電動汽車驅動系統矢量控制的應用與分析

【摘 要】純電動汽車動力性、續航里程及其行駛的穩定性，與驅動系統的控制性能有極大的關聯。文章從了解電動汽車驅動系統結構、功能及汽車對行駛的要求出發，闡述矢量控制在電動汽車驅動系統中的應用。電動汽車驅動電機基于矢量控制下的運行調控策略將有利于提高電動汽車運行的可靠性。

【關鍵詞】電動汽車;驅動系統;永磁同步電機;矢量控制

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）09-0050-03

Application and Analysis of Vector Control for Electric Vehicle Drive System

LI Gang

（Jilin Vocational and Technical College of Science and Technology，Changchun 133000，China）

【Abstract】The power performance，driving range and driving stability of pure electric vehicles are closely related to the control performance of the drive system. This paper expounds the application of vector control in the drive system of electric vehicles from the understanding of the structure and function of the drive system of electric vehicles and the driving requirements of vehicles. The operation control strategy of electric vehicle drive motor based on vector control will help to improve the reliability of electric vehicle operation.

【Key words】electric vehicle;drive system;permanent magnet synchronous motor;vector control

純電動汽車電力驅動控制是電動汽車的關鍵技術之一，對整車的動力性、經濟性及舒適性影響很大。當前電動汽車的驅動系統廣泛使用交流電機，由于汽車行駛的特點，對驅動電機的控制有別于其它電機。為滿足驅動電機對行駛的要求，當前電動汽車驅動控制方式主要是矢量控制和直接轉矩控制，因矢量控制方法已較成熟，被眾多汽車生產廠家所采用。

1 純電動汽車驅動系統的組成與控制過程

純電動汽車驅動系統（圖1）主要由動力電池、驅動電機、矢量控制器（逆變橋、驅動電路、矢量控制單元、電流傳感器）、旋變傳感器等組成。動力電池廣泛采用鋰離子電池組（磷酸鐵鋰、三元鋰），電壓通常在300～600V。驅動電機為交流感應電機或交流永磁同步電動機，額定電壓與動力電池電壓相近。矢量控制器是電機與電池之間電能傳輸的控制部件，設有功率變換電路和控制單元，具有控制電機運行及在汽車滑行、制動時將電機再生電能回饋到動力電池的功能，功率變換電路采用三相IGBT逆變橋，通過直-交變換與變頻，將三相交變電流施加于電機定子繞組上使電機運行。系統工作時，矢量控制單元接收制動踏板、加速踏板、擋位等人為輸入信號和旋變（電機轉子位置/速度）、電機電流傳感器輸入的反饋信號，向逆變橋發出控制信號，有序觸發各IGBT功率管進行換流，完成直-交流變換。在此基礎上，改變換流速度則可改變輸出頻率。改變IGBT控制極脈寬（PWM）即可改變逆變橋輸出電壓、電流的大小，進而控制電機的轉矩和轉速。改變三相輸出相序可控制電機轉動方向，實現車輛的前行和倒車。

2 永磁同步電機運行特點與電動汽車對驅動系統的控制要求

交流永磁同步電機電能利用率比交流感應電機高2%～8%，輕載運行時節能更加顯著，是現代電動汽車的優先選擇。按輸入電能波形及定子繞組布置形式交流永磁同步電動機可分為兩種，一種是基于方波驅動的永磁同步電機，采用集中式繞組，稱為無刷直流電機;一種是基于正弦波驅動的永磁同步電機，采用分布式繞組，正弦波驅動相比方波驅動方式電機轉矩脈動小，在電動汽車驅動領域得到了廣泛應用。

根據三相同步交流電機的運行特點，由電機公式：轉速n=60×頻率f/極對數p，轉矩T=9550×功率P（P=×U×I×cosΦ，cosΦ為功率因數）/轉速n可知：轉速n與供電頻率f呈正比，轉矩與電壓電流呈正比，只要控制電機的頻率、電壓、電流，就可以控制汽車的動力和行駛速度。但由于汽車運行所處的條件復雜，必須對輸入量進行及時調整，保持汽車行駛速度的穩定，同時滿足扭矩需求。根據電機運行特性及汽車行駛狀態需求，對驅動系統的控制大致可分為兩個區域——恒轉矩區和恒功率區。在恒轉矩區，汽車處在起步和加速狀態，需克服慣性阻力，要求電機轉矩儲備大，同時使轉矩在轉速、功率的上升過程中保持恒定;在恒功率區，汽車處在高速行駛狀態，此時電動機電壓已達逆變器輸出電壓的極限值，電機轉矩隨轉速的上升開始下降（轉速進入基速點nb），如圖2所示，為使汽車能運行在更高的車速上，要求電機具有足夠的輸入電流滿足高速行駛時對轉矩的需要，應使電機輸出功率保持恒定。此外，當行駛阻力發生瞬時變化時，還應使電機運行保持穩定，避免失控。

