今天，首先對(duì)新能源電機(jī)整體控制進(jìn)行詳細(xì)介紹。

電機(jī)控制是在電機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所以想要弄清楚電機(jī)控制的方向，首先對(duì)電機(jī)本體要有深入的理解。作為過來人，本人碩士畢業(yè)后最大的感觸是研究生階段研究方向固然重要，但并不是最重要的那個(gè)，相對(duì)于研究方向，對(duì)研究的具體對(duì)象(硬件實(shí)物)的深入理解以及在這個(gè)過程中磨煉的各種思考和拓展能力才是最重要的！

一、什么是電機(jī)？

用通俗易懂的話來說：電機(jī)就是“能量轉(zhuǎn)換裝置”，能將某種能量轉(zhuǎn)換成“動(dòng)能”的機(jī)械裝置，如下圖所示：

↑電機(jī)驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)圖

二、電機(jī)分類

電機(jī)按照大類分為直流電機(jī)和交流電機(jī)，然后直流電機(jī)與交流電機(jī)可再細(xì)分。比如直流電機(jī)可以分為串勵(lì)直流電機(jī)、并勵(lì)直流電機(jī)、復(fù)勵(lì)直流電機(jī)；交流電機(jī)可分為異步電機(jī)、同步電機(jī)。目前新能源汽車上用的最多的就是交流同步電機(jī)了，其中以永磁同步電機(jī)應(yīng)用最廣泛。詳細(xì)的分類請(qǐng)參照下圖，不在贅述。

↑電機(jī)詳細(xì)分類

三、交流同步電機(jī)構(gòu)造及工作原理

構(gòu)造：

轉(zhuǎn)子包括：端面板、轉(zhuǎn)子傳動(dòng)軸、磁鐵等。

↑電機(jī)轉(zhuǎn)子展開圖

定子包括：定子核心、磁體線束、端子、絕緣體等。

↑電機(jī)定子展開圖

工作原理：

驅(qū)動(dòng)時(shí)，在Ｕ、Ｖ、Ｗ3個(gè)線圈里電流如果按照Ｕ→Ｗ→Ｖ→Ｕ→Ｗ→Ｖ→Ｕ??的順序流過，則中間的磁體會(huì)向右旋轉(zhuǎn)。如果順序相反，則向左旋轉(zhuǎn)。改變電流大小和方向，則扭矩會(huì)發(fā)生變化。

↑驅(qū)動(dòng)時(shí)，電機(jī)工作原理簡(jiǎn)圖

回收時(shí)，在線圈附近磁體會(huì)移動(dòng)并在線圈上產(chǎn)生磁場(chǎng)，繼而產(chǎn)生電流流動(dòng)(發(fā)電)；此時(shí)產(chǎn)生的電壓稱為誘發(fā)電壓。

↑回收時(shí)，電機(jī)工作原理簡(jiǎn)圖

在以上電機(jī)本體初步理解之后，我們?cè)倏纯措姍C(jī)控制系統(tǒng)整體是怎樣的？

整體：從整車控制器(VCU)接收扭矩指令后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器(電機(jī)ECU)內(nèi)部完成VCU發(fā)出的扭矩指令的過程。

詳細(xì)過程簡(jiǎn)述：

電機(jī)ECU接收了VCU扭矩指令后，電機(jī)是如何一步步的產(chǎn)生扭矩的了？

首先，電機(jī)角度傳感器和電流傳感器分別檢測(cè)出電機(jī)軸位置(旋變作用)以及通過電機(jī)本體的電流，然后，電機(jī)ECU會(huì)計(jì)算出電流流入電機(jī)的best時(shí)間點(diǎn)，并通過端口控制信號(hào)，對(duì)逆變器開關(guān)進(jìn)行合適的切換和打開，從而使電池電流流入電機(jī)本體，當(dāng)電機(jī)本體有電流流入后，電機(jī)將產(chǎn)生扭矩。此外，當(dāng)電機(jī)有電流流入時(shí)，逆變器、電機(jī)本體會(huì)由于內(nèi)部損耗產(chǎn)生熱量，那么，可以通過電機(jī)冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)逆變器以及電機(jī)本體的冷卻，當(dāng)電機(jī)由于溫度導(dǎo)致性能受限時(shí)，電機(jī)ECU會(huì)向VCU發(fā)出限制扭矩的要求。

