弱磁控制的案例
電動車用永磁同步電機驅動系統
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。
展開 車用永磁同步電機控制及弱磁方法
車用永磁同步電機控制及弱磁方法
永磁同步電動機不同轉子結構的性能研究
從本文的分析過程中可以發現，永磁同步電動機在提高性能的同時，兼顧成本控制問題仍是高性能永磁電機繞不過去的彎，性能成本兼優的電機才是市場的必然選擇。
永磁同步電動機與控制密切相關，永磁同步電動機及其控制共同組成工業自動化驅動系統。在永磁同步電動機優化過程中，需綜合考慮控制策略，比如最大轉矩電流比控制、弱磁控制、最大效率控制等。
熱氣旁通對電動壓縮機提出的工程挑戰分析
一般電機扭矩與功率特性如圖，轉速到達一定范圍的時候，電機進入弱磁區，受限于反向電動勢的影響無法再提供足夠扭矩，通常為了控制壓縮機總體成本，壓縮機電機、電控單元會用到弱磁控制，故以上熱力計算得出工況下需求的扭矩現有壓縮機不一定能夠提供。
如果強行提升電機功率，意味著匹配電機控制器的輸出能力同樣需要提升，IGBT通流能力可能會成為瓶頸。
油的影響
回到特斯拉在專利文件中提到的系統COP，可知低溫環境下壓縮機會在熱泵和熱氣旁通循環之間切換，壓縮機入口狀態會在低溫低壓和相對中溫中壓之間來回切切換。
以下是從瑞弗化工報告摘取的一個關于油與制冷劑互融性特性曲線，當溫度極低時壓縮機油會析出。因此熱泵模式下蒸發器內油析出，粘度大無法順利回到壓縮機，而切換到熱氣旁通需要壓縮機高速運行，壓縮機回油可能產生問題，壓縮機油品可能需要重新優化改性以滿足低溫特性。
當然，根據實際測試情況以及結合特斯拉專利里如下原文來看，特斯拉在整車控制策略上可能已經做了規避，先讓壓縮機油盡可能循環起來才真正開始采用熱氣旁通模式給乘客艙加熱。
據市場上的情況觀察，在目前僅有特斯拉公司在使用熱氣旁通功能提供制熱，并且該功能所使用的壓縮機供應商有限，僅有電裝和三電兩家公司。特斯拉在第一代產品中所使用的翰昂壓縮機并未被繼續采用，這背后可能有多種原因，也可能是由于有更多工程技術挑戰翰昂未能解決。本文作者分析僅基于自己推測，沒有實際項目操刀試驗經驗，歡迎同行進行補充提供更多證據。
文章來源：汽車熱管理研發
展開 
基于SaberRD的純電動汽車動力總成的設計與仿真研究
JMAC有限元求解器 PMSM模型
電機控制
電機由三相電壓源逆變器(VSI)提供電流，該逆變器采用FOC算法控制，實現每安培最大轉矩(MTPA)和弱磁控制，并采用正弦PWM調制方法。
FOC、MTPA、FW控制算法
電壓源逆變器(VSI)和三相PMSM電機
VSI和電機模型是使用dq模型，沒有涉及
切換，這可以實現最大的模擬速度。在模擬中，新歐洲駕駛循環(NEDC)不斷重復，直到電池耗盡。相當于7個小時的駕駛在大約25秒內模擬仿真完畢。這也就是為適當的分析選擇適當的設備模型抽象級別的優點。
NEDC行駛工況
動力電池包
直流電壓源(365V)通過使用SaberRD中的電池工具表征的鋰離子電池來實現。動力電池包-這個模型的精度決定了車速與行駛里程可以被設計驗證。SaberRD電池工具用來描述電池組。該工具可根據數據表中的曲線直觀地創建模型，內置的優化器可將模型特征與數據表曲線進行擬合對齊。
Battery Tool
變速傳動系統
傳動系統-電機軸通過傳動系統耦合到傳動軸上。在SaberRD通用庫中，提供變速器模型(transmission_w)，該模型可以配置多個傳動比，傳動比通過外部狀態輸入進行控制。為了模擬自動手動變速器系統，軸轉速被感知，齒輪在設定的過渡速度中移位換檔。
目前大多數電動汽車只有一個檔位，在整個速度范圍內沒有檔位之間的轉換。
傳動系統
車身
傳動軸連接到一個簡化的汽車動力學模型，該模型考慮斜坡上的重力，以及滾動阻力和空氣阻力。
展開 直流勵磁同步電機和磁阻電機在新能源汽車中的應用
轉子無線勵磁原理示意圖：
