高集成度轎車用電機(jī)控制技術(shù)研究

　　膜電容具有介電常數(shù)較高、體積小、容量大、穩(wěn)定性較好的特性，能夠承受高的有效值電流，能承受兩倍于額定電壓的過(guò)壓，能承受反向電壓，能承受高峰值電流，擁有較長(zhǎng)的使用壽命。與電解電容相比，實(shí)現(xiàn)相同的功能，其所需的容值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電解電容，可以大大減小系統(tǒng)的體積。

4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型

　　由于新能源轎車頻繁啟動(dòng)及加減速，低速大扭矩，高速高功率運(yùn)行工況特點(diǎn)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)要求總體歸納如下：

　　(1)滿足電池能量利用最大化：要求高效率及寬效率區(qū)間特點(diǎn)，布置空間體積最優(yōu)，重量輕量化的高密度要求;

　　(2)滿足動(dòng)力性能要求：需要高速寬調(diào)速性能，大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩及強(qiáng)過(guò)載能力，快速轉(zhuǎn)矩相應(yīng)及高速高功率特定;

　　(3)滿足整車舒適性、可靠性要求：電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、控制成熟、電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠;

　　(4)滿足成本要求：需要電機(jī)制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格合理。

　　國(guó)內(nèi)永磁同步電機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，中國(guó)稀土資源也相對(duì)豐富，永磁同步電機(jī)滿足新能源轎車技術(shù)需求的全部要求：具有高效、高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度、控制成熟、具有較寬效率區(qū)間和調(diào)速性能等技術(shù)特點(diǎn)，相對(duì)于直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、制造工藝成熟、工藝簡(jiǎn)單、成本適中。

　　本文描述驅(qū)動(dòng)電機(jī)基于以上特點(diǎn)，采用永磁同步電機(jī)方案，基于成熟車型電機(jī)V型磁鋼沖片平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)容設(shè)計(jì)，具有技術(shù)平臺(tái)成熟，成本控制能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

5 控制器接口電路

　　永磁同步電動(dòng)機(jī)控制器有兩個(gè)接口電路(完全相同)，使用23PIN的AMP接插件與整車及電機(jī)相連，提供控制電源、CAN通信、RS232下載等功能。

　　RS232接口電路，如圖4所示。

6 電磁兼容性設(shè)計(jì)

　　控制器EMC設(shè)計(jì)主要從強(qiáng)電、弱點(diǎn)、結(jié)構(gòu)三部分開展工作。

6.1 強(qiáng)電部分

　　(1)電機(jī)三相動(dòng)力電纜采用屏蔽電纜，電機(jī)和控制器兩端接地屏蔽;

　　(2)正負(fù)母線與機(jī)殼見加Y電容，消除共模干擾，正負(fù)母線加X(jué)電容消除差模干擾;

　　(3)正負(fù)采用疊層母排，降低線路寄生電感。

6.2 弱電部分

　　(1)電源輸入/輸出增加濾波電路;

　　(2)開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)盡量減小分部電容;

　　(3)所有輸入/輸出信號(hào)增加濾波電路;

　　(4)CAN通訊采用隔離電路，采用典型CAN接口電路，并使用雙絞線。

6.3 結(jié)構(gòu)部分

　　(1)箱體采用封閉式，對(duì)控制器進(jìn)行整體屏蔽;

　　(2)控制器內(nèi)部強(qiáng)弱電路分開布置，避免相互干擾;

　　(3)優(yōu)化線束布置，避免交叉造成相互干擾。

7 永磁同步電機(jī)控制技術(shù)

　　對(duì)于轉(zhuǎn)子磁鋼內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)控制，基速以下采用最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制，基速以上采用恒功率弱磁控制，如圖5所示。

　　圖5中交流永磁電機(jī)最佳電流矢量控制策略的基本思想如下：

　　(1)區(qū)間ω≤ω₁時(shí)，定子電流矢量規(guī)定在A₁點(diǎn)，電機(jī)采用最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制，電機(jī)以最大恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。此時(shí)，定子電流滿足：|i_s| =i_lim， i_lim為電流極限圓半徑;定子電壓滿足：|μ|≤μ_lim，μ_lim為定子相電壓極限值;

　　(2)區(qū)間ω₁<ω≤ω₂時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速升高使得電機(jī)定子電流矢量從A₁移動(dòng)到A₂點(diǎn)，A₂對(duì)應(yīng)電壓達(dá)到極限時(shí)電機(jī)能夠運(yùn)行于最大輸出功率的最低轉(zhuǎn)速點(diǎn)，電機(jī)實(shí)現(xiàn)弱磁控制。此時(shí)， |i_s| =i_lim， |μ|≤μ_lim;

　　(3)區(qū)間ω>ω₂時(shí)，電流矢量沿著最大功率軌跡從A₂移動(dòng)至A₃點(diǎn)，此時(shí)轉(zhuǎn)速為理想的極限轉(zhuǎn)速。此時(shí)，|i_s| =i_lim， |μ|≤μ_lim 。

　　由上述分析可以看出，定子電流最佳控制過(guò)程中，電機(jī)處于驅(qū)動(dòng)工況下的的定子電流運(yùn)行軌跡為OA₁A₂A₂。

　　基于電壓前饋的永磁同步電機(jī)矢量控制基本框圖如圖6所示。

　　圖6中，給定電機(jī)的輸入電流，由最大轉(zhuǎn)矩-電流控制策略給出d、q軸電流，同時(shí)與弱磁電流進(jìn)行運(yùn)算產(chǎn)生給定的d、q軸給定電流。給定的電流與反饋的電流比較，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器的作用產(chǎn)生給出的d，q軸電壓經(jīng)過(guò)變換產(chǎn)生電機(jī)的三相電壓對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。由于采用了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制，可直接實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)四象限的運(yùn)行。電流控制策略依照不同輸入轉(zhuǎn)矩需求和當(dāng)前轉(zhuǎn)速狀態(tài)，按照?qǐng)D6所示的交流永磁電機(jī)電流最優(yōu)控制方法，計(jì)算得到各個(gè)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩需求下的id和iq電流值，并作為指令值控制實(shí)際輸出電流。

　　當(dāng)車載動(dòng)力電池電壓隨著負(fù)載、SoC狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，Udc發(fā)生變化，電壓控制量Us1w隨著變化，通過(guò)電壓閉環(huán)調(diào)解，使得電機(jī)輸出能力隨著電壓變化而改變?；谥绷髂妇€電壓可變得永磁電機(jī)控制以交流電壓輸出恒定為控制目標(biāo)，使得電機(jī)在弱磁運(yùn)行情況下輸出電壓恒定，充分發(fā)揮電機(jī)輸出能力。Us1w經(jīng)與實(shí)際電機(jī)電壓的比較，通過(guò)PI調(diào)節(jié)輸出電流補(bǔ)償量，補(bǔ)償電流控制策略中的id電流。

8 總結(jié)

　　本文對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行研究開發(fā)，確定驅(qū)動(dòng)控制原理圖，通過(guò)分析其控制器組成及功能分析，確定控制器關(guān)鍵部件的選型。交流永磁電機(jī)電流最優(yōu)控制方法，計(jì)算得到各個(gè)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩需求下的id和iq電流值，并作為指令值控制實(shí)際輸出電流，設(shè)計(jì)方法合理，已搭載整車應(yīng)用，性能可靠。

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