高集成度轎車用電機控制技術研究

　　膜電容具有介電常數較高、體積小、容量大、穩定性較好的特性，能夠承受高的有效值電流，能承受兩倍于額定電壓的過壓，能承受反向電壓，能承受高峰值電流，擁有較長的使用壽命。與電解電容相比，實現相同的功能，其所需的容值要遠遠低于電解電容，可以大大減小系統的體積。

4 驅動電機的選型

　　由于新能源轎車頻繁啟動及加減速，低速大扭矩，高速高功率運行工況特點，對驅動電機技術要求總體歸納如下：

　　(1)滿足電池能量利用最大化：要求高效率及寬效率區間特點，布置空間體積最優，重量輕量化的高密度要求;

　　(2)滿足動力性能要求：需要高速寬調速性能，大啟動轉矩及強過載能力，快速轉矩相應及高速高功率特定;

　　(3)滿足整車舒適性、可靠性要求：電機轉矩波動小、控制成熟、電機結構簡單、可靠;

　　(4)滿足成本要求：需要電機制造工藝簡單，價格合理。

　　國內永磁同步電機技術不斷發展，中國稀土資源也相對豐富，永磁同步電機滿足新能源轎車技術需求的全部要求：具有高效、高功率密度、高轉矩密度、控制成熟、具有較寬效率區間和調速性能等技術特點，相對于直流電機結構簡單、可靠、制造工藝成熟、工藝簡單、成本適中。

　　本文描述驅動電機基于以上特點，采用永磁同步電機方案，基于成熟車型電機V型磁鋼沖片平臺進行擴容設計，具有技術平臺成熟，成本控制能力強等特點。

5 控制器接口電路

　　永磁同步電動機控制器有兩個接口電路(完全相同)，使用23PIN的AMP接插件與整車及電機相連，提供控制電源、CAN通信、RS232下載等功能。

　　RS232接口電路，如圖4所示。

6 電磁兼容性設計

　　控制器EMC設計主要從強電、弱點、結構三部分開展工作。

6.1 強電部分

　　(1)電機三相動力電纜采用屏蔽電纜，電機和控制器兩端接地屏蔽;

　　(2)正負母線與機殼見加Y電容，消除共模干擾，正負母線加X電容消除差模干擾;

　　(3)正負采用疊層母排，降低線路寄生電感。

6.2 弱電部分

　　(1)電源輸入/輸出增加濾波電路;

　　(2)開關電源變壓器設計盡量減小分部電容;

　　(3)所有輸入/輸出信號增加濾波電路;

　　(4)CAN通訊采用隔離電路，采用典型CAN接口電路，并使用雙絞線。

6.3 結構部分

　　(1)箱體采用封閉式，對控制器進行整體屏蔽;

　　(2)控制器內部強弱電路分開布置，避免相互干擾;

　　(3)優化線束布置，避免交叉造成相互干擾。

7 永磁同步電機控制技術

　　對于轉子磁鋼內嵌式永磁同步電機控制，基速以下采用最大轉矩/電流比控制，基速以上采用恒功率弱磁控制，如圖5所示。

　　圖5中交流永磁電機最佳電流矢量控制策略的基本思想如下：

　　(1)區間ω≤ω₁時，定子電流矢量規定在A₁點，電機采用最大轉矩/電流比控制，電機以最大恒轉矩運行。此時，定子電流滿足：|i_s| =i_lim， i_lim為電流極限圓半徑;定子電壓滿足：|μ|≤μ_lim，μ_lim為定子相電壓極限值;

　　(2)區間ω₁<ω≤ω₂時，電機轉速升高使得電機定子電流矢量從A₁移動到A₂點，A₂對應電壓達到極限時電機能夠運行于最大輸出功率的最低轉速點，電機實現弱磁控制。此時， |i_s| =i_lim， |μ|≤μ_lim;

　　(3)區間ω>ω₂時，電流矢量沿著最大功率軌跡從A₂移動至A₃點，此時轉速為理想的極限轉速。此時，|i_s| =i_lim， |μ|≤μ_lim 。

　　由上述分析可以看出，定子電流最佳控制過程中，電機處于驅動工況下的的定子電流運行軌跡為OA₁A₂A₂。

　　基于電壓前饋的永磁同步電機矢量控制基本框圖如圖6所示。

　　圖6中，給定電機的輸入電流，由最大轉矩-電流控制策略給出d、q軸電流，同時與弱磁電流進行運算產生給定的d、q軸給定電流。給定的電流與反饋的電流比較，經過PI調節器的作用產生給出的d，q軸電壓經過變換產生電機的三相電壓對電機進行控制。由于采用了轉子磁場定向的矢量控制，可直接實現電機的轉矩，實現四象限的運行。電流控制策略依照不同輸入轉矩需求和當前轉速狀態，按照圖6所示的交流永磁電機電流最優控制方法，計算得到各個轉速和轉矩需求下的id和iq電流值，并作為指令值控制實際輸出電流。

　　當車載動力電池電壓隨著負載、SoC狀態發生變化時，Udc發生變化，電壓控制量Us1w隨著變化，通過電壓閉環調解，使得電機輸出能力隨著電壓變化而改變。基于直流母線電壓可變得永磁電機控制以交流電壓輸出恒定為控制目標，使得電機在弱磁運行情況下輸出電壓恒定，充分發揮電機輸出能力。Us1w經與實際電機電壓的比較，通過PI調節輸出電流補償量，補償電流控制策略中的id電流。

8 總結

　　本文對驅動電機系統進行研究開發，確定驅動控制原理圖，通過分析其控制器組成及功能分析，確定控制器關鍵部件的選型。交流永磁電機電流最優控制方法，計算得到各個轉速和轉矩需求下的id和iq電流值，并作為指令值控制實際輸出電流，設計方法合理，已搭載整車應用，性能可靠。

參考文獻：

　　[1] 付華,馮愛偉,徐耀松,孟憲敬. 基于自適應PID控制器的異步電機矢量控制[J]. 遼寧工程技術大學學報. 2006(01)

　　[2] 許峻峰,馮江華,許建平. 永磁同步電動機控制策略綜述[J]. 機車電傳動. 2005(03)

　　[3] 暨綿浩,曾岳南,曾建安,李長兵. 永磁同步電動機及其調速系統綜述和展望[J]. 電氣時代. 2005(05)

　　[4] 祝龍記. 基于空間矢量PWM的新型直接轉矩控制系統[J]. 電氣傳動. 2005(04)

　　[5] 王立欣,王宇野,王豐欣. 基于DSP的電動車用永磁同步電機的控制方法[J]. 電機與控制學報. 2005(01)