纯电动汽车永磁同步电机控制技术研究

丁学凤

（1.贵州大学机械工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州工程应用技术学院机械工程学院，贵州 毕节 551700）

和传统汽车比起来，纯电力汽车往往是利用驱动电机、调速控制器、动力电池以及车载充电等模块予以驱动，其速度快慢、启动效率都取决于驱动机的实际性能。因为过去的电机控制技术表现出能耗较高、性能较差且扭矩低的缺陷，积极推广应用新型电机控制技术能够有效促进其运行效率的提升，进而提高纯电动汽车的性能，对于促进新能源汽车发展意义重大。

1 纯电动汽车电机驱动系统分类

电机驱动系统可以说是电动汽车核心部位，其实现功能基于人工控制，把车载蓄电池蕴含的电能转变为车辆动能，现阶段纯电动汽车电机驱动系统的类型包括：直流电机、交流感应电机、开关磁阻电机和永磁同步电机驱动等几种不同类型。

首先是直流电机驱动。它是最早应用的电机驱动系统类型，因为该系统涉及到的相关技术目前已经相对成熟，因此该系统也表现出成本低、控制器构造简单、性能良好的优势，同时因为直流电机驱动系统在启动时转矩较高，调速范围更宽，现阶段市场中大部分电动汽车都是选择直流电机控制驱动。

其次是交流感应电机驱动。它又可以称异步电机，近年来电子技术飞速发展，交流感应电机驱动系统也开始进入到越来越多新能源汽车企业的视野中，同时交流感应电机驱动系统调速性能技术不断突破瓶颈，让它逐渐成为现阶段工业领域中得以普遍应用的电机。但需要认识到的一点是，异步电机系统相对来说更加复杂，相关技术还有待深入研究，这也是该系统在实际研发应用过程中的制约因素。

再次是开关磁阻电机驱动。该电机的核心在于SRM（开关磁阻），不管电机设计构造，亦或是工作原理，SRM都表现出独有的特征，但此类驱动系统实际运行过程中存在噪音较大、结构复杂等缺陷，和上述两种电机驱动系统比起来，它的突出优势是调速范围更宽且运行稳定性更高。因为该电机在速度调控范围上具备显著优势，它的未来发展和应用前景也受到了更多新能源汽车厂商的认可。

最后是永磁同步电机驱动。该型电机驱动系统表现出空间小、功率密度高和运行效率高的突出优势，近年来受到了很多研发厂商的关注。但该驱动系统的缺点也较为显著，比如说电流损耗更大、长时间运行之后可能存在退磁现象、运行过程中噪声较大等。目前西方国家针对永磁同步电机进行的技术研发工作更加全面深入，相关技术也较为成熟，国内还存在明显差距，但在国家政府相关部门积极推广支持的背景下，新型永磁材料研发和无传感器技术的日益更新，类似于稀土永磁同步电机也进入到我们的视野中。

2 永磁同步电机（PMSM）的优势分析

对永磁同步电机而言，其磁通材料为永久磁铁，磁通方向代表d轴，和d轴相互垂直的方向为q轴，当q轴存在电流经过后能够符合左手定则要求，此电流即属于q轴电流。相对于感应电机而言，除开q轴电流，为确保拥有充足的磁通，d轴方向也应当存在电流经过，而此电流则属于d轴电流，因而能够了解到，永磁电动机仅仅需要更少的电流即可达到运行所需扭矩，有效降低了运行损耗。而运行效率更高的电机驱动系统是目前电动车研发生产中受到更多关注的，基于实际结构而言，永磁电动机表现出如下两方面的特征：首先，转子永磁体能够选择内置模式；其次，能够进行多极设计。

