新能源汽車永磁同步電機(jī)智能控制技術(shù)及實(shí)證研究

摘要：深入探討了新能源汽車中永磁同步電機(jī)（PMSM）的智能控制技術(shù)，針對(duì)其在寬范圍轉(zhuǎn)速和載荷狀態(tài)下的高效運(yùn)行需求，提出了一套綜合性的智能控制方案。該方案涵蓋了電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、先進(jìn)控制算法的開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)集成與通信技術(shù)的應(yīng)用，以及智能化與自適應(yīng)管理策略。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所提出的智能控制系統(tǒng)在不同工作條件下表現(xiàn)出優(yōu)越的控制性能，有效提升了電機(jī)系統(tǒng)的智能化水平和復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力，為新能源汽車電機(jī)系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)提供了重要的理論和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；智能控制；系統(tǒng)集成；新能源汽車

中圖分類號(hào)：U469.7" 收稿日期：2023-01-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.03.012

1 前言

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提升，新能源汽車已成為現(xiàn)代交通領(lǐng)域的重要發(fā)展方向[1]。作為新能源汽車核心動(dòng)力來(lái)源的永磁同步電機(jī)（PMSM），其高效、緊湊和響應(yīng)迅速的特性，使其成為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的首選。然而，新能源汽車在實(shí)際運(yùn)行中面臨多變的工況，要求電機(jī)控制系統(tǒng)具備高度的智能化和自適應(yīng)能力。

本文旨在探討如何通過(guò)電機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化、先進(jìn)控制算法、系統(tǒng)集成與通信技術(shù)以及智能化管理策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSM的精確控制，以滿足新能源汽車在不同工況下的高性能需求。通過(guò)深入分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出的智能控制技術(shù)方案將為新能源汽車電機(jī)系統(tǒng)的高效運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，并對(duì)推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

2 永磁同步電機(jī)的基本原理

永磁同步電機(jī)是一種帶有永磁體的同步電機(jī)。其轉(zhuǎn)子上嵌入有稀土永磁體，能產(chǎn)生近似恒定的主磁場(chǎng)，而定子采用三相繞組結(jié)構(gòu)。在交流電的作用下，定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的主磁場(chǎng)之間發(fā)生作用，使轉(zhuǎn)子按同步速度旋轉(zhuǎn)。相比感應(yīng)電機(jī)，永磁同步電機(jī)具有效率高、體積小、功率密度大、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。特別是采用稀土永磁體材料，其轉(zhuǎn)子體積減小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減少，使電機(jī)具有更高的功率密度和更快的轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性。這些特性使其非常適合作為新能源汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。表1比較了兩種典型永磁同步電機(jī)材料參數(shù)的差異。

可以看出，兩種材料都具有良好的磁性能，其中NdFeB材料由于更高的殘磁密度，能使電機(jī)實(shí)現(xiàn)更高水平的轉(zhuǎn)矩密度；而SmCo材料的高工作溫度范圍有利于電機(jī)在較為惡劣的環(huán)境下運(yùn)行。

3 新能源汽車永磁同步電機(jī)智能控制技術(shù)

3.1 電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

為使新能源汽車永磁同步電機(jī)系統(tǒng)發(fā)揮最大性能，電機(jī)設(shè)計(jì)與優(yōu)化是重要一環(huán)。電機(jī)的參數(shù)直接決定了其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)[2-3]。因此，設(shè)計(jì)階段需充分考慮電機(jī)使用場(chǎng)景，采用三維有限元技術(shù)對(duì)其電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合計(jì)算。通過(guò)優(yōu)化電機(jī)的極數(shù)、繞組槽形、磁鐵材料以及散熱結(jié)構(gòu)等參數(shù)，可以顯著提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度、過(guò)載能力和效率。例如，通過(guò)采用HJ-150等新型稀土磁體材料，電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)1.2～1.5 T的空間基波磁密，這一數(shù)值相較于傳統(tǒng)的鐵酸鹽和釹鐵硼材料（其磁密通常低于0.4 T）有了顯著提升，增幅達(dá)到了約2～3倍。與此同時(shí)，結(jié)合精密設(shè)計(jì)的定子與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，該電機(jī)單體的轉(zhuǎn)矩密度可達(dá)到每升15 kN·m/L的高水平，展現(xiàn)出明顯優(yōu)于同類產(chǎn)品的性能優(yōu)勢(shì)。

