电动汽车永磁同步轮毂电机控制方法的研究

电动汽车永磁同步轮毂电机控制方法的研究

宋先军

(上海大郡动力控制技术有限公司，上海201114)

[摘要]近几年我国纯电动汽车发展速度越来越快，但研发纯电动汽车时会因为传统的汽车设计理念受到阻碍，在电动汽车中，有一种新型的驱动电力技术——永磁同步轮毂电机，依据电动汽车自身的特点，出现了永磁同步轮毂电机设计，电机在车轮内部进行安装。轮毂直接驱动前进，和传统轮毂电机驱动结构相比，潜力巨大。基于对电动汽车的永磁同步轮毂电机控制方法进行了探究。

关键词 变频技术永磁同步电机 矢量控制 三电平逆变器

中图分类号U469

1永磁同步电机的发展概述

永磁同步电机具有效率高、轻量化以及高动态性能等三个特点。而且永磁同步电机驱动系统组件主要有电流、电机，控制器和逆变器、速度传感器等。伴随着电力电子技术密切结合微电子控制技术的程度加深，FPGA和IH1的技术也得到很大的发展，使用永磁同步电机( PMSM)的频率越来越高，而且研究控制方法如自适应控制方法以及无位置传感器等也多了起来。控制电机很多控制系统都是双闭环控制，外环为转速环，内环则为电流环，转速的调节实现是转速负反馈作用，那电流同样是由电流负反馈实现的。n

永磁同步电机的最大特点就是：转速与电源频率完全同步而且无差率。电力电子变压变频技术发展起来之后，调速的实现基本要靠变压变频.(Variable Voltage。Variable Fre-quency，WVF)，对于该怎样控制变压变频，在发展、中已经提出了新的控制策略，提高了控制性能，成本也得到降低。

2永磁同步电机控制方法

2.1矢量控制方法

矢量控制理论是在20世纪70年代出现的，最根本的目的是定向控制定子电流相位以及矢量幅值。坐标变换电机的电流、三相电压、磁链三相后，就有了两相旋转坐标系产生，同时定子电流分解为转矩分量以及励磁分量两个分量，相互正交，前者较后者滞后90。矢量控制是控制转矩分量和励磁分量的，永磁同步电机就得到控制。和直流电机控制方式一样，控制方式也是如此。通常励磁分量保持不变，控制转矩分量。这种控制方式具有众多优势，如控制精度比较高，转矩响应速度快。

2.2直接转矩控制方法

和矢量控制方法相比，虽然提出直接转矩控制方法的时间晚了10年，但它依然是永磁同步电机的最重要控制方式之一。矢量控制方法是利用控制定子电流对电机进行控制，那么直接转矩控制方法就相反，通过控制磁链走向，进一步控制电磁转矩，直到直接控制了电机。具体分析就是，居于定子坐标系下，利用观测器对转矩和磁链进行观测，进一步比较这两个值和相应参考值的差别，基于定子磁链的位置，再把两个差值经过对应的滞环比较器，在对电压矢量进行最优选择时要基于开关表部分，对逆变器的通断进行控制，以此就达到了控制电机的实现。该方法的优势更加明显，如性能良好、对电机参数依赖小以及坐标变换不很复杂等。

3永磁同步电机的结构和数学模型

3.1永磁同步电机结构

相比于其他的电励磁电机，永磁同步电机有高转矩惯量比、效率较高及高功率密度等优势，在很多领域被广泛地应用。和电励磁同步电机不同，永磁同步电机的转子材质是高性能的磁性材料制成的，没有励磁线圈与滑环等结构，取代电励磁电机电枢绕组，简化同步电机的大小以及整体结构，有效提高了电机效率。相比电励磁同步电机的定子部分，永磁同步电机的定子部分也一样，主要包括了定予绕组以及定子铁心，定子绕组是星形连接。永磁同步电机分类有很多的分析方法，基于转子结构的永磁体的位置不一致分为内置式以及贴面式两种方法，贴面式有外表贴面式和内表贴面式两种。

3.2永磁同步电机的数学模型

本文是以三相两极永磁同步电机举例，分析永磁同步电机，采用的一般化的数学模型。转子是永磁性的。在研究中，通常会基于忽略次要因素的前提下，做如下假设：忽略磁化曲线的饱和非线性因素、定子绕组的效应以及定子电阻和漏抗的影响等。一般变换遵循正交变换矩阵，这是为了计算方便;不论是变换前还是变换后，电机的功率始终是遵循能量守恒;不管坐标系怎样变化，电流所产生的旋转磁场始终恒等。重基于三电平逆变器的滑模控制电机系统

近几年，要控制永磁同步电机，不能离开的调速方式就是可变压可变频方式。由于逆变器产生变压变频信号，由此逆变器与电机的控制有着密切联系。但是永磁同步电机在运行中，依然有一些问题，如电能利用率低以及转矩脉动大等困扰，始终有着谐波危害( EMI)的出现。在PMSM控制系统中，解决这些问题，就提出了引入三电平逆变器的可行性研究方案。

三电平变换器控制中，最基础的控制方式就是PWM控制方法，在掌握PWM控制法的基础上，推导出了准正弦波PWM、SVPWM(空间矢量调制)、SPWM等算法。目前相对来说，“SVPWM方法还是比较成熟的，而且控制效果也较好。选择三电平空间矢量调制法最重要的原因就是有27个空间矢量，两电平逆变器具有8个空间矢量，此法判断区域生很复杂，在计算在对应区域每一个矢量时间作用时间上也是很复杂，但优点大于缺点，此调制算法使磁同步电机更好地完成驱动控制，使电压利用率得到大大提高。所以，电力电子研究人员把更多焦点集中在此法上。

5永磁同步电机控制方法的延展

轮毂式电动汽车系统是电子差速系统，实现了差速转向动作，在研究电子差速系统时主要有设计电子差速策略和控制轮毂电机两部分。基于分配转速，建立了差速策略转向模型，依据汽车转角信号以及汽车的当前速度进一步科学地计算出了四个车轮的速度。在四轮毂电机电动汽车差速运动过程申，受到外界各种干扰以及各种参数的影响，汽车转向模型就有了很大不确定性。因此为了更好地研究，5就简化了转向模型，此模型的假设下车体是刚性的，而且车轮做的是纯滚动运动，后轴中心处的速度即为车速。忽略轮胎的侧偏特性和轮胎差异以及地面影响等。

总之，近几年在能源急剧短缺以及环境急剧恶化的背景下，电动汽车作为新兴一员，受到越来越多的关注。出现了轮毂式电动汽车而广受关注，它主要是由特殊的动力驱动系统——电子差速系统构成。电子差速系统有电机控制和电子差速策略两部分。希望通过本文对电动汽车永磁同步轮毂电机控制方法的研究，可以有利于电动汽车的发展，促进城市环境的改善。

参考文献

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