新能源汽車用永磁同步電機的高速控制策略

摘要：永磁同步電機是新能源汽車中常用的電機類型，其因高效率和高功率密度而在新能源汽車中占據重要地位。隨著新能源汽車對動力性能和續航里程要求的逐漸提高，驅動電機的高速化成為關鍵技術之一。探討永磁同步電機的高速控制策略，重點分析了矢量控制和直接轉矩控制2種控制策略，并介紹了高速運行中的參數優化技術。通過闡述高速控制策略及其在永磁同步電機高速運行中的應用，以期為永磁同步電機的高速化提供理論基礎和技術參考。

關鍵詞：永磁同步電機；高速控制；矢量控制

0 前言

隨著全球對可持續發展和環保要求的不斷提高，新能源汽車產業迅猛發展，成為汽車工業的重要方向。永磁同步電機憑借其高效率、高功率密度和良好的控制性能，已成為新能源汽車驅動系統的主流選擇。為了滿足新能源汽車對動力性能、續航里程和能效的更高要求，驅動電機的高速化趨勢日益顯著。電機的高速運行雖然能夠提高功率密度和效率，但也帶來了更大的技術挑戰，如機械強度、熱管理和控制策略等問題。本文聚焦于新能源汽車用永磁同步電機的高速控制策略，通過分析矢量控制和直接轉矩控制（DTC）的原理和應用，為電機高速化提供理論支持和技術參考。

1 永磁同步電機高速控制策略

1. 1 永磁同步電機的工作原理

1. 2 永磁同步電機高速運行中的挑戰

隨著永磁同步電機在新能源汽車中的應用不斷增加，電機的高速運行需求也逐漸提升。然而，高速運行帶來了許多挑戰[3]。

（1） 機械強度問題。轉子在高轉速下會承受巨大的離心力，尤其是永磁體材料（如釹、鐵、硼）的抗拉強度較低，易引起機械破壞。

（2） 熱管理問題。高速運行時，電機內部的損耗增加，特別是銅損和鐵損，導致溫度急劇上升。如果熱量不能有效散發，將影響電機性能，甚至導致永磁體退磁。

（3） 電磁干擾問題。高頻電流和電壓的快速變化會引起較大的電磁干擾，影響電機及其控制系統的正常運行。

（4） 控制精度問題。電機高速運行時，需要精確的控制策略來維持電機的穩定性和響應速度，傳統控制方法在高速情況下可能無法滿足要求。

1. 3 控制策略在高速運行中的作用

為了確保永磁同步電機在新能源汽車中的高速運行既高效又可靠，采用先進的控制策略至關重要。這些策略不僅需要維持電機的穩定運行，還要優化其動態性能和整體效率，特別是在面對極端運行條件時[4-5]。在高速運行中，控制策略主要包括矢量控制和直接轉矩控制（DTC），每種方法都針對特定的運行挑戰提供了解決方案。

矢量控制通過優化電流輸入，提高了電機的響應速度和精確性，使電機能在寬廣的速度范圍內穩定工作。而DTC則直接影響電機的轉矩輸出，實現快速響應和高效率。這些策略的有效實施，不僅提升了電機的性能，還顯著增加了電機的適用性和可靠性，特別是在高速和高負載條件下。

通過調整控制參數和優化控制算法，這些策略能夠應對由高速運行引起的挑戰，如熱管理、機械強度維持及電磁干擾控制，確保新能源汽車驅動系統的高效可靠運行。

2 矢量控制策略

2. 1 矢量控制的原理

矢量控制，又稱場定向控制（FOC），是一種先進的電機控制技術，通過將定子電流分解為與轉子磁場同向（d軸）和垂直于轉子磁場方向（q軸）2個分量來進行獨立控制。通過這種方式，矢量控制能夠實現對電機磁鏈和轉矩的獨立調節，使得電機的動態性能和穩態性能大大提高。矢量控制利用坐標變換（如Clarke變換和Park變換）將三相電流轉換為直流量，從而簡化了電機控制的復雜性，提高了控制精度和響應速度。

2. 2 高速運行中的矢量控制應用

在高速運行中，矢量控制通過精確的電流調節和實時的磁鏈檢測，確保電機在高轉速下依然能夠保持穩定和高效運行。矢量控制的應用包括動態調節定子電流以適應瞬時負載變化，以及優化轉矩輸出以減少損耗和提高效率。特別是對于新能源汽車，矢量控制可以有效改善電機在高速工況下的性能，提升整車的動力性能和續航里程。通過先進的控制算法和實時反饋調節，矢量控制在實際應用中能夠顯著提升電機的運行效率和穩定性。

