汽车工程 ２０１３年（第３５卷）第５期 Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１３（Ｖｏ１．３５）Ｎｏ．５ ２０１３０７９ 电动汽车用永磁同步电机驱动 系统控制策略比较研究冰 李耀华，马建，刘晶郁，余强 （长安大学汽车学院，西安７１ＯＯ６４） ［摘要］基于Ｈｏｎｄａ Ｃｉｖｉｃ ０６Ｍｙ Ｈｙｂｒｉｄ混合动力电动汽车用永磁同步电机驱动系统，对矢量控制、直接转矩控 制和基于电压矢量选择策略的直接转矩控制３种技术进行实验对比。结果表明，与其余两种控制技术相比，基于电 压矢量选择策略的直接转矩控制技术可显著减少电流谐波含量，大大减小转矩脉动，且开关频率恒定，是电动汽车 用永磁同步电机驱动系统一种理想的控制策略。 关键词：电动汽车；永磁同步电机；矢量控制；直接转矩控制；电压矢量选择策略 Ａ Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｏｆ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅｓ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ Ｌｉ Ｙａｏｈｕａ，Ｍａ Ｊｉａｎ，Ｌｉｕ Ｊｉｎｇｙｕ＆Ｙｕ Ｑｉａｎｇ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅ，Ｃｈａｎｇ￣ｎ Ｕｎ＆ｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｎ ７１００６４ ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ Ａ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｉ．ｅ．ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ （ＤＴＣ）ａｎｄ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ＤＴＣ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｏｌｔａｇｅ ｖｅｃｔｏｒ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏ— ｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）ｄｒｉｖｅ ｕｓｅｄ ｉｎ Ｈｏｎｄａ Ｃｉｖｉｃ ０６Ｍｙ Ｈｙｂｒｉｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ｔｗｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｔｈｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ＤＴＣ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｏｈａｇｅ ｖｅｃｔｏｒ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｃａｎ ｍａｒｋｅｄｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｓｔａｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ ｗｉｔｈ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ａｎｄ ＳＯ ｉｓ ａｎ ｉｄｅａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ＰＭＳＭ ｄｒｉｖｅ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｖｅｈｉｃｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＥＶ；ＰＭＳＭ；ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｄｉｒｅｃｔ ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｖｏｌｔａｇｅ ｖｅｃｔｏｒ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ 合用于电动汽车电机驱动系统，并得到了广泛应 日ｌＪ吾 用 。 ． 目前电动汽车用永磁同步电机驱动系统普遍采 随着石油危机和空气污染问题的日益严重，电 用矢量控制技术和直接转矩控制技术 卜“Ｊ。矢量控 动汽车的研究和开发引起了世界各国的高度关 制基于转子磁场定向，实现定子电流中励磁分量与 注 １ Ｊ。电动汽车用电机驱动系统是电动汽车的关 转矩分量的解耦，将交流电机控制等效于直流电机 键技术，决定着电动汽车整车性能的优劣。受车辆 控制。直接转矩控制技术基于定子磁场定向，动态 空间和使用条件的约束，电动汽车用电机要求 响应好，结构简单，易于实现，鲁棒性强；但存在转矩 电机具有高功率密度、高转矩密度、高效率、宽调速 脉动大的问题，特别是因开关表失效引起的不合理 范围、低转矩脉动和低噪声等特性。与直流电机、感 转矩脉动。另外，其开关频率不恒定，也使功率器件 应电机和开关磁阻电机等相比，永磁同步电机更适 容量无法得到充分利用¨ 。文献［１４］一文献 国家自然科学基金青年项目（５１２０７０１２）、中国博士后科学基金项目（２０１２Ｔ５０７３２）、中国博士后科学基金特别项目 （２０１１０４９１６３６）、高校基本科研业务费专项资金、长安大学基础研究支持计划专项基金和“交通新能源开发、应用与 汽车节能”陕西省重点实验室开放基金项目（ＣＨＤ２０１３ＪＣ１３６）资助。 原稿收到日期为２０１２年９月１８日，修改稿收到日期为２０１２年１１月２日。 汽车工程 ２０１３年（第３５卷）第５期 ［１６］中根据电压矢量对定子磁链幅值、转矩角和转 矩的作用，提出了基于电压矢量选择策略的直接转 式中：艿为定转子磁链的夹角，即转矩角； 为定子 磁链幅值。 电机转矩方程表明，如果定子磁链幅值保持恒 定，则永磁同步电机转矩由转矩角决定。直接转矩 控制的基本思想是保持定子磁链幅值不变，通过改 变转矩角实现对电机转矩的控制。 永磁同步电机直接转矩控制系统根据磁链和转 矩比较器输出以及定子磁链扇区，通过开关表选择 适当的电压矢量，控制系统框图如图２所示。图中 矩控制技术，它使用优化电压矢量选择策略取代开 关表来确定施加电压矢量，从而减小不合理的转矩 脉动，同时采用空间矢量调制技术合成施加电压矢 量，从而固定开关频率。 本文中基于Ｈｏｎｄａ Ｃｉｖｉｃ ０６Ｍｙ Ｈｙｂｒｉｄ混合动力 电动汽车用永磁同步电机驱动系统，对以上３种控 制策略进行实验对比，为电动汽车用永磁同步电机 驱动系统控制策略的选择提供了理论依据。 １ 矢量控制 在转子磁链旋转由坐标系下，永磁同步电机转 矩为 ｎ ＝ ［ ｉ ＋（ 一 ） ］ （１） 式中： 为电机转矩；ｐ为电机极对数； 为永磁体 磁链； 分别为ｄ轴和ｇ轴电感；ｉ 分别为ｄ 轴和ｑ轴电流分量。由式（１）可知，如果ｄ轴励磁电 流分量恒定，则永磁同步电机转矩与ｑ轴转矩电流 分量成正比。 永磁同步电机矢量控制系统见图１。图１中 为电机角速度， 为转子角位置，ｔ’ａ 为三相定子电，ｂ，ｃ 流，上标 表示参考值，ｓ小ｓ 和．ｓ 为逆变器三相开 关信号。图１表明，矢量控制系统根据实际的三相 定子电流与三相定子电流参考值的差值，采用滞环 电流比较控制得到逆变器三相开关控制信号。 图１ 永磁同步电机矢量控制框图 ２直接转矩控制 在定子磁链坐标系下，永磁同步电机转矩为 ＝ ＾ｓｉｎ６ ）ｓｉ （２） 和 分别为磁链和转矩控制信号， ～０ 为定子 磁链扇区信号。 ’．｛Ｉ ．．．．．．．．．．．．．．．．－＿Ｊ 开 关 表 。 图２永磁同步电机直接转矩控制系统框图 直接转矩控制开关表如表１所示，表中的’， ～ 为逆变器输出电压矢量。 表１ 永磁同步电机直接转矩控制开关表 击 下 ｏ１ ｏ３ ５ ｏ６ １ １ １ Ｏ １ ｌ １ ０ ｙ１ ３ 电压矢量选择策略 直接转矩控制本质上是滞环控制，开关表作为 滞环控制规律，对控制效果起关键作用。但研究表 明，开关表无法始终满足转矩控制的要求，并不是最 优的电压矢量选择方案。根据施加电压矢量对定子 磁链幅值、转矩角和转矩的作用，可得到优化的电压 矢量选择策略，有效抑制转矩脉动。 研究表明，当施加电压矢量与定子磁链夹角位 于（一９０。，９０。）之间时，电压矢量增加定子磁链幅 值；当夹角位于（９０。，２７０。）之间时，电压矢量减小定 子磁链幅值；当夹角位于（０。，１８０。）之间时，电压矢 量增加转矩角；当夹角位于（１８０。，３６０。）之间时，电 压矢量减小转矩角。
