简单分析车用永磁同步电机如何实现高速

电动汽车牵引电机的速度很高，经常到1万转以上，单靠电机实现高速是困难的，换个思路从控制出发，能够收获更多的效果。

1. 为什么要弱磁

如下图所示，同样的电机，无弱磁控制和带弱磁控制最高速度相差很大。好的弱磁控制甚至能够将转速提高到3倍以上，这就是控制算法的威力。

弱磁的基本原理


永磁同步电机在额定转速以下，可以做到恒转矩调速，当超过额定转速时，不像电励磁电机那样方便，只要减小励磁电流就可做到弱磁升速，永磁同步电机要通过控制逆变器开关元件，使定子电流相位提前，削弱永磁励磁磁场，从而达到弱磁升速的目的。

永磁同步电机弱磁示意图


额定转速一下时电机电枢电流产生的电枢磁通 Φa与永磁励磁磁通 Φf在空间垂直，合成磁通 Φ 幅值和相位维持不变，额定转速以上时，电机电枢电流产生的电枢磁通 Φa与永磁励磁磁。通 Φf在空间不在垂直，大于 90°，合成磁通 Φ 幅值减小，相位增加，电机转速上升。

因此所谓弱磁就是，利用定子电枢的磁场去抵消掉一部分永磁磁场，让电机的反电动势降低，不至于超过电压极限。

２. 车用电机弱磁的主要挑战

虽然弱磁的功能强大，但在车用电机高速化的过程中，还是会遇到很多问题和挑战。

前面我们说过，弱磁就是防止反电势超过电压极限，如果能提高电压极限那么转速范围会更高。这个电压极限是由母线电压和控制算法共同决定的，好的控制算法能够提高母线电压利用率。



上式是电机最高转速的计算公式，分母即为电机的电压极限。通过改进控制算法能够有效提高母线电压利用率。有一种方法通过调节电机边界形状来实现利用率提高。



常规的SVPWM线性控制的电压势力工作在左图正六变形的内切圆区域。这时电机相电压最高到达Udc/sqrt(3)，如果能工作在正六变形的边上，最高电压可以达到2Udc/π，母线电压利用率提高了10%，电机的转速至少会提高10%以上。有人利用这个原理，做了控制算法设计，叫最小幅值跟随算法，如下图所示，当实际要求控制电压超过正六变形时，会将给出电压按幅值缩减最少的原则，调整至正六边形的边上。而传统算法只能调整至内切圆上。如此大大提高了母线电压利用率。当然这种算法也有一些问题，会导致电流波形正弦性变差。



３. 电感参数的非线性

车用永磁电机，在追求高速的同时，还追求高功率密度，因此往往会有高凸极比，高磁场饱和的特征，这也就意味着传统的依据线性电机模型设计的弱磁控制算法，效果会变差。不但最高转速会降低，而且电流和损耗都会变大。在调整PI参数的时候也会相对困难。



针对这个问题，有人将非线性的电感曲线，内置于控制器中，根据当前的电流随时查询当前电感，如此能够提高控制精度。但这只考虑了交直轴单独饱和产生的影响，精度提高有限。实际上内置式永磁同步电机，交直轴交叉饱和影响非常大，需要考虑更复杂的情况，因此也有人将电机的二维电感矩阵输入到控制器中，作为查表对象，如此控制精度大大提高，弱磁范围也加宽。但这种方式计算量较大，而且需要提前仿真获得电机电感矩阵。

电感随交直轴电流变化的矩阵


４. 控制响应和稳定性

在电机跑入深弱磁区间时，如果响应速度调的太快，非常容易因为超调导致转速过大波动甚至引起失稳的情况。几乎所有的控制算法优化，都是围绕着如何提高弱磁响应稳定性问题而设计的。

1.初级方法--普通弱磁方法

如上图所示，普通弱磁方法是增设了一个弱磁环。它是这样发挥作用的，首先监控电机当前给定电压，如果给定的电压超过电压限值时，通过PI环节，形成负反馈至电流环，电压高了，就多给点Id，电压低了就少给点Id，如此当平衡后，Id达到一个稳定的值，使控制电压维持在电压极限。这是最常用最简单的弱磁控制方法。刚才描述的环节就叫弱磁环。



这种方法的优缺点如下：
优点： 控制时和电机电感参数无关，通配性好，实现简单。

缺点1：需要增加一个电压外环、响应变差、容易引起振荡。

缺点2：母线电压没有充分利用，电流变大，效率变差。

２.进阶方法--解析解耦方法

普通弱磁控制最大的问题是增加了一个弱磁环，多一个环就多一份不稳定，容易振荡，那么解析法的思路是，无论是要弱磁还是不弱磁，不需要电压反馈环来给出电流来，我直接通过公式算出，当前的转速和转矩，需要多大Iq多大Id，然后算出需要多大Uq和多大的Ud。这样控制非常简单明朗。





上两图是解析解耦法的框图，显然这种方法需要获得准确的电感和磁链参数，才能给出合理的电压解。如果能够解决掉电感参数的非线性问题，那么就能获得非常好的效果。这种方法的优缺点如下：

优点：不需要额外的弱磁环，自动进入弱磁，系统稳定性好、响应速度快

缺点1：对电机的电感参数比较敏感，参数不准，电机性能会下降。

缺点2：如果参数准确，计算量比较大，对硬件成本要求高。

３.高级方法--直接查表方法

解析法虽然解决了响应速度问题，但计算量太大，如果还要考虑参数非线性，计算压力更大，需要高性能MCU才能胜任。有人提出了一种直接查表法来解决这个问题。



如上图所示，最关键的是电流查表模块，该方法将交、直轴电流随转矩及定子磁链的变化关系作成表格。在电机运行过程中，根据转矩及定子磁链的参考值通过实时查表得出电机的交、直轴电流给定值。该方法的优缺点如下：

优点1：不需要额外的弱磁环，自动进入弱磁，系统稳定性好、响应速度快；

优点2：对电机的电感参数不敏感，同一种方法可以适用多种参数类型的电机；

优点3：达到相同的控制精度，计算量要求小；

缺点1：事先电机的计算量比较大，仿真工作多；

缺点2：控制算法和电机必须一配一打包应用；

5. 结论

随着控制要求越来越高，要么增加控制算法的复杂程度，要么提高电机预计算的精度和复杂度。我们需要知道，电机的电感、反电势、磁链参数是非常重要的，如果给的越准确，越充分，精确控制越容易实现。这说明电机和控制的边界将越来越模糊，越来越不容易分家。这既是挑战也是机会。