↑電機(jī)控制系統(tǒng)工作原理

然后，我們?cè)僭敿?xì)展開聊聊電機(jī)控制：

在構(gòu)建控制系統(tǒng)前，我們先把控制對(duì)象→ 電機(jī)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)或功能模型，并畫出三相同步電機(jī)的等效示意圖，如下圖所示：

↑三相同步電機(jī)的等效示意圖

其中：

vu vv vw：每相定子電壓

iu iv iw：每相定子電流

Ra：定子繞組的電阻

Lu Lv Lw：定子繞組自感

Mu Mv Mw：定子繞組互感

Ψｆ：永磁磁鏈最大值

ω：角速度

θ：與d軸U相的夾角

s：微分算子

由此等效示意圖得出的電壓與電流的關(guān)系式如下：三相交流坐標(biāo)系下的電壓方程式

但，以電壓方式來直接控制三相交流電流，非常難以理解且解析起來也有困難，因此會(huì)想到用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方式來簡(jiǎn)化問題，在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換前，我們首先來看看坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的意義是什么？

左圖為按照三相交流坐標(biāo)從外部看電機(jī)所觀察到的電流，小黑人是否很疑惑？正常人都會(huì)感到疑惑；若轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，按電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)視角觀察，電流就會(huì)看起來像直流一樣，換湯不換藥，但是不是直觀了很多？回答是肯定的！所以古人“橫看成嶺側(cè)成峰”還有很有哲學(xué)道理的。

↑坐標(biāo)變換的意義示意圖

以上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，也就是為了換個(gè)角度看待被控對(duì)象，而通過改變參照坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：3相交流坐標(biāo)向2相交流坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

對(duì)3相交流坐標(biāo)的電壓方程式，進(jìn)行坐標(biāo)系變換，導(dǎo)出2相交流坐標(biāo)的電壓方程式，原理圖如下圖所示：

↑3相轉(zhuǎn)2相原理圖

然后將3相電壓方程帶入變換矩陣[C]中，得出[Va,Vb]，如下圖所示。

3相坐標(biāo)向2相坐標(biāo)的變換，好處是減少了一個(gè)控制要素，所以比較容易運(yùn)算。但，由于存在非線性情況，所以在控制實(shí)操層面較為復(fù)雜。

向dq坐標(biāo)軸的坐標(biāo)變換：

1、為了實(shí)現(xiàn)控制，需要消除非線性部分。

2、把坐標(biāo)系變換成dq坐標(biāo)。

什么是dq坐標(biāo)？一般會(huì)在與電機(jī)磁體旋轉(zhuǎn)的正交坐標(biāo)系中，取磁極軸線為d軸，比d軸超前90°的軸線為q軸。

變換矩陣：2相交流坐標(biāo)變換到dq坐標(biāo)系的變換矩陣如下圖所示

↑變換矩陣

從2相坐標(biāo)系變換到dq坐標(biāo)系，非線性項(xiàng)消除，所以變得更簡(jiǎn)單。

坐標(biāo)變換匯總：

通過坐標(biāo)變換，電流可以由三相交流轉(zhuǎn)換成容易處理的直流，電壓方程式，也可以由非線性方程轉(zhuǎn)換為線性方程。

↑坐標(biāo)變換匯總圖

在以上控制原理理解后，可以很明顯的看出，電機(jī)控制都是圍繞電機(jī)目標(biāo)扭矩的實(shí)現(xiàn)來展開的，因此，電機(jī)控制中最重要的目標(biāo)就是電機(jī)扭矩控制。

圍繞著電機(jī)扭矩控制，電機(jī)控制還有：

電流控制、電流諧波重疊控制、弱磁場(chǎng)控制、電機(jī)振動(dòng)抑制控制、電機(jī)轉(zhuǎn)速FB控制、IGBT控制、PWM輸出控制、扭矩限制控制、電機(jī)保護(hù)控制等。這些研究方向都是以電機(jī)扭矩控制為基礎(chǔ)的控制，屬于細(xì)分領(lǐng)域，研究好任何一個(gè)方向，都對(duì)扭矩控制有幫助。

對(duì)于參數(shù)辨識(shí)，由上述控制原理可知，矢量控制技術(shù)的核心在于磁場(chǎng)定向，而影響磁場(chǎng)定向的一個(gè)關(guān)鍵因素就是電機(jī)參數(shù)，因此，參數(shù)辨識(shí)研究方向肯定是非常好的一個(gè)點(diǎn)，通過電機(jī)參數(shù)的研究，可以提升整體控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。