从图1能够看出永磁电动机的具体转子结构。过去很长一段时间以来，转子上的永磁体都是选择表贴式结构，而近年来所研发的新型永磁电机往往选择内置结构。其理由有两点：和表贴式结构比起来，内置式结构能够有效避免高速旋转状态下永磁体散落的现象；所以在对电动机予以设计的过程中，转子转速一般选择超过10000r/min，同时配置永磁体的磁路内具有气隙，永磁体形成磁通的d轴和q轴方向的自感存在较大差异。换句话说，如果存在d轴电流以及q轴电流的情况下，必然会形成磁阻转矩。若可以把和磁通垂直的q轴电流形成的电磁转矩和磁阻转矩予以合成，即能够有效提高电动机最大转矩。简言之，对要求的最大转矩选择合理的转子结构，能够有效降低电动机所占空间。

永磁同步电动机形成转矩的过程能够借助如公式（1）来说明，第1项是永磁体磁通Φa和q轴电流iq所形成的电磁转矩；第2项是由于凸极产生的磁阻转矩，具体大小和d轴以及q轴自感差之间表现出正比关系。

式中：Pn——极对数；Φa——电枢交链的永磁体产生的磁通；Ld、Lq——d、q轴的自感。

图1 内置式永磁电动机转子结构

3 纯电动汽车用永磁电机控制基础

3.1 永磁电动机的转矩控制

永磁电动机的基本结构如图2所示。一般来说，电动汽车控制系统是依据加速踏板和制动器所发出的指令来完成相关操作的。从本质上来说属于电流控制系统，从而确保存在类似转矩指令电流顺利通过。换句话说，借助于调整d轴磁通来实现d轴电流的有效控制，也能够采用同样的方法来对q轴电流予以控制，两种电流属于独立控制，可适用于矢量控制方法。

基于图2能够了解到，转矩指令运算模块根据电动汽车加速踏板以及制动器所发出的相关指令，结合电动机速度ω可以获得转矩指令τ*，最佳电流指令运算模块按照转矩指令τ*和电动机速度ω能够获得更高效的q轴电流指令iq*、d轴电流指令id*。上文提及，电磁转矩和q轴电流iq之间属于正比关系，然而由于磁阻转矩和d轴电流id、q轴电流iq之间也属于正比关系，所以永磁电动机虽然存在相同转矩τ，依旧能够对d轴电流id及q轴电流iq比例予以控制。d/q轴电流控制模块的主要工作是输出d轴电压指令ud*、q轴电压指令uq*，从而让d轴电流id、q轴电流iq可以顺利达到指令值的标准。同时，停顿时间补偿模块对逆变器开、关停顿所产生的电压误差实施补偿。这样所形成的三相交流电压指令值Uu、Uv、Uw在PWM信号发生器中变更为符合逆变器动作要求的信号，最终将信号进行输出。这便是永磁电动机的具体控制流程，且着重针对矢量控制。

图2 纯电动汽车永磁电机控制系统的构成

3.2 最佳电流指令确定方法

对此项来说，d轴电流指令i*d以及q轴电流指令i*q应当符合如下要求：①为确保其反电动势保持在蓄电池电压逆变器最大输出电压值之下，当电动机速度ω相对较大的情况下，即反电动势较大的情况（图3），应当借助于d轴电流id进行弱磁控制。对于图3a来说，永磁体磁通Φ的方向，即d轴正方向，确保id维持反方向（d轴负方向），在这样的情况下，图3b为电压矢量图，弱磁控制状态下电压矢量U不超过不存在该状态时的电压矢量U0，从而能够看出，把反电动势维持在最大输出电压之内。

图3 弱磁控制时的电流、电压矢量

上文中提及，永磁电动机的突出特征在于能够应用磁阻转矩，对于上述公式（1）来说，右边第2项指的是磁阻转矩；在选择图1的结构转子情况下，d轴电感量Lw以及q轴电感量Lq的公式Ld

4 结语

总而言之，对于纯电动汽车来说，电机控制技术属于其核心技术，也是当前研究的重要方向，未来电机控制系统必然会朝着体积更小、质量更轻的趋势发展，电机驱动性能和运行性能将进一步提高。作为纯电动汽车的核心部件，如何研发设计出更好的电机驱动系统，积极推进电机控制技术的突破创新，这是纯电动汽车进一步发展的关键所在。相信未来电机控制技术的不断发展，新能源汽车必然能够得以更加广泛地应用和发展。