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车用永磁同步电机各种弱磁策略.pdf

发布时间：2022-06-12 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.19M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    车用永磁同步电机各种弱磁策略 梁亚非 大家好，非常高兴有这样一个机会与各位同仁进行技术上的交流和分享。 开始之前呢，我先做一个简单的自我介绍。我是梁亚非，早年的是在北京理工学习，后来交 换去英国，当时学的是电子工程。之后去了英国帝国理工，学的是控制系统，2007 年毕业。 后来从一个投资银行的工作岗位上回国。当时觉得学工科的嘛，应该做工程。 而且最好还是一些有挑战的有未来工作性的工程应该是最好的。我在 2008 年初的时候呢， 然后加入了一个刚刚成立的创业型公司叫精进电动。其实非常有幸的是能够成为这家公司的 研发部的第一个员工（是并列的）。更有幸的是呢，能跟着一位德高望重的导师，然后长达 六年多。期间的主要是负责过新能源汽车用的永磁电机的软件、测试标定、还负责过一段儿 售后的工作。 之后呢，先后在吉利、长江两个整车厂工作过一段时间。主要是负责一些和海外供应商的一 些合作，功能安全等，还有一些电控产品的整体研发生产工作。 再后来呢，在 2016 年底，然后和几个志同道合的小伙伴呢，一起成立一家公司叫做牟特科 技，一直到现在。在多年的这个学习工作当中呢，因为曾经参与过一些 863 项目，然后主持 过几个北京市的课题。同时还拿到了北京市的一个科技新星的称号，主要是因为工作关系和 海外的很多供应商也有一些算是深度的接触和合作吧，所以，尤其是在这个永磁电机的弱磁 控制上积累一些经验，今天呢就借这个机会，和大家分享一下。 我本人是一个算是比较 open 的人吧，早在 2010 年 2011 年的时候，我当时其实在那个西莫 论坛上就活跃过一段时间，当时主要也是讨论关于电机弱磁控制的问题。其实在七八年之后 的今天。再讲这个关于电机弱磁控制这个问题的话理解可能会更加深入一些。但是对于汽车 的电动化已经日渐成熟的今天，以及当前大多数的主流供应商其实都可以轻松的让电机上一 万转啊，一万多转啊，弱磁深三倍五倍的今天，再讲这些关于汽车电动化的一些技术经验， 可能有一些过时的感觉吧。 所以，如果这次分享，如果没有对各位产生特别大的价格的话，这个还请各位多多理解和包 涵。另外呢，我还看到了有一些朋友并非是完全电机控制策略这方面的专业的一些朋友就是 首先感谢大家捧场。但是因为这次技术非常内容，稍微有点多，而且时间有限。所以说为了 照顾大多数的朋友呢，这个分享的过程，可能会不是特别细致会稍微的进度快些还请多多谅 解。 主题分享环节
    这个分技术分享主要内容呢，就是关于车用永磁同步电机的各种弱磁控制策略，讲到这个电 机的控制呢，其实里面有很多的话题是要讲的包含现在比较热门的功能安全啊各种控制算法 啊 AUTOSAR 啊，然后里面的一些故障保护啊，各种传感器的使用的各种技巧啊。但是呢作 为车用电机弱磁控制肯定是其中比较重要的一点，也是我们做电机控制的人比较关注的一 点，所以今天就主要针对这个技术点进行针对性的展开。 这第一页内容呢，其实就是一些老生常谈了，就是关于这个电机的一些理论，因为我们搞电 机控制嘛，必须了解我们的受控对象。我们受控对象就是这个永磁同步电机。这一页主要是 讲了这个所谓的三二变换这个三相坐标系变成 dq 坐标系。然后同时呢 描述一下电机的一个 电压方程。电压方程是电机的控制里面非常重要的一个东西，因为它是决定着我们控制的， 很多的一些基本的理论。
