新能源汽车驱动电机控制算法及调制技术的发展-绵羊汽车生活记录

一新能源汽车驱动电机限度算法及调制工夫的起色1.1电控工夫近况概述电机驱动工夫行为电动汽车的“心脏”，正在我国“十三五”新能源汽车更始链中吞噬要紧的名望，

电机驱动工夫行为电动汽车的“心脏”，正在我国“十三五”新能源汽车更始链中吞噬要紧的名望，重要征求电机驱动限度器功率密度倍增工夫开垦及物业化、高牢靠性车载电力电子集成体例开垦及物业化、高效轻量高性价比电机工夫物业化以及新一代电机驱动总成等四项做事。

个中高效轻量高性价比电机和新一代电机驱动总成的工夫近况和起色趋向正在上文已做了先容，我国车用驱动电机（直驱电机）正在机能目标、本钱限度等方面已与国际一流产物处正在统一程度。

电机限度工夫因为起步较晚，与发财国家仍有较大差异，例如芯片集成策画、电力电子体例集成技能、硬件构造策画与限度算法优化竣工电机驱动限度器功率密度倍增工夫、高机能的电流限度、转矩脉动控制、作用优化限度以及限度安定性等方面。

若何竣工新能源汽车驱动电机限度体例的高功率密度、高牢靠性、低本钱以及宽域运转、高效高机能限度、智能化限度是我国新一代电动汽车电机限度器亟待攻下的合头工夫。

目前主流电机驱动限度器的功率密度约18kW/L，较高程度能够抵达28kW/L，采用双面水冷模块的能够抵达30kW/L，碳化硅工夫的对象是赶过36kW/L，远期对象是100kW/L。

两电平逆变器构造纯粹、调制算法轻省、限度工夫成熟且本钱低，是领先驱动电机逆变器的主流拓扑。

图1-1 两电平逆变器拓扑跟着众电平工夫的成熟，以及其正在谐波拟制、散热机能、dv/dt等方面的上风，国表里学术界已将其引入电动汽车规模，重要为二极管钳位型三电平逆变拓扑（图1-2）、T型三电平逆变拓扑（（图1-3）与H桥三电平逆变拓扑（图1-4）。

