來源：杭州易泰達科技  作者：鐘德剛

前言

    在2014年10月22-25日《第十七屆國際電機與系統會議》上，我們展示了一套電動車用永磁同步電機驅動系統，這套系統是由一臺額定功率為1.8kw、額定轉速為2850RPM的內嵌式永磁同步電機驅動，控制系統是一套基于STM32平臺搭建的采用最大轉矩電流比以及弱磁控制的解決方案，采用外速度環、內電流環，兩環矢量控制算法。核心控制算法軟件架構如圖1所示，當電機轉速低于700r/min 采用虛線表示的霍爾傳感模式獲取轉子角度與速度信息，當電機轉速高于 700r/min 時切換無位置傳感器模式。

圖 1 核心控制算法軟件架構

    本方案為正弦波的永磁同步電機控制方案，圖2所示為電機運行在2500RPM、5N.m 時電流波形，電流波形正弦性好，諧波少，噪聲小。

圖 2 電機運行在 2500RPM、5N.m 時 C相實際電流波形

1、電機控制方式

    這次展會使用的是一臺內埋式永磁同步電機，其特點是轉子磁路具有不對稱性，從而可以產生磁阻轉矩，利用這個特點可以調高電機的過載能力和功率密度。

    此控制系統同時使用最大轉矩電流比策略和恒功率弱磁算法。在額定轉速之

內采用最大轉矩電流比（MTPA）矢量控制算法，采用該策略可以充分利用磁阻轉矩，從而提高電機的轉矩輸出能力和系統效率。在實際應用中，有時需要擴展電機的轉速，所以在額定轉速之上采用恒功率弱磁控制算法，使得在電機超過最大恒功率運行速度時，能夠繼續提高電機的轉速，也就是提高電機的最大運行速度。

2、電機傳感器類型

    無論是在最大轉矩電流比策略中還是在弱磁控制中都需要得到準確的電機位置和速度信息，本控制方案中采用了無位置傳感器控制算法，使得系統穩定、可靠、精準。相比于霍爾位置傳感器方案，其結果更為準確、控制器效率更高；而較于編碼器方案，其具有低成本的優勢。無位置傳感器控制方法基于對檢測到的反電動勢進行積分，但在零速或低速段會因反電動勢太小，難于檢測。所以我們的解決方案是在電機低轉速下采用霍爾（hall）傳感器提供電機位置與速度信號，在中高速段切換到無位置傳感器模式，提高了電機在高轉速下的運行平穩性，以及系統可靠性。

3、電機運行模式

    一般電機根據不同實際需要有兩種運行模式：轉矩模式和速度模式。在實際電動車使用過程中，除定速巡航模式之外，一般采用轉矩模式，即轉把提供給電機所需要輸出的轉矩大小，輸出轉矩的大小與電機的轉速沒有直接的關系，還取決于負載的大小。為了展示的效果，這套控制系統我們選用了更為直觀的速度控制模式，即轉把直接提供給電機所需要輸出的轉速大小，電機將自動根據外加負載的大小調整電機輸出轉矩的大小，以維持給定轉速。由于現場展示條件所限，無法實現實際使用的負載，所以通過剎車系統模擬出變負載情況。經過我們在測控臺上實際測量，可以實現電機最高轉速達到 4300r/min，輸出轉矩 10N.m，峰值功率 4KW。

4、電機調速運行結果

    圖 3 所示為電機調速運行轉速與轉矩曲線。圖 4 所示為電機調速運行效

率曲線。從運行結果看，本驅動系統在2100~4300RPM 系統效率均在 80% 以上，在此區間運行可獲得較長的續航里程。

圖 3 調速運行曲線

圖 4 調速運行下系統效率