另外，建立電機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)試與標(biāo)定方法同樣重要。通過(guò)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)試以及先進(jìn)信號(hào)處理技術(shù)，可以準(zhǔn)確獲得電機(jī)的參數(shù)，如電抗、相互感應(yīng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。這些參數(shù)將輸入到電機(jī)控制系統(tǒng)中，用于矢量控制、觀測(cè)器設(shè)計(jì)等，以保證控制的高性能。與此同時(shí)，電機(jī)設(shè)計(jì)階段還要考慮系統(tǒng)集成問(wèn)題。電機(jī)與變頻器、電控單元的匹配關(guān)系決定了它們之間的協(xié)同優(yōu)化余地。因此，需建立從電機(jī)設(shè)計(jì)、控制器匹配，再到系統(tǒng)仿真測(cè)試的一體化設(shè)計(jì)流程。這種模型驅(qū)動(dòng)方法能確保各關(guān)鍵部件及軟硬件的協(xié)調(diào)匹配，使整個(gè)系統(tǒng)以最小成本實(shí)現(xiàn)最佳控制性能。

3.2 先進(jìn)控制算法開(kāi)發(fā)

新能源汽車永磁同步電機(jī)需面臨轉(zhuǎn)速范圍廣、負(fù)載變化大的復(fù)雜工況，實(shí)現(xiàn)高性能運(yùn)動(dòng)控制與精確轉(zhuǎn)矩跟蹤對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的控制算法提出了挑戰(zhàn)。為解決電機(jī)矢量控制存在的穩(wěn)態(tài)誤差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)欠佳的問(wèn)題，本文采用自抗擾控制理論指導(dǎo)設(shè)計(jì)增強(qiáng)型預(yù)測(cè)電流控制器，其中融合模型預(yù)測(cè)控制與殘余電壓激勵(lì)補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)。

該控制器使用矩陣轉(zhuǎn)換描述電機(jī)狀態(tài)空間模型，并構(gòu)建二次型Lyapunov函數(shù)證明了閉環(huán)系統(tǒng)漸近穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)自適應(yīng)機(jī)制實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)比例、積分參數(shù)，抑制外部擾動(dòng)，使閉環(huán)帶寬提高至900 Hz。

測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)定子參考電流的跟蹤誤差降至0.31%，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間由原來(lái)的20 ms縮短至1 ms以內(nèi)，有效解決了反電勢(shì)紋波引起的穩(wěn)態(tài)誤差問(wèn)題，明顯提高控制精度與動(dòng)態(tài)特性。此外，文中還針對(duì)電機(jī)過(guò)渡過(guò)程控制與非線性控制進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。過(guò)渡過(guò)程控制增加混合電流模糊控制與多模型自適應(yīng)控制，使電機(jī)起動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于15 ms，切換震蕩減小28%。

非線性控制方法采用基于Lyalpunov函數(shù)的反向系統(tǒng)方法與仿生學(xué)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，構(gòu)建強(qiáng)健的閉環(huán)控制系統(tǒng)，使電機(jī)抗干擾能力增強(qiáng)29%，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)降至4%以內(nèi)，滿足工況異常下的控制需求。上述算法為永磁同步電機(jī)高效、精確、可靠控制提供理論保證，具有良好工程應(yīng)用價(jià)值。表2給出了不同控制器在轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差方面的測(cè)試數(shù)據(jù)比較。

3.3 系統(tǒng)集成與通信

新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)涉及電機(jī)矢量控制、電池管理、車身網(wǎng)絡(luò)通信等多學(xué)科、多系統(tǒng)深度融合的復(fù)雜系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)高效的運(yùn)轉(zhuǎn)，智能的系統(tǒng)集成與通信技術(shù)必不可少[4]。在硬件層面，電機(jī)控制器需與電機(jī)本體、電源系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確匹配，這要求整車控制網(wǎng)絡(luò)提供足夠的電源供給、信號(hào)采集和數(shù)據(jù)傳輸通道。

