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干貨分享:《新能源汽車同步電機的控制策略》
[來源:互聯網 ] [ 瀏覽點擊:413 ] [ 發布時間:2021-06-28 ] 字體:[ ]

2021年6月17-18日,上海電驅動作為戰略合作單位,參加了由NE時代主辦的“2021全球xEV電驅動系統技術暨產業大會”。上海電驅動電控研究院院長陳雷分享了《新能源汽車同步電機的控制策略》。

以下為分享內容:

其實今天講的這個內容前面的專家都有所涉及,更多是從系統的角度分析整個電機控制器或者是電驅動系統發展的方向。我從一個方面,就是同步電機控制策略來說一下。第一個關于同步電機控制的基礎,第二個應用于電動汽車控制策略的特點,第三個未來發展方向,也包括我們純電驅動產品的規劃。

一、同步電機控制基礎

大家都是行業里的專家,可能對這個東西都比較熟悉。同步電機的控制基礎的理論就是基于空間矢量的理論,把電機的一些三相的參數,電流、電壓等進行基于同步旋轉坐標系的空間分解,從而簡化控制,通過一些簡單的直流量的控制實現整個電機系統能夠按照要求的扭矩來進行工作。因為我們現在用的新能源汽車的電機,大部分用的是IPM這個電機,需要低速時扭矩比較大,同時需要一個比較寬的調速,最高速度要比較高,基本上電機控制工作在兩個區間,第一個,在低速時,按照MTPA即最大扭矩電流比工作,高速時工作在弱磁區域?;趯硐腚姍C模型的理論分析,能夠推導出比較理想的電機工作的軌跡,如這兩個公式。但實際中,在我們設計電機的時候,電機不是一個理想的電機,電機的參數,如Ld/Lq等,也會隨工況變化,所以實際的工作中需要進行電機的細致標定。電機的標定基本上按照兩個工作模式進行,在低速時,對電機進行電流掃描,獲得MTPA的曲線,在高速時,進行電壓的掃描,獲得弱磁區最優的工作軌跡。電壓掃描時因為不是電流閉環的控制,需要注意抑制電流的波動。這樣可以對指定設計的電機進行精細標定,在全轉速段獲得最優的工作軌跡。

二、應用于電動汽車的控制策略

我們應用于電動汽車的同步電機控制,還是基于客戶對整車的需求來往下分解,做策略的開發。新能源汽車對電驅動系統的需求大家也講了很多,總結下來還是這些。高扭矩、寬調速影響整車的加速性能還有最高的車速。然后是高效率的需求,因為在電池不變的情況下會影響續航的里程。高功率密度、低成本,低成本化是整車對電驅系統持續不斷的要求??煽啃?、安全性不用說了,特別在隨著這個行業的成長,出貨量越來越大。還有NVH和EMI的優化。

電機控制器要有相應的技術發展的方向,來適應整車對電驅系統的需求。對應的在控制策略上,會有一些特定的策略來滿足整車對電驅系統的要求,這里提幾點控制策略的方面。第一個動態弱磁的部分,電機高速的時候會進行弱磁,理論上弱磁也是比較成熟的,但是因為電機本身的參數和反電勢會隨著環境各個因素以及單體的不一致性產生一些變化。所以有可能在電壓利用率高時,這個高速弱磁會產生一些飽和的現象。通過利用一些動態弱磁,也就是說用電壓閉環的方式可以對一些參數做一些補償,使得控制器能夠持續的維持這個弱磁的效果,好處是可以保持高電壓利用率,高速之后輸出更大的功率,或者更高的效率。

第二個是關于電流環設計,電機控制當中存在交叉耦合項的問題,會影響電流控制的穩定性,傳統的控制在載波比較小時,有可能出現系統控制發散。所以要有這個方法通過交叉耦合項進行補償,可以把整個系統的穩定性做到更好,這樣在一些特殊的工況,極限的工況,可以讓這個系統更穩定更安全。

DPWM剛剛其它專家有介紹過,電機控制器的損耗分兩部分,一部分是導通的損耗,一部分是開關的損耗,功率器件的提升能夠讓這兩部分都可以損耗降低,效率提高。但從控制的角度也有一些方式,比如通過DPWM的方式,開關次數可以降低三分之一,開關損耗是降低的,控制器的效率可以提高,但同時要根據不同的工況選擇一個合適的DPWM的方式,以獲得最大的收益。

還有過調制,這個跟剛剛說的弱磁也是有相關的。在高速的時候當控制器的電壓利用率更高,效率會更高??刂频哪繕司褪歉咚俚臅r候可以不斷的提高電壓的利用率,過調制也是一個方式,可以使得高速之后電壓利用率可以提高,從而提高高速弱磁區的效率。

關于NVH優化的部分,整車對于NVH優化的要求沒有止境,每個項目的NVH都是需要不斷的優化。NVH的優化也是電驅控制器控制策略上不斷提高的關鍵部分。第一個是主動阻尼的控制,當驅動系統因為一些結構的原因造成轉速出現抖動的時候,會傳遞到整車,讓駕駛員感受到??刂破骺梢酝ㄟ^主動阻尼的方式,抑制轉速的一些抖動,提高舒適性。還有隨機PWM,傳統定頻的SVPWM會在開關頻率和階次頻率處產生比較大的電磁噪音,如果是隨機的PWM,可以把開關的電磁噪音打散,這樣就不會有明顯的噪聲感受。

