电动汽车驱动电机性能与控制

现在全球面临能源短缺、环境污染问题，电动汽车使用电力驱动，有助于这些问题的解决，发展前景广阔。目前，有多种类型电机，可用于电动汽车驱动，文中比较、分析了不同类型电机，介绍了其速度控制策略。

文献[1]介绍比较了感应电机与同步磁阻电机技术，提出同步磁阻电机技术更具优势的结论；文献[2]介绍了基于模糊控制方法，进行无刷直流电机电动汽车速度控制的实现方案；文献[3]介绍了永磁同步电机驱动的磁通弱化控制策略，可以更加高效、稳定地控制电机转速；文献[4]对集成转磁齿轮电机的控制进行介绍，这是一种新型电机，可高效地控制往复直线运动；文献[5]介绍了一种感应电机速度控制的方案，并进一步介绍了应用这种电机的电动汽车驱动系统设计。

1 驱动电机性能比较[1]

电机在全球减少能源消耗中，发挥着重要作用，因为它们所消耗的电力，约占世界电力使用总量的一半。降低电机的能量消耗，可以通过使用更高效的电机和通过变频器来实现，从而能够根据负载变化，进行电机的精确控制。

感应电机已经并且仍然是该行业中，占主导地位的电机技术，但市场上也有更有效的电机技术。在工业电机中，感应电机两种最重要的竞争技术，分别是永磁同步电机和同步磁阻电机。文中对感应电机和同步磁阻电机，进行了技术方面的比较。

表1 电驱动系统IES级别确定

当前，国际电工委员会（IEC）将国际效率（IE）定为四个等级：IE1-标准效率、IE2-效率高、IE3-超高效、IE4-超级效率和IE5-当前最高等级。证监会规定（EC）新的感应电机不得低于IE3能效水平。只有大中型感应电机（大于30KW）才可能达到IE5水平，而低功率的同步磁阻电机也可达到IE5的效率水平。

同步磁阻电机和感应电机都具有起动能力，但变频器会影响着电机效率。当前，对于变频器驱动的不同电机，性能比较还不够深入。文中对这两种类型电机性能，进行了比较研究（见文中表1）。得出了同步磁阻电机至少可在低至中等功率变速系统中，替代感应电机，进而可节约电能，降低能耗的结论。

2 驱动电机控制策略

2.1 电动汽车无刷直流电机速度控制 [2]

基于电流波形，永磁无刷电机可分为无刷交流电机（BLAC）和无刷直流电机（BLDC）。与BLAC和异步电机等相比，BLDC有着高效率、高功率因数、无噪音、紧凑、可靠、低维护等优点，在电力牵引、飞机、军事装备、工业自动化设备等行业得到了迅速的普及。模糊逻辑在机械控制中应用广泛，包括电机控制。

“模糊”一词指的是所涉及的逻辑，可以处理不能仅仅表示为“真”或“假”的概念，而是“部分真实”。模糊逻辑是一种基于“真度”而不是通常的“真”或“假”（1或0）布尔逻辑的计算方法。在现代计算机的基础上，模糊逻辑可以被认为是一种结合多值逻辑、概率论的数学理论。研究表明，模糊逻辑控制器（FLC）比经典PID等控制器，有更强的鲁棒性及更好的抗噪声能力。

文中采用FLC对无刷直流电机的速度进行控制（图1），可以控制电动汽车中的无刷直流电机，为其提供一种速度控制系统。采用模糊逻辑技术，对无刷直流电机在反电动势变化和固定条件下的速度进行估计。最后，利用基于速度和转子位置模糊估计的比例积分（PID）控制器来控制转速。

为了检验使用这种模糊逻辑和PID控制器结合的转速控制方法，汽车的速度响应和零稳态误差，文中利用MATLAB/SIMULINK软件对谐振逆变器供电的无刷直流电机驱动系统进行了仿真研究。

2.2 同步电机驱动的高效磁通弱化控制策略[3]

由于电池容量有限，汽车应用中的电机通常采用降低体积和质量的方法，来优化能效。由于永磁材料的优异性能、现代逆变器技术的进步，以及复杂的控制算法的发展，永磁同步电机广泛用于汽车领域。

图1 电驱动控制图

理想情况下，在永磁同步电机中，永磁材料在气隙产生磁通分布，会在定子绕组中产生正弦波形电压。在保持逆变器电压的弱磁区域中，已经提出了各种控制算法，以获得期望的转矩-速度性能。通过控制最佳直流母线电压、最大输入电压和额定转矩，电机会达到一个基本速度。

当超过这个速度时，感应电动势将超过最大施加电压，从而使电机的相电流不符合维持该速度的需求。为了克服这种情况，必须弱化气隙磁通，进而减小感应电动势。相互气隙磁链是转子磁链和定子磁链的乘积，这种磁通弱化控制的过程类似于在非永磁直流电机中进行磁通弱化。