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3.1.7 電勵磁同步電機的最大優勢是磁場可控，通過控制轉子繞組電流大小，從而控制轉子磁場大小，實現主動控制磁場；特別是高速區域，達到提高效率、降低溫升、增大輸出功率軸向寬度的目的；而不是永磁同步電機的被動、不得不FOC增加直軸電流分量、達到增加直軸磁場的目的。從而降低高速區的相端電壓。轉子繞組電流可以通過PWM控制，調節不同占空比，調節平均勵磁電流大小，從而控制勵磁磁場。
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3.1.8 從扭矩-轉速特性案例可以看出，在高速區域，輸出功率并沒有下降太多，基本保持水平，這個原因就是因為電勵磁繞組的磁場可以主動控制，根據需要控制勵磁電流大小；而永磁同步電機需要FOC弱磁被動控制直軸磁場，產生多余的電能損耗，高速區和輸出功率下降幅度較大。
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3.2 磁阻同步電機
3.2.1 “控制器示意圖，三相電流示意圖”見“3.1 電勵磁同步電機”。
3.2.2 電勵磁同步電機與同步磁阻電機區別：
1) 轉子結構不同，電勵磁是繞組線圈產生磁場；而磁阻同步電機的轉子沒有任何稀土和繞組，只有硅鋼片鐵芯。
2) 原理上類似，只是磁阻同步電機完全依靠磁阻轉矩產生扭轉的驅動力矩，能量來源于定子繞組產生的旋轉磁場，根據磁場能力（磁力線）總是盡力流過磁阻小的轉子磁路路徑，對應的在轉子中產生了同等極數的旋轉磁場，伴著定子旋轉磁場同步轉動，實現電能到機械能的轉化。
3.2.3 電機剖視圖、磁化曲線磁路圖。
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3.2.4 磁阻同步電機有其先天的劣勢：轉矩脈動大、影響NVH效果。如下圖是轉矩脈動示意圖。
展開 新能源汽車四種常用電機驅動系統詳解
(4)永磁同步電機的控制系統
永磁電機的控制技術與感應電機類似，控制策略上主要集中在提高低速轉矩特性和高速恒功率特性上。目前，永磁同步電機低速時常采用矢量控制，包括氣隙磁場定向、轉子磁鏈定向、定子磁鏈定向等；而在高速運行時，永磁同步電機通常采用弱磁控制。
(5)永磁電機應用現狀
稀土永磁電機的設計理論、計算方法、檢測技術和制造工藝正不斷地完善和發展,永磁材料的性能和可靠性正不斷地提高。電力電子技術、大規模集成電路和計算機技術的快速發展也對永磁驅動電機的發展起到了積極的促進作用。隨著未來混合動力汽車和純電動汽車的快速發展,永磁驅動電機將迎來一個更為快速發展的時期,其發展趨勢也將呈現以下特點:高功率密度、高轉矩密度、高可控性、高效率、高性能、高價格比等,以滿足混合動力汽車和純電動汽車的實際需求。
4、開關磁阻電動機在新能源汽車中的應用
(1)開關磁阻電動機簡介
開關磁阻電動機(SwitchedReluctanceDrive：SRD)是繼變頻調速系統、無刷直流電動機調速系統之后發展起來的最新一代無級調速系統，是集現代微電子技術、數字技術、電力電子技術、紅外光電技術及現代電磁理論、設計和制作技術為一體的光、機、電一體化高新技術。它具有調速系統兼具直流、交流兩類調速系統的優點。
開關磁阻電機覆蓋功率范圍10W~5MW的各種高低速驅動調速系統。
展開 電動汽車用分裂繞組永磁同步電機設計
傳統電機定子繞組為固定匝數，因為電機感應電動勢和轉速成正比，所以永磁電機在高速時必須進行弱磁控制，以免感應電勢過高擊穿開關器件，即永磁電機在高速時有相當一部分電流是起到反向弱磁功能，并不提供轉矩，該部分弱磁電流在定子中同樣存在銅耗。
