別是使用FLC 算法的電動汽車；雖然結果顯示了系統之間的相似性能，但也發現感應電機驅動的車輛模型比內部永磁同步電機驅動的模型具有相對更快的響應速度（Abu-Ghazal 等，2019）[2]。此外，與感應電機驅動相比，內部永磁同步電機在轉矩方面具有顯著更高的紋波，相較于感應電機，永磁同步電機對控制技術和控制算法上的選取提出了更高的要求。

3）在電機控制算法方面，有研究發現模糊邏輯控制算法比自適應控制算法更可靠和有效。模糊邏輯控制在響應速度方面具有零分支，在自適應控制的情況下，系統預期響應速度會出現下沖或過沖（超調）。當涉及模糊邏輯控制時，負載的增加引入了微小的穩態誤差，系統可以跟蹤的范圍減小。自適應控制受參數變化的影響，這與模糊邏輯控制不同。然而，就設計和專業知識而言，自適應控制比模糊邏輯控制簡單得多。綜上，圍繞電機控制的高效節能，為實現系統最優控制，應根據汽車運行工況要求采用多種電機控制技術和控制算法相結合的控制策略。