    然后下边第二页内容呢，是讲了其实就是一个电机的转矩方程。这个转矩方程里面呢，我们 可以仔细看这个转矩方程。他其实把转矩分成两块儿，第一部分是磁链乘以一个 Iq 电流。 第二个是两个电感差乘以 Id 和 Iq 的一个乘积。这两部分的转矩，其实有各自的一个作为独 立的名字，第一部分是所谓的永磁转矩，就是等于这一块儿呢，他是由永磁体的磁链来直接 影响的转矩，影响这个转矩的两部分一个是永磁体的成本，一个是 Iq 电流即控制器的成本。 这是第一部分的转矩。然后第二部分呢，是这个所谓这个电感差值乘以 Id 乘以 Iq。所以这 里边呢，就是我们想提高这一部分转矩呢，第一是增大电感差值即提高所谓的凸极率。然后 同时让 Id 和 Iq 的乘积尽量大。所以这里边儿就有两点，第一是电机的设计里边儿你要提高 这个 IdIq 差值，第二呢，你的控制里边面，你要考虑说哪一个 Id 和 Iq 的乘积会尽量让这个 转矩变大。 然后这页图里面展示了两个电机的简单的模型左边是一个表贴式电机右边是一个内嵌式的 电机表贴式电机就是没有磁转矩只有永磁转矩的电机，一般我们在新能源电机行业一般我们
    这种电机用的很少，几乎没有。所以我们主要只讲这个内嵌式的电机。 这页我是借用了 TI 的一个产品手册上面一个简单的图，就是简单描述一下电机的一个所谓 的磁场，那个矢量控制，所谓的磁场定向控制。其实一个核心思想就是说我们根据电机的一 个位置信息来进行我整个的控制。我里面比较重要的几点是我需要把这个电机的一个转机指 令也就是我们所说的油门儿踏板的解析之后的一个指令。或者经过 VCU 处理之后的指令呢。 变成一个适合我电机控制的 Id 和 Iq，就是两个电流指令进而产生我后续的控制。 而这个所谓的这个从转矩到 Id 的这个转换呢，一般是两个函数。这个函数就是把这个转矩 转换成 IdIq 函数，他常见的方式是遵照电机本身的 MTPS—最大转矩电流控制比的一个轨迹 来设定的。而这个高速控制呢，就高速弱磁控制呢，一般是基于 MTP 的一个基本的电流轨 迹曲线，然后进行更进一步的一个弱磁控制算法。因为 MTPA 是在弱磁之前电机的一个最优 的控制方式 这一页是使用的一种分析的方式来进行描述电机的一些控制的一些理论，我们建了一个 dq 坐标系，然后里面用了一个电流源以及电压椭圆这两个概念。来进行描述电机控制中的一些 约束条件。我们这个坐标系里面呢，横的轴的是 D 轴，就是所谓的轴，Q 轴是作为的交轴， 这等于在这四个象限里面呢一般可以描述出电机的几个运行状态，一般对于内嵌式永磁同步 电机呢一般我们只在第二和第三两个象限运行，1 和 4 是增磁一般是不考虑的。 顺便提一下异步极的话其实是在一和四的运行的。我们第二天象限就等于说我的 Id 为负，Iq 为正，在这种状态下呢，是等于电机在电动工作区间。而第三象限的是 Id 为负，Iq 也为负， 这时候是在发电这种工作方式。 顺便提的就是这个 DQ 的这样一个坐标系呢，和我们另外一种坐标系，所以转矩转速坐标系 呢，都可以表示电机的一个电动和发电这种模式。只是呢，在这个 DQ 坐标系呢我们一般是 认为是先考虑说电机在正转这种方向情况之下，然后按照电流的方式来定义的这个电动和发 电，而在另一种坐标系，就是说转速转矩，横轴为转速。纵轴为转距这种方式呢，这种情况 下呢，我们一般是定义的是说我们在转速为正转矩为正的情况下为电动，转速转矩都为负的 情况下也为电动，二转速和转矩的方向不一致的时候呢为发电。