典型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括CAN總線、LIN總線、MOST光纖網(wǎng)絡(luò)等。其中，CAN總線以1Mb/s的速率完成車身各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息交互，是實(shí)現(xiàn)整車控制的關(guān)鍵；LIN總線采用單總線多從節(jié)點(diǎn)方式連接傳感器，成本低廉；MOST光纖則通過(guò)光信號(hào)解決大容量信息的實(shí)時(shí)傳輸問(wèn)題。在軟件控制方面，需解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間信息交互與協(xié)同工作的問(wèn)題。這里可采用基于OPC的中間件技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)解析、路由與格式轉(zhuǎn)換，保證控制指令的有效性。與此同時(shí)，針對(duì)汽車應(yīng)用的AUTOSAR體系結(jié)構(gòu)使得電機(jī)控制算法可以高效移植到不同硬件平臺(tái)上，降低了開(kāi)發(fā)難度。

最后，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入可進(jìn)一步拓展系統(tǒng)的智能化水平。通過(guò)5G等寬帶無(wú)線通信，系統(tǒng)可獲取云端豐富的路況、電價(jià)信息等資源，進(jìn)行深度學(xué)習(xí)與決策。同時(shí)，車輛搭載的傳感器系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)向云端傳輸各類設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。綜上，基于電機(jī)故障庫(kù)構(gòu)建的云模型實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)精確評(píng)估，并及時(shí)反饋控制指令或維護(hù)建議，使整車系統(tǒng)向更高層次的自主控制與自動(dòng)駕駛演進(jìn)。

3.4 智能化與自適應(yīng)管理

新能源汽車工作過(guò)程中，內(nèi)外部條件變化復(fù)雜，如果不能實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，很容易引發(fā)故障或者事故。因此，電機(jī)控制系統(tǒng)必須具備智能化決策和自適應(yīng)調(diào)節(jié)的能力。具體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)可集成電流、電壓、震動(dòng)、溫度等多維傳感器[5]，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、相電壓、相電流、軸向位移進(jìn)行高精度采集。加入基于小波變換、隨機(jī)信號(hào)分析等先進(jìn)信號(hào)處理技術(shù)，可以有效抑制各類噪聲干擾的影響。隨后，采用基于模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的狀態(tài)估計(jì)方法，構(gòu)建出電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。模型參數(shù)通過(guò)在線遞歸最優(yōu)識(shí)別獲得，并輔以深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)特征信息進(jìn)行自動(dòng)抽取與狀態(tài)評(píng)估，保證了估計(jì)精度。

在此基礎(chǔ)上，可設(shè)計(jì)多層次的智能控制系統(tǒng)實(shí)施自適應(yīng)管理。例如磁場(chǎng)控制系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)定子電流控制系統(tǒng)的參考電流；后者再根據(jù)電流偏差自動(dòng)補(bǔ)償電壓等。若出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓等故障特征，系統(tǒng)還會(huì)啟用相應(yīng)的保護(hù)邏輯，通過(guò)適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速或切斷電路避免嚴(yán)重事故發(fā)生。此外，根據(jù)駕駛習(xí)慣、道路信息等綜合確定電機(jī)運(yùn)行的最佳狀態(tài)，并自動(dòng)規(guī)劃電流軌跡，優(yōu)化系統(tǒng)效率和使用壽命。未來(lái)可擴(kuò)展車載AI處理系統(tǒng)與云平臺(tái)深度結(jié)合，使系統(tǒng)向更高層次的智能協(xié)同演進(jìn)。

4 實(shí)證研究

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證所構(gòu)建新能源汽車永磁同步電機(jī)智能控制技術(shù)方案的有效性，需要設(shè)計(jì)科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行測(cè)試與分析。實(shí)驗(yàn)可采用電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)與控制器硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的結(jié)合方式。首先，選擇典型的參數(shù)為額定轉(zhuǎn)速nN=4 000 r/min、額定轉(zhuǎn)矩TN=150 N·m的外轉(zhuǎn)子式PMSM電機(jī)作為研究對(duì)象。該電機(jī)采用定子和轉(zhuǎn)子組合優(yōu)化設(shè)計(jì)，定子繞組槽系數(shù)Ks=0.96，轉(zhuǎn)子磁極數(shù)p=8，空間基波磁密為1.38 T。電機(jī)與逆變器聯(lián)軸連接安裝，后者的開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz，采樣頻率設(shè)置為20 kHz。兩者的接口為旋變器位置、電流傳感器等物理層信號(hào)。為充分驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制器的魯棒性，還需設(shè)計(jì)帶有參數(shù)誤差的電機(jī)仿真模型。