3 矢量控制原理

由三相交流同步電動機原理可知，當在定子繞組中通入三相電源時，定子繞組就會產生一個旋轉磁場，因轉子為永磁體，根據磁極異性相吸原理，定、轉子磁場間就產生電磁轉矩，促使轉子跟旋轉磁場一起同步轉動，但在實際運行時，因存在阻力與負載的變化，會使轉子運轉穩定性變差，在常規V/F（恒壓頻比）控制中，變頻器輸出頻率的變化，按照預先設定u/f曲線特性調整，V/F控制沒有對電壓的相位進行控制，導致在瞬態變化過程中，例如突加負載時，電機轉速受沖擊會變慢，但是電機供電頻率還是保持不變，這樣電機會產生瞬時失步，從而引起轉矩和轉速振蕩。矢量控制又稱磁場定向控制，是模仿直流電動機的控制原理，根據交流電動機的動態數學模型，利用一系列坐標變換把三相定子繞組A/B/C電流合成矢量is分解為二相旋轉直流勵磁分量id和轉矩分量iq。勵磁分量id用于為轉子勵磁產生磁場，轉矩分量iq用于定子繞組產生轉動磁場，通過對轉子磁鏈進行定向，使定子勵磁電流分量id對應于轉子磁鏈ψm方向，定子轉矩電流分量iq對應于與轉子磁鏈ψm呈90°的方向，如圖3所示。在運行中，通過跟蹤轉子磁鏈ψm位置，對定子的轉矩電流分量和勵磁分量分別進行控制，即可調節轉矩的輸出，并可快速壓制因阻力變化引起的速度波動。矢量控制的具體方法是在V/F控制基礎上，采用閉環控制，通過跟蹤、測量轉子位置、轉速、定子電壓、電流變化，對輸入三相定子繞組的電壓、電流以及頻率、相位進行控制，通過給定值與實測值的比較，使轉子磁場與定子旋轉磁場始終保持同步（定轉子間的磁通角保持90°），進而實現高精度的轉矩與速度控制。

4 電動汽車驅動電機基于矢量控制下的運行調控策略

驅動電機矢量控制算法由電機控制器內的CPU通過運行程序來完成，汽車在起步、加速及低中速行駛狀態時，驅動電機轉速處于基速以下，在逆變器輸出電壓范圍內，電機運行僅受電機允許通過的最大電流限制，電機可以輸出最大轉矩保持不變，該區域稱為恒轉矩區。通過FOC（轉子磁場定向控制）進行調速，方法是將三相定子給定電流進行矢量分解（分為勵磁分量和轉矩分量），對于表貼式永磁轉子電機，可使定子電流勵磁分量id為0（轉子為永磁材料，無需勵磁），控制定子電流轉矩分量iq大小（電磁轉矩）就可以實現對電機轉速的控制。

目前車用永磁同步電機均采用內置永磁式轉子（相比表貼式永磁轉子，其轉子結構氣隙呈不對稱性，可產生磁阻轉矩），為充分利用其磁阻轉矩（圖4），在基速以下采用最大轉矩電流比控制（Maximum Torque Per Ampere，MTPA），即在驅動電機和矢量控制器允許工作電流范圍內，對于任一給定的電流，通過調整id和iq的大小，使電動機以最小的電流輸出最大的扭矩。當前MTPA控制方法多采用數據查表法，就是通過調取提前生成滿足MTPA控制的dq軸電流，查詢表內的數據值（利用試驗測試得出的最優轉矩對應的id和iq的曲線，作為MTPA控制的數據點），控制驅動電機工作。在車輛運行時，矢量控制可使定子繞組電流產生的轉矩磁通Φa與永磁勵磁磁通Φf在空間垂直，合成磁通Φ幅值和相位維持不變（圖5），進而保持定轉子間的磁通角（磁作用力）在最佳范圍內，在車輛行駛阻力變化和發生瞬態過程時，矢量控制會自動調整加至電機繞組上電壓、頻率和相位的大小，使定轉子磁通角在瞬時失衡過程中迅速恢復原態。

當汽車進入高速行駛狀態，電機轉速在基速以上，由于電機運行受到最大電流和最大電壓的限制，輸出功率恒定，因此該區域稱為恒功率區。在該區域永磁轉子轉速的增加使定子繞組反電勢上升，抵消部分逆變器輸出端加到電機的電壓，使逆變器輸入電機的電流減小，電機轉矩下降，汽車將無法獲得高速運行所需的轉矩。為使電機在基速以上更寬的可調區域高速運行，此時需要采用弱磁調速控制以提高電機的轉速，即通過調節定子反向去勵磁電流分量（利用定子繞組的磁場去抵消掉一部分永磁磁場，讓電機的反電動勢降低）來維持高速運行時的電流（圖6），方法是通過控制逆變器開關元件IGBT，使三相定子電流相位提前，削弱永磁磁場，從而達到弱磁升速的目的。弱磁控制有多種方式，當前常用的是直軸電流負反饋補償控制方法。在進入弱磁控制時，先判斷進入弱磁的條件，即通過實測三相繞組電流ia、ib、ic和轉子位置信息θ經矢量變換得到的反饋值us*k（us*為給定的id與iq控制的矢量電壓，k是比例系數）與給定的us*值進行比較。當us*>us*k時，進入了弱磁控制，這時可以將差值作為MTPV（最大轉矩/電壓比）時id電流的控制，通過減小iq，加大id的負值增量（原因是在恒功率下維持電機輸入電壓平衡），同時使電機定子繞組電流產生的轉矩磁通Φa與永磁勵磁磁通Φf在空間不垂直（大于90°），合成磁通Φ幅值減小，相位增加（圖7），電機的氣隙磁場減弱，轉速上升，使電機運行于更高的轉速。

5 結論

在驅動系統控制中，矢量控制通過采集驅動電機位置、電流等信號，及時調節輸出電壓、電流及其相位值，通過控制電機定轉子磁場的轉矩角以及電機磁鏈，可以滿足汽車在變工況條件下運行的要求。然而單靠一種控制策略是不能完美達到各項要求的，當前效率最優控制、滑模控制、變結構控制、模糊控制、神經網絡、自適應控制、專家控制、遺傳算法等智能控制技術已進入電動汽車驅動控制系統中，今后的電動汽車驅動控制系統的發展是優化和融合各項控制技術的過程，此過程必將顯著提高電動汽車的運行品質和可靠性能。

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（編輯 凌 波）

作者簡介李剛（1968—），男，高級工程師，從事新能源汽車技術教學與機電教學設備研發工作，研究方向為新能源汽車技術與機電一體化控制。