    这两种那个坐标系其实是不太一致的，虽然都可以描述电动和发电，我们继续回到这张图。 这张图里面呢，有了几个曲线，这个绿色这个圆呢，是指电流的极限圆是指说我在当前的一 个控制器，或者说我当前电机设计能力下。我电流的最大值及我的电流可以运行的最大能力。 这个红色的线是一个就是所谓的 MTPA 就是最大转矩每安培这样一个轨迹，也就是说我在这 样一个轨迹上运行轨迹和这个电流圆或者说我不同的电流下的电流圆进行交叉的交点呢就 是指我在当前电流下我所产生相同转矩的我的电流的最小的值，也就是最优控制点。 图中黑色的这个曲线呢其实就是所谓等转矩曲线，也就是说我在这里同一条曲线上我电流可 能大可能小。控制点不太一样，但是我产生的转距是一致的，也可以看得出来，其实这个所 谓 MTPA 曲线。就是我的等转矩曲线和我不同的电流圆之间的一个切点。 右边这个图我们是用这个所谓的转速转距这样一个特性曲线图，然后来描述我的一个一个控 制区间。一般，我们这种电机就是 IPM 电机就内嵌式电机的话是存在弱磁区的，他一般分 了两个区域，在就是所谓的拐点的时候呢，一般定义为恒转矩区，也就是说在这时候呢，在 同样的电流下转矩就是恒定的。当然这个恒定是个理论值实际上有细微的差别。所以转速升 高会有细微的变化主要是因为一些损耗的问题。 在拐点转速之后呢，电机的转矩因为弱磁会慢慢往下降，这时候呢理论情况下，电机的功率 会保持一个稳定的值，这区域叫恒功率区。 我们一般呢，用于评价一个电机的所谓弱磁深度呢，会定一个值就是我的最高转速处于我这 个拐点转速这个比例就是我这个弱磁深度。就是比如说我们这个弱势三倍呀，五倍呀一倍两 倍呀，就这个几倍到底什么意思，譬如一个电机，我在我的峰值性能下三千转进入弱磁，我 弱磁弱到了一万两千转，那就可以认为是一万二除以三千，四倍的弱磁。 这个图继续刚才那个就是这个所谓的电流圆电压椭圆继续进一步的描述。然后只是说把这个 椭圆完整的画出来。因为这个电机描述的是一个所谓的 ipm 电机即内嵌式这个电机的，所以
    说这个椭圆如果说是表贴式电机的话这个图案就变成圆的。这里面为什么会有很多椭圆呢， 主要是描述出电机在不同的转速下所形成的一个电机的一个电压极限椭圆的一个不同的形 状，也就是说，当电机的转速越低的时候椭圆越大。当电机的转速越高的时候椭圆越小。 椭圆和圆的交集，就是说我们这个电机在同时满足电流限制和电压限制之下可以运行的区 间。这样也就意味着说我在转速比较低的时候我就椭圆几乎可以全部覆盖住整个电流圆，因 为那时候我的所有曲线都可以运行。但是有可能不是最优的，只是都可以运行。但当我的转 速比较高的时候呢，我的椭圆和圆的交集区间。因为只有那一部分区间就是图里面粉红色的 一部分区间可以运行。超出这部区间就不可以运行了主要是因为电机产生的电压超出了极限 电压。 这个图里面有一个点，红色的点就是所谓的一个永磁链除以一个 D 轴电感。这个点呢，是 椭圆的圆心，他其实是有个实际的物理意义的。我们把这个点定义为电机的一个特征电流点。 这个特征电流点呢，因为它在空中比较重要，所以我们下文呢，然后针对这个特征电流做几 种不同情况的分析。 这是讲的第一种情况就是椭圆心就是特征电流点在电流的极限圆以外，也就是说我椭圆圆心 代表那个电流值比我的电流的最大值还要大。这个图里面那个黑色轨迹的是电流的一个 MTP 轨迹，红色轨迹的是弱磁控制的轨迹。这种电机呢，也意味着随着我的转速升高，椭圆逐渐 变小。到某个转速的时候我就椭圆和电流的极限圆进行相切。不再有交集了，也就意味着我 的电机控制这我的电机转速是一个林论最大值的。 这种电机呢，因为说在足够高的转速的情况下，因为没有交集了吗，这时候就无法产生转矩 了，也就意味着我再最高某转速下我的功率为零，因为转速再高，没有转矩功率为零。这时 候也意味着我的电机的没有输出，那么在这种稍微低点的情况下。功率也可能也会没法恒定， 我们可以看这个图的右下角。就是说我是随着这个电机的转速升高，我的这个功率输出会逐 步衰减，一直衰减到某个转速缩减为零。