图1-4 H桥三电平逆变器拓扑二极管钳位型三电平逆变器，相对付两电平拓扑，所需IGBT数目补充、须要异常的钳位二极管。T型三电平逆变器拓扑是正在二极管钳位型三电平根本上起色而来的，其传导损耗相对较小，正在低压小功携带域，相对付二极管钳位型三电平来说更具上风。上述两种众电平拓扑具有大家的直流母线，而正在电动汽车规模操纵电池组实行供电，能够获取众个直流电源，于是H桥三电平拓扑也取得注意。为获取与上述两种拓扑同样的输出电压，Ua设为0.5Udc，于是每个H桥的IGBT耐压与二极管钳位型三电平拓扑不异，即0.5Udc。与二极管钳位型三电平拓扑比拟，删除了6个钳位二极管，可低浸体例本钱。此外，此种拓扑采用三个独立的直流电源，有利于正在餍足绝缘电压束缚的境况下妥善升高电压品级。上述变换器构造均为硬开合变换器，以较高开合频率运转时爆发不成疏漏的开合损耗和发烧题目，而较大的dv/dt与di/dt爆发的电压、电流尖峰胁制器件安适运转，并惹起重要的电磁扰乱。针对此题目，有学者提出将软开合工夫操纵于电动汽车规模，通过正在直流侧或交换侧增设无源器件以竣工开合形态切换时电压或电流过零，表面上竣工零开合损耗，但异常补充的辅助电途升高了体例的本钱与丰富度，低浸了体例牢靠性。筹议结果证据，对付现有的软开合拓扑工夫计划，因为辅助器件自己的损耗，软开合变换器并未正在作用方面展现出清楚上风，而补充的异常辅助器件和丰富的限度算法使得其正在电动汽车中的操纵还不具有归纳上风。针对差别的拓扑型式，学者们提出了许许众众的限度计谋和算法，带来电机限度工夫的不绝擢升。1.2 限度算法筹议动态目下永磁同步电机惯例的限度计谋重要有三类，即恒压比限度（V/F）、矢量限度（Field Oriented Control，FOC）、直接转矩限度（Direct Torque Control，DTC）Control，MPC）。此外，跟着社会与工业需求的不绝擢升，人们对永磁同步电机体例限度机能的条件也越来越高，少许学者将进步的智能限度算法引入了电机限度规模，与经典限度维系，酿成了征求模子参考自适合、滑模变构造、内模限度、自抗扰和模子预测限度等新颖限度表面以及诸如神经收集算法、遗传算法、专家体例以及含糊限度等各种人工智能算法正在永磁同步电机限度体例中的操纵越来越众。（1）模子参考自适合限度模子参考自适合限度（Model Reference Adaptive System ，MRAS ）是一种基于被控对象数学模子的形式，也是新颖限度表面的一个要紧构成局限。它正在外部扰动功用下能主动调节体例自己的限度参数，有用低浸扰动对被控体例的影响，但该形式的预备量较大。（2）滑模变构造限度滑模变构造限度（Sliding Model Control，SMC）是一种不连结的非线性限度计谋，正在限度进程中体例构造依据开合个性转化，平昔处于滑动模态。滑模变构造限度的上风正在于：对体例参数条件低，动态反响速，对外界扰动和参数转化的鲁棒性强。。（3）内模限度内模限度（Internal Model Control，IMC）由20世纪中期的Smith预估限度器起色而来，是一种依据进程数学模子策画限度器的限度计谋，它的便宜是参数调节较量容易，体例丰富度也较量低。（4）自抗扰限度自抗扰限度（Active Disturbance Rejection Control，ADRC）是正在PID 限度的根本上起色起来的一种无需无误体例模子的非线性限度方法，它通过对体例扰动的及时猜想和积累，正在参数转化等扰动功用下能获取较优的限度机能。自抗扰限度的特性是预备纯粹、动态反响速、稳态精度高、抗扰乱技能非常。（5）模子预测限度模子预测限度（Model Predictive Control，MPC）是依据目下形态和预期限度对象，直接预测下一限度周期的电压矢量，与古代的矢量限度比拟，它简化了电压矢量的获取进程，动态反响更速。又分为无差拍和有限形态机MPC限度计谋。（6）智能限度智能限度（artificial intelligent control system，AICS）是将各样人工智能限度算法与经典限度计谋及新颖限度表面相维系的一种新兴限度办法，它不齐全依赖电机的模子与参数，只依据现实功效调节限度参数，适适用于模子不确定性大、非线性强的形势。征求神经收集算法、含糊算法及遗传算法等。除了以上各样前沿限度计谋和众电平拓扑构造以外，经典限度表面通过近几年软件和电机工程师们的不懈勤奋，也取得了不绝完满，闪现出很众精雕细琢般的算法筹议和操纵。1.2.1 高调制比日产的工程师通过对Leaf几代产物的试验和历久操纵数据积攒，以为磁钢的运转温度是确定的，消弭了磁钢冷、热态磁机能差别性的影响，于是可大意反电势的颠簸，即能够将母线。同时，Leaf工程师正在18MY的限度顺序中插手了一种基于热收集法的“热掩护计谋”，不妨依据少量的反应音信揣摸出磁钢确切的温度，竣工电压欺骗率的动态调节。通常来说，直流逆形成交换，基于牢靠性方面的探讨，调制比通常小于1，例如13MY的母线%。电压欺骗率越高，限度环途饱和时电流的跟从反响越差，失稳危害越高，乃至失控。电压欺骗率的升高意味着电机正在高速区不须要过大的弱磁电流，转矩角变小，功率擢升的同时低浸了铜耗，基于这一工夫，18MY的最高作用上升了1.2%。

图1-6 Nissan Leaf 18MY和13MY电机作用1.2.2 MTPL通用汽车基于Chevy Spark和Chevy Bolt所用的驱动电机，郑重筹议了最风行用限度计谋。咱们常用的MTPA算法仅使得定子电阻损耗最低，铁损并不是最优，于是总损耗也并百最优。通用汽车通过郑重较量三种差别的电流矢量限度工夫，即最大转矩/电流(MTPA)、最大转矩/电机损耗(MTPML)和最大转矩/体例损耗(MTPSL)，进了行了广博的试验测试，同时正在弱磁区采用六步电压法（SSA）调制，竣工了驱动电机体例的最风行用运转。

图1-7 电流轨迹图图1-8显示，MTPL和MTPA具有差别的转矩角个性。如图1-9，统一电流值下，MTPL和MTPA涌现出差别的电气个性，此电流下MTPA最优转矩角为44deg，MTPL最优转矩角47.5deg，MTPL取得的是最高作用，MTPA取得的是最大转矩。

图1-8 某一电流时差别限度计谋下的电气个性1.2.3 DB-DTFCDB-DTFC是将无差拍(DB)限度与直接转矩和磁链限度(DTFC)相维系起色起来的一种新型的限度算法。与电流矢量限度比拟，采用电流和磁通观测器的组合，转矩和磁通都能够直接和独马上限度。正在恒转矩区域，通过转矩夂箢能够确定对应于MTPA操作的磁通夂箢。对付深度弱磁区域，算法中采用平方根判别法（Square-Root-Condition，SRC），通过操纵磁通观测器升高限度精度。奥迪公司对此实行了长远筹议。