3 DTC策略

3. 1 DTC的原理

DTC是一種先進的電機控制方法，其核心思想是直接控制電機的磁鏈，而不依賴于傳統的電流控制。DTC通過實時檢測定子磁鏈的誤差，選擇合適的電壓矢量來修正誤差，從而實現高效的動態響應。其基本原理可以用以下步驟描述。

（2） 誤差檢測和比較。通過比較實際磁鏈和轉矩與參考值之間的誤差，生成相應的控制信號。

（3） 電壓矢量選擇。根據誤差的大小和方向，施加適當的電壓矢量，以減少誤差并調整磁鏈。通常使用空間矢量脈寬調制（SVPWM）方法實現電壓矢量的選擇和控制。

（4） 電壓矢量施加。通過逆變器將選擇的電壓矢量施加到電機上，實時調整電機的運行狀態。

3. 2 高速運行中的DTC實現

在電機高速運行中，DTC需要應對電機頻率和電壓的大幅變化，以及電機參數的不確定性。為了確保電機高速運行中的穩定性和高效性，DTC在實現過程中需要采取以下措施。

（1） 高精度的定子磁鏈和轉矩估算。由于電機高速運行時的動態變化較快，定子磁鏈和轉矩的估算需要高精度和快速響應，通常通過高頻率的采樣和高效的數字信號處理（DSP）來實現。

（2） 優化的電壓矢量選擇。在電機高速運行中，電壓矢量的選擇十分關鍵。通過改進的SVPWM算法，可以在更短的時間內選擇最優的電壓矢量，減少誤差并提高控制精度。

（3） 實時參數調整。電機高速運行時，電機參數（如電阻、電感等）會隨溫度和負載變化而變化。實時監測和調整這些參數，可以提高DTC的魯棒性和穩定性。

（4） 高效的熱管理。電機高速運行會帶來更多的熱量，電機的溫升需要有效的熱管理系統來控制。通過實時監測溫度并進行冷卻管理，可以確保電機在高速運行中的安全性和可靠性。

通過上述方法，DTC能夠在高速運行中有效控制電機的轉矩和磁鏈，提高電機的動態性能和運行效率，確保新能源汽車在各種工況下的高效運行。

4 高速控制中的參數優化

4. 1 轉速與電流控制參數的優化

4. 2 高速運行中的參數調整方法

在高速運行中，電機參數（如電阻Rs，電感Ld、Lq等）會隨著溫度和負載變化而變化，實時調整這些參數對于保持電機的高效運行至關重要，具體調整方法如下。

（1） 自適應控制算法。通過實時監測電機的運行狀態，動態調整控制參數。例如，基于模型參考自適應系統（MRAS）的方式可以實時調整電機的等效參數。

（2） 觀測器設計。設計狀態觀測器，如滑模觀測器（SMO）來估算電機的瞬時參數，以提高參數估算的精度和響應速度。

通過這些參數調整方法，可以確保電機在高速運行中的穩定性和高效性，提高系統的魯棒性。

5 結語

本文探討了新能源汽車用永磁同步電機的高速控制策略，重點分析了矢量控制和DTC 2種主要方法。通過研究永磁同步電機的基本工作原理和高速運行中的挑戰，明確了高速控制策略在提升電機性能和穩定性方面的重要作用。矢量控制通過解耦電流實現對磁鏈和轉矩的獨立調節，而DTC則通過實時選擇電壓矢量直接控制電機轉矩和磁鏈。這些控制策略在實際應用中表現出顯著的優勢，尤其在高速運行工況下，提高了電機的動態響應和效率。此外，參數優化和實時調整方法的引入進一步增強了電機的魯棒性和可靠性。未來，隨著控制算法和技術的不斷進步，高速控制策略將在新能源汽車領域發揮更加重要的作用。

參 考 文 獻

[1] 郭明皓.新能源汽車用永磁同步電機控制策略研究[D]. 徐州： 中國礦業大學，2021.

[2] 嚴晶鋮，賴輝，楊效，等.適用于新能源汽車的新型永磁輔助同步電機的建模及控制研究[J].中國設備工程，2022（24）：130-133.

[3] 李希偉.電動車用永磁同步電機無傳感器矢量控制研究[D].大連： 大連理工大學，2015.

[4] 張朋輝.永磁同步電動機弱磁控制策略的研究與仿真[J].防爆電機，2022，57（3）：45-48，54.

[5] 武龍星.電動汽車用永磁同步電動機弱磁控制策略綜述[J].輕工科技，2015，31（4）：66-67.