諧波注入,剛剛有說過電機一定是一個非理想化的電機,一定是有一個轉矩的脈動,會造成NVH的問題,當然NVH是一個系統性的問題,不一定轉矩脈動一定會造成NVH的問題,但是有可能在整車上在某一個轉速點就會產生比較難受的一個嘯叫的聲音。電機控制器可以通過主動的電流諧波的注入,嘗試解決問題。根據整車對應的NVH的表現,根據特定階次的噪聲數據,對應的注入特定階次諧波的電流,然后可以抑制轉矩脈動,從而抑制在整車上出現比較大的NVH的問題。

關于加速度觀測器的問題,并不直接體現在控制器的功能上面,但是電驅控制器實際整車運行中,一些功能如主動阻尼、駐坡、轉速環等等這些需要知道加速度的信號,然后再進行功能的實現。傳統的加速度計算方法,抗擾性會差一些,如果利用加速度觀測器效果會更好一些,實現這些整車的功能更容易一些,實現的效果會更好一些。

關于EMC部分,或者說可靠性相關的,共模電壓抑制。傳統的SVPWM會產生共模電壓,由于有零矢量存在,這個共模電壓會比較大,共模電壓會產生EMC的問題,同時也會產生軸電壓的問題,到了800V之后軸電壓會更高,軸電壓有可能在某些特定的整車的環境下面造成軸承的電腐蝕,一旦腐蝕產生,會造成一些異響等,降低系統可靠性和壽命。軸承電腐蝕的解決方案有很多,可以從電機結構、硬件等方面。從控制策略方面可行的辦法是用更低的共模電壓控制的方式,取消零矢量,可以一定程度上降低共模電壓,讓軸電壓會小一些,產生軸承電腐蝕的可能性降低,EMC也會好一些。

關于軟解碼的部分,這個策略最終的目的是為了降低控制器的成本?,F在的電機都是用旋轉變壓器進行位置的檢測,傳統控制器都是使用專用的解碼芯片,解碼芯片成本不低,特別對于小功率的電驅產品來說。利用軟件解碼可以把這部分的成本省掉,軟件解碼的原理跟硬解碼類似,MCU產生激磁電壓,對反饋的信號做采樣,做鎖相環,輸出解碼角度,實際解碼的效果在精度上來說并不差,并且在抗干擾性上可能比硬件解碼更好,也更靈活。上海電驅動2015年已經量產軟解碼的方案,在業內是比較早的,這個芯片還是普通的ADC采樣。到了新一代的芯片大家都會用帶DSADC的,整個軟解碼會更容易做。

關于安全相關的無位置傳感器控制。因為電機上面是帶旋轉變壓器,這個器件本身有失效的概率,信號還要有線束到控制器上面,線束也會有失效的概率,如果出現失效,整車有可能會出現動力中斷的問題,這個也是影響駕駛安全的??刂破骺梢岳脽o位置傳感器控制的方式,可以通過算法估算電機的位置,在旋變失效時,動力輸出可以不中斷,但可能進行一些降額,可以使這個車安全的停到路邊,或者開回4S店。

軟件架構和功能安全,剛剛講的基本都屬于電機算法的內容,但整個控制策略還是在電動汽車的應用中,還是要符合汽車的一些軟件普遍性認可的標準。比如說軟件架構,要符合汽車上面的AUTOSAR的標準,進行分層的設計,整個設計會比較模塊化,同時也是比較開放的一種開發方式。功能安全也是汽車里面對電機控制要求非常嚴格的一個點,其中最關鍵的點就是扭矩的安全,除了剛剛講的這一套的扭矩控制的方法之外,還需要用額外的算法計算電機的扭矩值,這樣能夠確??刂破鲗εぞ氐妮敵鍪欠项A期的。對于軟件的開發一樣非常重要的是開發的體系流程,因為現在對軟件,對整體開發的時間要求其實是越來越短,沒有一個很好的流程來保證整個開發的過程,其實是非常容易出問題的。我們也在這里做了不少投入,包括軟件工具、體系建設等。

三、未來發展方向

對于未來發展方向,這里簡單提了一點,也是根據新能源汽車對電驅動系統方面的要求,未來還會在控制策略上面要進行不斷的進步,基于各個功能性能、效率、低成本等,未來還會面對智能化,會有更高速的一些網絡通訊的要求,包括信息安全等。

最后介紹一下上海電驅動在純電車的電驅動這個領域產品的路線,上海電驅動是這個行業里面做的比較早的,2008年就開始做新能源汽車的電機和電驅的產品。在2016年之前其實都是分體式的產品,從2016年就開始研發三合一的系統,2018年6月份我們開始量產第一代的三合一的系統,這個應該來說是比較早的一批。我們第二代的三合一的系統相對來說產品功率段更多,集成度更高。第二代三合一去年也陸續量產。第三代已經在進行開發,會把這個電驅動系統集成化度做的更高,包括多合一、800V、SiC等技術趨勢也在應用。