    这种电机的控制的时候呢，只需要考虑第一种控制方式是 MTPA 也就是弱磁之前考虑 MTPA 控制。在弱磁时候呢，就考虑一个直接一个弱磁控制策略，不需要考虑更多策略。但这种电 机呢也有一个小小的问题。因为这个电机特种变流呢，同时又是短路电流，什么是短路电流 呢，就是当我把电机的三相线，就是我没有控制器，我把电机的三相线直接用一根那个可以 说用一个螺丝螺母直接强行给短路在一起，强行把电机给转起来。因为这时候电机短路一定 是有阻力的所以强行把电机给转起来，这时候我在电机三相线上所产生的电流值，这个电流 值就是短路电流，而且那个转速不能太低，因为短路电流和转速是有一定的关系的。当转速 偏高一些的时候才会有恒定的状态。 而这个短路电流，因为在有些车的策略里边儿可能会把这个短路状态啊，当成一种所谓的拖 车模式或者什么特殊的处理模式，就是如果说这个电流比较大的话就要考虑说在特殊保护模 式以及拖车模式下。这个电机的发热或者说控制器的发热，能不能承受的住。顺便提一下那 既然是短路电流为什么需要控制器呢，因为我在实验室我可以说通过我一个测功机把那个电 机强行拖起来，用螺母给固定住。但我在整车里面我采用一些主动短路啊，或者什么策略时 候我是不可能说把电机强行给关开的。因此一般是通过控制器里面一个策略进行短路，一般 是三相的一个上桥短路或者三相的下桥短路。 第二种方式是个所谓的椭圆圆心可能有点在这个电流的极限圆之上，这个之前的轨迹黑色国 际还是 MTPA，红色轨迹还是这个弱磁。这种情况下就是电机的，电压椭圆和电流的圆理论 上是可以说永远有交集的。随着转速的升高，然后始终有一小部分的交集存在，所以说电机 的转速可以说从理论上可以无限升高。然后同时呢这种电机在高转速的时候呢，因为他的功 率从理论上可以保持一直是恒定的，是一个完全的恒定值，这个也就是所谓的真正的恒功率 电机。而且这个电机的控制实际上只要考虑 MTPA 和弱磁控制两种方式。
    第三种方式是指这个特征电流点比电流的极限值要稍微小一点这种情况，即在这个电流极限 圆以内的情况。黑色轨迹的还是 MTPA 红色轨迹的是弱磁区间。但这里面多了一个新的轨迹， 这个蓝色轨迹是所谓的 MTPV，就是所谓的最大转矩每伏特。也就是说我转矩电压比这种控 制方式。因为这时候我不能看电流了，因为我的电压才是将要利用完了，我要在有限的电压 之内，让我的转矩更多，这样这一种控制方式。 这个 MTPV 这个轨迹呢，他是从我弱磁的一个拐点上开始往里去逐渐的去收敛，然后直到最 终目标值就是说，我知道这个特征电流点。也就是说我到那个点我可以达到这个理论上无限 的一个速度。 这种电机的功率呢，他是说在某一个比基速还要大的一个转速，然后实现这个峰值功率。之 后呢转速逐渐衰减，然后开始一直往下衰减。但是它不会无限衰减会衰减到某个恒定值，然 后稳定。这种电机的控制呢，有三种控制策略都需要同时考虑，第一个是 MTPA 第二是弱磁， 第三个是 MTPV。在 MTPV 控制呢，因为随着电流的增大转矩未必增大，因为这时候我们主 要考虑的是电压和转矩的关系。因此这时候一定要注意电流大转矩未必大。 所以在做 MTPV 的控制中一定要小心说我这个不光要寻找一个电流的一个最佳控制。同时还 要考虑这个就是最佳电流还要考虑我的控制角是最优的，因此要同时寻找两个变量的最优。 就是我们为什么说我这个电流大转矩大呢，主要是因为这个电机呀，在这时候漏抗压降昌盛 的损耗比较高。
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