电动汽车驱动电机控制策略的分析与研究*

何 琨 ，张 斌

（黄冈职业技术学院交通学院，湖北 黄冈 438002）

0 引言

近年来，随着世界经济的发展，对快速高效运输的需求也在增长，对汽车的需求也不例外，然而这也导致了石油消费的增加，这种情况被认为对环境不利。因此，人们转向使用替代能源的车辆。这种电动或油电混合动力汽车现在已成为人们日常生活的一部分（Anderson 等，2010）[1]。然而，关于这些车辆以及它们如何操作，还有更多内容需要了解，特别是关于汽车的知识。

在电动和油电混合动力汽车等新能源汽车中，正是电机将车辆电池中存储的电能转化为机械能，使车辆能够实际移动（Abu-Ghazal 等，2019）[2]。除此之外，电机还有助于将车辆制动时产生的机械能转换为电能，然后将电能储存回电池中。换句话说，电机也是电池充电系统的一部分。这些电机包括感应电机、直流电机和永磁同步电机。基于它们的控制器和其中使用的算法，这些电机在性能和效率方面各有优缺点。拟议的研究应着眼于这些与新能源汽车相关的电机及其性能，以确定新能源汽车的最佳电机控制方案。

1 问题陈述

当涉及电机控制时，内燃机车和电动内燃机车之间存在某些基本差异。与向系统提供恒定负载的内燃机不同，电机仅提供按需功率，这使得电机可以避开向系统引入恒定负载的需要[3]。电动机控制性能和速度的方式是通过改变施加的电压和电流。然而，这种方法的低效性通常导致其无法提供足够的扭矩，然而扭矩和速度控制对于确保电机在足够的时间内保持其性能至关重要，可以提高可靠性并防止电机损坏（Quintero-Manríquez等，2021）[4]。

此外，在纯电动汽车方面，电机是唯一的动力来源。与工业电机相比，电动汽车中的电机驱动系统面临许多挑战，如宽速度控制范围、降低车辆整备重量的高扭矩/功率密度、可预测的驱动循环动态运行、确保车辆即使在主要部件发生故障后仍能运行的强大跛行回家功能以及终身保障等（Cai 等，2011）[5]。为了加强控制，设计工程师利用电子开关自动降低电流和电压。然而，这种方法仍然受到动态（过渡）损耗和通断周期静态电阻损耗的影响。因此，当涉及交换机时，面临的挑战是如何降低此类损失（Chau，2014）[6]。

2 汽车驱动电机类型

2.1 直流电机

早在19 世纪，直流电机就成为电动汽车的主要部件，这主要是因为这些电机的调节简单。然而，随着时间的推移，这些电机变得不适合当今技术先进的替代能源汽车。现在，它们只能在低速电动汽车中找到（Cai等，2021）[7]。

2.2 感应电机

在感应电机（IM）中，交流电（AC）通过电磁感应过程到达旋转装置。因为感应电机转子的结构似鼠笼，因此其也被称为鼠笼电机。电力直接在旋转装置内感应（Sampathkumar 等，2019）[8]，这与直流电机不同，在直流电机中，电力通过直流直接输送。感应电机有多种用途，在各个领域都有应用，尤其是在工业驱动领域（Choudhary等，2019）[9]。

2.3 开关磁阻电机

与感应电机类似，开关磁阻电机非常简单，它们没有线圈，其功率主要通过铁制成的转子产生，该转子只有突出的磁极。有一系列开关有助于形成旋转场，从而使转子磁极磁化。由此产生的吸引力使转子保持运动（Cai 等，2021）[7]。这种电机效率高，易于控制。然而，由于扭矩波动、噪声和振动，它们不用于新能源汽车中。

2.4 同步磁阻电机

与开关磁阻电机不同，这种电机具有绕组，转子为圆柱形，但由各向异性磁性结构复合（Cai 等，2021）[7]。对于这类电机，控制它们的速度和扭矩是完全可能的。此外，在某些应用中，可以节省大量能源，如泵和风扇（Heidari等，2021）[10]。

2.5 永磁电机

近年来，在永磁电机方面取得了重大进展，已经开发出不仅可以节约成本效益而且具有大能量密度的合金。这些在实现效率以及开发轻便紧凑的电机方面发挥了重要作用（Cai 等，2021）[7]。在这些类型的电机中，永磁体通常位于转子中，并且基于位置，它根据线圈产生的磁场旋转，这使得速度控制成为可能。

3 电机控制技术

3.1 恒压/频率比（V/F）控制

恒定电压/频率比控制，也被称为恒定磁通控制，可以通过确保每个频率的定子电压保持不变来实现恒定磁通（Tu 等，2017）[11]。在电机以较低速度运行的情况下，T 轴电流保持电机系统稳定。恒定速度/频率控制是调节感应电机速度的常用技术，它简单、有效，并且对参数变化具有高鲁棒性（Cai 等，2021）[7]。