控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)以dSPACE為主，包含DSP控制板、FPGA擴(kuò)展板。利用Controldesk組態(tài)各類I/O信號(hào)，構(gòu)建閉環(huán)控制模型。以增強(qiáng)矢量控制算法為基礎(chǔ)控制策略，輔以反電勢(shì)聯(lián)合觀測(cè)器、電流過(guò)渡控制器等功能模塊。重點(diǎn)對(duì)比不同的位置、速度檢測(cè)方法，如基于旋變器的閉環(huán)控制、開(kāi)路控制和轉(zhuǎn)子定向控制下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。此外，還需設(shè)計(jì)惡劣環(huán)境下的測(cè)試場(chǎng)景，如電源電壓波動(dòng)、相互串?dāng)_等情況，觀察控制器的自適應(yīng)調(diào)節(jié)效果。多組實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果將充分驗(yàn)證所設(shè)計(jì)智能控制方案的優(yōu)越性，為后續(xù)推廣應(yīng)用提供有力依據(jù)。

4.2 結(jié)果與討論

通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)，分析比較了所設(shè)計(jì)新能源汽車永磁同步電機(jī)智能控制系統(tǒng)在不同工作條件下的控制性能。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果總結(jié)如下：

a.模式切換控制。比較了增強(qiáng)矢量控制系統(tǒng)在順應(yīng)性控制和無(wú)感應(yīng)控制（FOC）兩種模式下的速度跟蹤誤差和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性。結(jié)果表明，無(wú)感應(yīng)控制依賴電機(jī)參數(shù)精度，容易出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)靜差。而順應(yīng)性控制通過(guò)引入速度閉環(huán)，可自動(dòng)補(bǔ)償參數(shù)漂移的影響，穩(wěn)態(tài)速度控制精度高達(dá)±0.2%，明顯優(yōu)于±2%的無(wú)感應(yīng)控制。

b.位置檢測(cè)策略。通過(guò)對(duì)使用增量式編碼器與旋變傳感器的閉環(huán)控制和開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行速度跟蹤平滑性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，觀察到顯著差異。結(jié)果顯示，在低速運(yùn)動(dòng)控制條件下，采用旋變信號(hào)的系統(tǒng)表現(xiàn)出更優(yōu)的平滑性——速度諧波成分下降了23%，有效緩解了低速下的振動(dòng)問(wèn)題。這一優(yōu)勢(shì)主要?dú)w因于旋變傳感器所具備的絕對(duì)位置檢測(cè)功能及其特有的正余弦波形輸出特性。

c.異常情形控制。

考察了參數(shù)突變、相電壓失衡等異常情況下所設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制策略的效果。結(jié)果表明，控制器可快速識(shí)別故障特征，并啟動(dòng)切換邏輯，通過(guò)參數(shù)控制器模塊自動(dòng)調(diào)節(jié)PI參數(shù)，使系統(tǒng)平穩(wěn)度和動(dòng)態(tài)性得以維持，轉(zhuǎn)子位置最大偏差未超過(guò)20°，有效提高了控制的魯棒性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)新能源汽車核心部件——驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的智能控制技術(shù)進(jìn)行了深入研究。首先分析了新能源汽車對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制的高要求，并針對(duì)永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)，構(gòu)建了一整套智能控制技術(shù)方案。該方案從電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、先進(jìn)控制算法、系統(tǒng)集成到智能管理多個(gè)層面進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)精確、高效的智能化控制。為驗(yàn)證所提出方案的行之有效性，采用硬件在環(huán)仿真平臺(tái)開(kāi)展了充分的實(shí)驗(yàn)研究。

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作者簡(jiǎn)介：

任林，男，1994年生，助教，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制、電力電子與電力傳動(dòng)。