為了解決這一問題，部分廠商采用兩檔變速箱的結構，在車輛高速行駛時用切換齒輪的方法降低電機轉速，以此來降低電機的感應電動勢，但該結構增加了變速箱后電驅系統的體積和成本。本文采用分裂繞組的定子結構，從根本上解決永磁同步電機寬轉速運行的弱磁問題，電機定子繞組分段引出，在低速區域運行時繞組全部接入工作，保證電機恒轉矩輸出；在高速區域運行時繞組部分接入工作，定子磁鏈減小，所需弱磁電流降低，保證電機恒功率輸出。
1 動力匹配及電機性能
1.1 計算電機外特性曲線
本文所研究的永磁同步電機擬用作物流車的驅動電機，物流車相關動力需求參數如表1所示。
表1 電動物流車動力需求參數
物流車最大需求功率出現在滿載時的爬坡路段，根據最大爬坡功率計算式[4]：
(1)
計算爬坡路段所需驅動電機峰值功率Pr=150 kW，計算爬坡時電機轉速3 650 r/min，再由公式：
(2)
計算電機恒轉矩段峰值轉矩T=392 N·m,取T=400 N·m。
展開 IGBT在新能源汽車中的應用
三、IGBT在永磁磁阻同步電動機控制中的應用
1.永磁磁阻同步電動機的結構
永磁磁阻同步電動機是將永久磁鐵取代他勵同步電動機的轉子勵磁繞組，將磁鐵插入轉子內部，形成同步旋轉的磁極。電動機的定子與普通同步電動機兩層六極永磁磁阻同步電動機的定子和轉子一樣，如圖12所示，轉子上不再用勵磁繞組、集電環和電刷等來為轉子輸入勵磁電流，輸入定子的是三相正弦波電流，這種電動機稱為永磁磁阻同步電動機。
圖12 不同層數的永磁磁阻同步電動機的轉子
2.永磁磁阻同步電動機的控制系統
永磁磁阻同步電動機采用了帶有矢量變換電路的逆變器系統來控制，其控制系統由直流電源、電容器、三相絕緣柵雙極晶體管(IGBT)逆變器、永磁同步電動機(PSM)、電動機轉軸位置檢測器(PS)、速度傳感器、電流檢測器、驅動電路和其他一些元件等共同組成。微處理器控制模塊中包括乘法器、矢量變換電路、弱磁控制器、轉子位置檢測系統、速度調節系統、電流控制系統、PWM發生器等主要電子器件，PWM逆變器的作用是將直流電經過脈寬調制變為頻率及電壓可變的交流電，電壓波形有正弦波或方波。
①轉子位置檢測器根據檢測轉子磁極的位置信號和矢量變換電路發出的控制信號，共同通過電流分配信號發生器來對轉子位置信號進行調節，產生電流分配信號，將信號分別輸入A、B乘法器中。
②速度傳感器、速度變換電路和速度調節器，對電動機的運行狀態進行判別和處理，將電動機的運行狀態信號分別輸入A、B乘法器中。
展開 新能源汽車技術|車用永磁同步電機定子鐵耗的分析與優化
車用電機高速運行時，會通過增大弱磁電流id抵消部分永磁體磁場、減小氣隙磁密來維持電機端電壓平衡，即在高速運行時電機采用的弱磁控制方式是通過電樞反應達到恒功率擴速運行的目的，弱磁程度越高，電樞反應越大[11]。圖8為電機
8 000 r/min
時空載和額定負載的氣隙磁密波形及傅里葉分解。
（a）空載氣隙磁密
（b）額定負載氣隙磁密
（c）氣隙磁密FFT分解
圖8 8 000 r/min時氣隙磁密
空載運行時，方案一氣隙磁密諧波含量為
19.1%
，方案二為
16.2%
，降低了
3.1%
；額定負載運行時，電樞反應導致氣隙磁密畸變嚴重，其中方案一諧波含量為
64.2%
，方案二為
52.9%
，降低了
11.3%
。根據式(1)可以定性預測諧波含量越低鐵耗越低，尤其是鐵耗中的渦流損耗。表2為電機在空載和額定負載工況運行時的定子鐵耗。空載運行時，方案二氣隙磁密基波幅值雖然大于方案一，但高次諧波幅值大多小于方案一，空載時損耗比方案一降低了
20 W
。負載運行時，2種方案氣隙磁密基波幅值相等，但方案二諧波幅值在大于3次后皆低于方案一，鐵耗降低了
96 W
，改善了電機高速運行時的效率及溫升情況。
表2 空載和額定負載的定子鐵耗 W
2.2 定子鐵耗分布情況
2.2.1 定子不同區域的鐵耗
峰值轉速
8 000 r/min
時，方案一和方案二定子鐵心在不同區域的鐵耗分布占比如表3所示。
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