3.2 磁场定向控制（FOC）

磁场定向控制技术是20 世纪发展起来的。本质上，定子的功率被移除并连接到扭矩发生器。由特定系统磁化，提供稳定的转子磁通量（Tu 等，2017）[11]。磁场定向控制是非常动态的，因为扭矩波动很小，其速度范围非常大，启动非常平稳，这对于在激烈工作环境中使用的机械来说是非常好的（Cai等，2021）[7]。开发这种类型的电机控制技术，为机器在不同类型的条件下做出相应响应奠定了基础。

3.3 直接转矩控制

直接转矩控制不同于磁场定向控制，因为它没有回路，并且不需要按顺序转换坐标来控制性能（Cai等，2021）[7]。直接转矩控制结构简单，响应迅速，对参数变化反应不强，动态响应快，对参数扰动的灵敏度低，用途广泛，非常适合需要快速响应和广泛速度调节的情况（Wu 等，2020）[12]。然而，它并非没有缺点。例如，它需要较高的采样频率，并且在相对较低的速度下，电流和转矩都会产生涟漪效应（Cai 等，2021）[7]。

4 电机控制算法

4.1 比例积分微分（PID）控制

比例积分微分（PID）控制方法在大多数研究中非常普遍，并且在大多数电机和电机控制技术中也普遍使用。这主要是由于其结构简单，能够适应参数变化，可靠性高（Cai 等，2021）[7]。虽然该算法适用于线性和固定的对象，但它不适合参数不断变化和复杂交互的电机（Fan 等，2020）[13]。因此，比例积分微分控制算法需要与下面将描述的一些控制算法相结合，直流电机PID控制算法的方框流程图如图1 所示。

图1 直流电机PID控制算法的方框流程图

4.2 自适应控制

可与比例积分微分算法耦合的算法之一是自适应控制算法。该算法能够在线改变参数，使其在处理系统变化时具有通用性。该算法有相当多的导数，包括模型参考自适应控制。然而，重要的是，系统仅依赖于电机的精确模型，电机本身受电机参数波动的影响（Landau 等，2011）[14]，驱动电机自适应控制算法的方框流程图如图2所示。

图2 驱动电机自适应控制算法的方框流程图

4.3 模型预测控制

这种类型的控制算法在设计上过于简单，并且相当偏向于快速响应。其基本作用是在采样过程中的每个时刻解决最优控制问题。然而，与模型参考自适应控制一样，它也严重依赖于电机模型的参数，并且相当复杂（Mayne，2014）[15]，模型预测控制算法的方框流程图如图3所示。

图3 模型预测控制算法的方框流程图

4.4 模糊逻辑控制（FLC）

该算法的结构可能很简单，但非常可靠，并且在启动过程中几乎不影响电机。它的一个缺点是，它需要大量的专业知识和处理此类算法的丰富经验（Sharma 等，2014）[16]，模糊逻辑控制算法的方框流程图如图4所示。

图4 模糊逻辑控制算法的方框流程图

5 结论

1）确定电动汽车驱动电机的控制方案主要是按车型所需来选取最合适的驱动电机，采用最合适的电机控制技术和电机控制算法。由于永磁同步电机的高能效和三相异步电机（感应电动机）的运转平顺、易控制等优点，现今这两类电机被大量应用于电动汽车领域[17-18]。感应电机因价格低廉、控制技术成熟等方面的优势，在过去曾占车用驱动电机市场主导地位。永磁电机在控制技术上多采用磁场定向控制，一般配有转子位置传感器，也有利用反电动势识别转子位置的无传感器永磁同步电机（车用电机上很少使用）。近年来，随着永磁同步电机生产技术及其控制技术的进步和市场价格的降低，永磁同步电机逐渐成为当前车用驱动电机的主流。

2）近年来，学者们已经使用上述电机控制算法对电机性能效率进行了大量研究。例如，Abu-Ghazal和Jaber 比较了感应电机与内部永磁同步电机在新能源汽车中的使用，特别是使用FLC 算法的电动汽车；虽然结果显示了系统之间的相似性能，但也发现感应电机驱动的车辆模型比内部永磁同步电机驱动的模型具有相对更快的响应速度（Abu-Ghazal 等，2019）[2]。此外，与感应电机驱动相比，内部永磁同步电机在转矩方面具有显著更高的纹波，相较于感应电机，永磁同步电机对控制技术和控制算法上的选取提出了更高的要求。

3）在电机控制算法方面，有研究发现模糊逻辑控制算法比自适应控制算法更可靠和有效。模糊逻辑控制在响应速度方面具有零分支，在自适应控制的情况下，系统预期响应速度会出现下冲或过冲（超调）。当涉及模糊逻辑控制时，负载的增加引入了微小的稳态误差，系统可以跟踪的范围减小。自适应控制受参数变化的影响，这与模糊逻辑控制不同。然而，就设计和专业知识而言，自适应控制比模糊逻辑控制简单得多。综上，围绕电机控制的高效节能，为实现系统最优控制，应根据汽车运行工况要求采用多种电机控制技术和控制算法相结合的控制策略。