高集成度轿车用电机控制技术研究

　　膜电容具有介电常数较高、体积小、容量大、稳定性较好的特性，能够承受高的有效值电流，能承受两倍于额定电压的过压，能承受反向电压，能承受高峰值电流，拥有较长的使用寿命。与电解电容相比，实现相同的功能，其所需的容值要远远低于电解电容，可以大大减小系统的体积。

4 驱动电机的选型

　　由于新能源轿车频繁启动及加减速，低速大扭矩，高速高功率运行工况特点，对驱动电机技术要求总体归纳如下：

　　(1)满足电池能量利用最大化：要求高效率及宽效率区间特点，布置空间体积最优，重量轻量化的高密度要求;

　　(2)满足动力性能要求：需要高速宽调速性能，大启动转矩及强过载能力，快速转矩相应及高速高功率特定;

　　(3)满足整车舒适性、可靠性要求：电机转矩波动小、控制成熟、电机结构简单、可靠;

　　(4)满足成本要求：需要电机制造工艺简单，价格合理。

　　国内永磁同步电机技术不断发展，中国稀土资源也相对丰富，永磁同步电机满足新能源轿车技术需求的全部要求：具有高效、高功率密度、高转矩密度、控制成熟、具有较宽效率区间和调速性能等技术特点，相对于直流电机结构简单、可靠、制造工艺成熟、工艺简单、成本适中。

　　本文描述驱动电机基于以上特点，采用永磁同步电机方案，基于成熟车型电机V型磁钢冲片平台进行扩容设计，具有技术平台成熟，成本控制能力强等特点。

5 控制器接口电路

　　永磁同步电动机控制器有两个接口电路(完全相同)，使用23PIN的AMP接插件与整车及电机相连，提供控制电源、CAN通信、RS232下载等功能。

　　RS232接口电路，如图4所示。

6 电磁兼容性设计

　　控制器EMC设计主要从强电、弱点、结构三部分开展工作。

6.1 强电部分

　　(1)电机三相动力电缆采用屏蔽电缆，电机和控制器两端接地屏蔽;

　　(2)正负母线与机壳见加Y电容，消除共模干扰，正负母线加X电容消除差模干扰;

　　(3)正负采用叠层母排，降低线路寄生电感。

6.2 弱电部分

　　(1)电源输入/输出增加滤波电路;

　　(2)开关电源变压器设计尽量减小分部电容;

　　(3)所有输入/输出信号增加滤波电路;

　　(4)CAN通讯采用隔离电路，采用典型CAN接口电路，并使用双绞线。

6.3 结构部分

　　(1)箱体采用封闭式，对控制器进行整体屏蔽;

　　(2)控制器内部强弱电路分开布置，避免相互干扰;

　　(3)优化线束布置，避免交叉造成相互干扰。

7 永磁同步电机控制技术

　　对于转子磁钢内嵌式永磁同步电机控制，基速以下采用最大转矩/电流比控制，基速以上采用恒功率弱磁控制，如图5所示。

　　图5中交流永磁电机最佳电流矢量控制策略的基本思想如下：

　　(1)区间ω≤ω₁时，定子电流矢量规定在A₁点，电机采用最大转矩/电流比控制，电机以最大恒转矩运行。此时，定子电流满足：|i_s| =i_lim， i_lim为电流极限圆半径;定子电压满足：|μ|≤μ_lim，μ_lim为定子相电压极限值;

　　(2)区间ω₁<ω≤ω₂时，电机转速升高使得电机定子电流矢量从A₁移动到A₂点，A₂对应电压达到极限时电机能够运行于最大输出功率的最低转速点，电机实现弱磁控制。此时， |i_s| =i_lim， |μ|≤μ_lim;

　　(3)区间ω>ω₂时，电流矢量沿着最大功率轨迹从A₂移动至A₃点，此时转速为理想的极限转速。此时，|i_s| =i_lim， |μ|≤μ_lim 。

　　由上述分析可以看出，定子电流最佳控制过程中，电机处于驱动工况下的的定子电流运行轨迹为OA₁A₂A₂。

　　基于电压前馈的永磁同步电机矢量控制基本框图如图6所示。

　　图6中，给定电机的输入电流，由最大转矩-电流控制策略给出d、q轴电流，同时与弱磁电流进行运算产生给定的d、q轴给定电流。给定的电流与反馈的电流比较，经过PI调节器的作用产生给出的d，q轴电压经过变换产生电机的三相电压对电机进行控制。由于采用了转子磁场定向的矢量控制，可直接实现电机的转矩，实现四象限的运行。电流控制策略依照不同输入转矩需求和当前转速状态，按照图6所示的交流永磁电机电流最优控制方法，计算得到各个转速和转矩需求下的id和iq电流值，并作为指令值控制实际输出电流。

　　当车载动力电池电压随着负载、SoC状态发生变化时，Udc发生变化，电压控制量Us1w随着变化，通过电压闭环调解，使得电机输出能力随着电压变化而改变。基于直流母线电压可变得永磁电机控制以交流电压输出恒定为控制目标，使得电机在弱磁运行情况下输出电压恒定，充分发挥电机输出能力。Us1w经与实际电机电压的比较，通过PI调节输出电流补偿量，补偿电流控制策略中的id电流。

8 总结

　　本文对驱动电机系统进行研究开发，确定驱动控制原理图，通过分析其控制器组成及功能分析，确定控制器关键部件的选型。交流永磁电机电流最优控制方法，计算得到各个转速和转矩需求下的id和iq电流值，并作为指令值控制实际输出电流，设计方法合理，已搭载整车应用，性能可靠。

参考文献：

　　[1] 付华,冯爱伟,徐耀松,孟宪敬. 基于自适应PID控制器的异步电机矢量控制[J]. 辽宁工程技术大学学报. 2006(01)

　　[2] 许峻峰,冯江华,许建平. 永磁同步电动机控制策略综述[J]. 机车电传动. 2005(03)

　　[3] 暨绵浩,曾岳南,曾建安,李长兵. 永磁同步电动机及其调速系统综述和展望[J]. 电气时代. 2005(05)

　　[4] 祝龙记. 基于空间矢量PWM的新型直接转矩控制系统[J]. 电气传动. 2005(04)

　　[5] 王立欣,王宇野,王丰欣. 基于DSP的电动车用永磁同步电机的控制方法[J]. 电机与控制学报. 2005(01)