文中设计了一种控制电路和控制策略（图2），可以弱化气隙磁通。仿真表明，该方法在恒转矩角区域，显著地控制了永磁同步电机的气隙磁通。为了在通量减弱期间实现电机系统的期望性能，减小转矩波动，需要保持气隙磁通做功功率恒定。将来，文中会进一步在实车环境中，对这一控制策略进行验证。

图2 PMSM 速度控制的系统控制图

2.3 电机传动中集成转磁齿轮电机的控制[4]

在各种各样的应用中，电机需要以相对低的速度和大扭矩驱动负载进行往复直线运动。目前实现这种负载驱动主要有两种解决方案。一种是使用高速旋转电机，通过机械装置将其旋转运动转化为直线运动，但是中间阶段一般会降低整体效率和可靠性，需要定期维护。

为了解决这些问题，一个解决方案是使用一个线性电机，直接连接到负载的全电动系统。第二种方案是集成转磁齿轮集成电机（MITROMAG）。MITRO⁃MAG是由旋转电机和磁齿轮转子装置（TROMAG）通过机械连接进行工作，可作直线往复运动。TROMAG是一种磁装置，通过磁场将其转子的低扭矩、高速旋转运动转变为低速直线运动，反之亦然。在电动运行模式下，TROMAG转子是由旋转电机驱动的，因此其转换器驱动往复荷载。

MITROMAG通过磁场，完成旋转运动到往复直线运动的转换，与可提供同样速度和力量的直驱永磁直线电机相比，MITROMAG重量更轻、结构更加紧凑、成本更低。在机器人、航空航天、海浪波能量转换和汽车悬架等方面，可发挥更大作用。

文中建立了TROMAG非线性动态模型，可以进行振荡试验，用来预测设备的动态行为。该模型首先用于预测转子和转子振荡测试中的齿轮行为，并通过实际试验，验证了模型结果的准确性。基于齿轮的动态模型，可进一步用于研究TROMAG、旋转电机和线性负载组成的传动系性能。

2.4 电动汽车感应电机控制系统设计[5]

直流电机可用于驱动汽车，但直流电机结构笨重，可靠性低、效率低、维护成本高。此外，无刷直流（BLDC）电动机和感应电动机（IM）也可用于电动汽车，但BLDC电机非常昂贵且机械强度低。另一方面，IM具有结构简单、成本低廉、维护工作量少、可靠性高、可在恶劣环境下运行的特点，因此适用于工业应用。

与直流电机相比，IM的速度控制非常复杂。IM的速度可以通过改变施加电压的频率来控制。变频驱动器（VFD）可以使用空间矢量脉宽调制（SVP⁃WM）和正弦脉宽调制（SPWM）技术来实现电压频率的控制。

文中提出了一种改进的电动汽车IM驱动系统设计方案（图3），其电驱动系统控制算法见图4。使用VFD来驱动使用电池组的三相感应电机。采用正弦脉宽调制（SPWM）技术用于实现VFD。为了使系统更高效，使用再生制动装置回收制动能量。另外，还使用太阳能电池板，用于辅助供能。

图3 电动汽车电驱动系统

图4 控制算法流程图

3 结束语

同步磁阻电机在低至中等功率变速系统中，可以替代感应电机，有节约电能效果。

本文介绍了FLC对无刷直流电机的速度进行控制，介绍了同步电机驱动的高效磁通弱化控制策略和集成转磁齿轮集成电机（MITROMAG）控制策略，最后总结了感应电机控制系统设计。

参考文献

[1]Karkkainen H,Aarniovuori L,Niemela M,et al.Technology comparison of induction motor and synchronous reluctance motor[C]//IECON 2017-,Conference of the IEEEIndustri⁃al Electronics Society.IEEE,2017:2207-2212.

[2]MV Rajkumar,G Ranjhitha.Fuzzy based Speed Control of Brushless DCMotor fed Electric Vehicle[J].IJISSET,2017,3(3).

[3]Sain C,Padmanaban S,Banerjee A,et al.An efficient flux weakening control strategy of a speed controlled permanent magnet synchronous motor drive for light electric vehicle ap⁃plications[C]//Calcutta Conference.IEEE,2018.

[4]Pakdelian S,Moosavi M,Hussain H A,et al.Control of an Electric Machine Integrated With the Trans-Rotary Magnet⁃ic Gear in a Motor Drive Train[J].IEEE Transactions on In⁃dustry Applications,2017,53(1):106-114.

[5]Shafiq S,Aslam M A,Khalid M,et al.Implementation of electric drive system using induction motor for traction ap⁃plications[C]//International Conference on Clean Electrical Power.2017:673-677.