浅析新能源汽车电机驱动系统

浅析新能源汽车电机驱动系统

温俊彪

（本田汽车零部件制造有限公司广东省佛山市528237）

摘要：电机驱动控制系统作为新能源汽车的心脏，为车辆的行驶提供了全部驱动力，保证了车辆行驶过程中的动力性和平顺性，其作用相当于传统汽车的发动机，直接影响整车的性能。因此，电机驱动控制系统作为新能源汽车发展的关键技术之一，对其进行深入研究具有十分重大的意义。

关键词：新能源；汽车；电机驱动

1.新能源汽车电机驱动系统的研究

1.1新能源汽车驱动电机的选用

驱动电机作为新能源汽车动力系统的核心部件，能够将电源的电能转化为机械能，从而直接驱动车轮和工作装置，或者通过传动装置驱动车轮和工作装置。新能源汽车的整体性能直接受电机性能好坏的影响，根据其使用环境和条件，需要驱动电机具有过载能力强、功率密度大、重量轻、尺寸小、可靠性高和成本低等特点。新能源汽车适用的驱动电机有无刷直流电机（BLDCM）、直流电机（DCM）、永磁同步电机（PMSM）、开关磁阻电机（SRM）和交流感应电机（IM）等类型，（1）新能源汽车中最先得到应用的是直流电机，其最显著的优势是控制系统简单、控制性能好、起步加速牵引力大。随着电机控制技术以及电力电子技术的快速发展，交流感应电机、开关磁阻电机以及永磁同步电机与直流电机相比，具有更加优越的性能，更适用于新能源汽车，逐步取代了直流电机。（2）交流感应电机具有坚固耐用、成本低、低转矩脉动、运行可靠、低噪音和极限转速高等特点。与永磁同步电机相比，其重量大、发热量大、驱动控制成本偏高、效率和功率密度偏低。（3）开关磁阻电机具有成本低、驱动电路简单、在宽广的调速范围内效率较高、结构紧凑牢固等特点。与永磁同步电机相比，功率密度和效率偏低。（4）永磁同步电机不仅具有交流感应电机的优点，而且具有效率高、恒功率调速范围广，转矩密度/功率密度高等优势，广泛应用于新能源汽车行业，是今后新能源汽车的主要发展趋势。

1.2电机驱动控制器研究

随着电力电子技术的快速发展以及各种微处理器功能日趋强大，电机驱动控制系统正朝着智能化、数字化的方向发展。目前，电机调速大多采用电力晶体管（MOSFET、IGBT、BTR、GTO等）和集成了驱动、自检测、自保护功能的功率模块IPM。微处理器方面，DSP得到了广泛使用，DSP芯片的种类主要有TI公司的TMS320系列、AD公司的ADSP2100系列、Motorola公司的DSP56000系列和AT&T公司的DSP32系列。其中，性能比较突出的是TI公司的TMS320LF2xxxx系列DSP。数字化、集成化以及永磁化将会是新能源汽车电机驱动系统技术的主要发展趋势，随着科技的不断进步，硬件将会最大限度地被软件替代，除了能够完成所要求的控制功能外，还具有保护、故障监控、自诊断等其他功能。

2.新能源汽车电机控制策略及控制算法的研究

2.1控制策略研究

（1）直接转矩控制。直接转矩控制（DTC）不需要矢量控制里面的旋转坐标变换和转子磁链定向，转矩取代电流成为受控对象。通过电压矢量，其作为控制系统里唯一的输入，可直接控制转矩和磁链的增加或减小，具有受电机参数变化影响小和控制结构简单的特点，缺点是转矩脉动和磁链较大，同时，实现数字控制需要较高的采样频率。随着电机控制技术的不断发展，许多现代控制理论逐渐被应用于电机控制，例如，采用基于滑模控制的直接转矩控制策略可解决解决逆变器开关频率不恒定、磁链脉动较大等问题。由于在新能源汽车的实际运行过程中，直接转矩控制需要与复杂的运行工况相结合，因此，使得直接转矩控制较难应用到新能源汽车驱动控制系统中。（2）矢量控制。矢量控制是以转子磁链旋转空间矢量为参考坐标系，控制一个与磁链同向，代表定子电流励磁分量以及另一个正交于磁链方向，代表了定子电流转矩分量。矢量控制的特点是将对电磁转矩的控制转化为比较容易实现的电枢电流的控制，因而，十分广泛的应用于永磁同步电机驱动控制系统。①Id=0矢量控制只需控制定子电流的大小便可达到控制永磁同步电机的输出电磁转矩的目的；②最大转矩电流比控制的实质是求电流极值的问题，通过建立辅助方程，应用牛顿迭代法求解，但是在实际应用中，由于系统的实时性难以满足，因此，需要通过离线计算出不同的电磁转矩相对应的直轴电流值和交轴电流值，并将其以表的形式存放于DSP中，通过查询表中的数据，从而求得相对应的Id、Iq来进行控制。③弱磁控制是指随着电机转速的升高，当达到电机转速的额定值时，电机电压达到了逆变器输出的电压极限，如果想要继续升高转速，需要增加直轴去磁电流来达到弱磁升速的目的。

2.2控制算法研究

（1）自适应控制。经典自适应控制分为间接自适应控制和直接自适应控制，主要优点是控制随时间变化的系统与不确定性的系统时具有较高的可靠性，其缺点是不易推广，系统的性能受测量精度的影响较大。（2）神经网络控制。神经网络主要包括前馈神经网络、反馈神经网络、局部逼近神经网络和模糊神经网络。其中，BP网络属于前馈神经网络，广泛应用于电机控制系统，具有动态响应性能良好，电机参数变化对控制系统影响小的优点，但其网络结构复杂，样本获取训练难，理论和学习算法还有待于进一步完善和提高。（3）模糊控制。模糊控制的基本思想是将人类专家对特定对象的控制经验，运用模糊集理论进行量化，转化为可实现的控制器，采用模糊控制器来实现对系统的控制作用，具有响应快、无超调、鲁棒性强、转速波动小等优势，在电机控制中得到了广泛应用，但是其结构和控制度相对复杂，设计尚缺乏系统性。（4）滑模变结构控制。滑模变结构控制是一类特殊的非线性控制，其系统“结构”并不固定，与传统控制的根本区别在于控制的不连续性，根据系统当前的状态有目的地实时变化，以达到良好的控制效果。具有对扰动与参数不敏感、响应速度快等优点。

3.结语：

总之，经过近几年的不断发展，随着自身技术的日渐成熟，产品质量和性能的日益完善，车身设计、能源系统、电机驱动、系统优化和能源管理成为新能源汽车亟待解决的几项关键技术。目前，在新能源汽车研制和开发的过程中，电池、电机控制、整车设计以及能量管理等技术起到了非常重要的作用。

参考文献：

[1]王志福，张承宁等.电动汽车电驱动理论与设计[M].北京：机械工业出版社，2012

[2]黄志坚.电动汽车结构•原理•应用[M].北京：化学工业出版社，2014