图1-9 奥迪DB-DTFC限度框图如图1-11，能够觉察DB-DTFC的转矩反响要速于PI限度器，与此同时，正在给定转矩由4Nm变为8Nm时，定子磁链转化清楚。

图1-10 DB-DTFC&PI转矩和磁链反响1.2.4 安适失效反省及限度永磁同步电机正在操纵进程中或许少许潜正在的隐患，例如电机的地位传感器滞碍、限度器的电撒布感器滞碍、电机定子绕组开途等。正在永磁同步电动汽车规模中，电机定子绕组开途的境况极少爆发，而且所爆发的影响也只是动力缺失而不会形成飞车等失控景象，对驾驶者的安适伤害相对前两者会小少许，是以正在此错误其实行筹议。地位传感器和电撒布感器滞碍都市形成重要的危害。对地位传感器滞碍起首须要实行讯断，目前重要有两种讯断计谋，一种是基于角度猜想模子的及时滞碍讯断计谋，通过角度猜想模子取得猜想角度后再与地位传感器的及时角度实行比照并取得差错值，然后将差错值和设定的滞碍阈值实行较量，而且正在地位传感器平常时对角度音信实行校准，从而取得更无误的猜想角度。另一种是基于无损卡尔曼滤波（简称UKF）的滞碍讯断计谋，将电机模子离散化，通过对输入变量和形态变量的均值和协方差实行UKF解决取得输出变量，输出变量中包罗了电机的三相电流音信和电角度音信，对所取得的数据实行解决后即可决断是否有滞碍爆发，这种讯断计谋的上风正在于不光能决断地位传感器滞碍同样能决断电撒布感器的滞碍，通用性更强。

图1-12 电角度猜想流程图讯断出滞碍后，平日会针对崎岖速协议差别的解决计谋，高速时采用基于锁相环的限度办法猜想地位角度，低速时可采用高频注入的办法。

图1-15 电流滞碍诊断逻辑图1.2.5 MTPA高频注入法近年来，为了升高最大转矩电流比限度形式的鲁棒性，学者们接踵提出可通过注入辅助信号的形式来跟踪MTPA的作事点。高频信号注入法的重要道理是通过向电机的定子绕组中注入高频小电流信号，凭借正在MTPA作事点处电磁转矩对电流角的转化率为零的道理，及时追踪MTPA作事点，竣工MTPA限度。

图1-16 高频注入MTPA限度体例框图基于信号注入法的MTPA限度、MTPA限度和id=0限度的实习结果实行了阐明比照，取得三种限度计谋正在差别负载条目下的转矩-电流相干弧线所示，图中横轴为负载转矩，纵轴为定子电流有用值，血色弧线为高频注入法MTPA 限度，蓝色弧线为MTPA限度，绿色弧线限度。能够看到，正在差别的负载条目下，信号注入法MTPA限度的定子电流有用值均小于此外两种限度，而MTPA限度的定子电流有用值则小id=0限度。比照实习结果验证了基于高频注入法的MTPA限度计谋的电娴熟用率高于MTPA限度和id=0限度，最大势部地加强了IPMSM的转矩输出技能，使得电机的运转作用最大化。

图1-17 高频注入MTPA限度体例框图1.3 脉宽调制计谋筹议近况及起色脉宽调制计谋（Pulse-width Modulation，PWM）是依据伏秒平均道理限度开合管的通、断以竣工近似等效输出给定基频电压的计谋，是与逆变器拓扑共生的合头工夫。通过几十年的起色，PWM工夫从最基础的正弦波PWM（Sinusoidal PWM，SPWM）起色和衍生绝伦种差别类型的优化PWM，如1-18所示：

图1-18 二电平逆变器PWM计谋分类载波调制（Carrier based Modulation, CBM）可遵守采用的载波个数实行分类，即单载波调制和众载波调制。经典的SPWM算法直接将正弦调制波与载波（锯齿波或三角载波）实行较量来限度开合管的行为，具有竣工轻省，预备量小的上风。目下操纵最为广博的空间矢量脉宽调制（Space Vector PWM, SVPWM）从电机磁链圆的角度开拔，能够看作是由三角波与有肯定三次谐波含量的正弦基波调制而成，通过判辨参考矢量以预备主、次电压矢量的功用年光，其上风正在于输出谐波畸变率小、直流电压欺骗率相对付SPWM升高15%。三次谐波注入PWM，是指正在三相正弦调制波上注入特定幅值的三次谐波来更正PWM的机能，如1/6三次谐波注入PWM 不妨最大化直流母线三次谐波注入PWM不妨优化输出波形质料，最小化电流纹波损耗。上述三种PWM，开合序列均为“七段式”，正在每个载波周期内，三相开合形态均爆发切换，而且调制波为连结波形，于是被界说为连结PWM。为了低浸开合损耗，不连结PWM（Discontinuous PWM，DPWM）采用“五段式”开合序列，特定相输出电压正在若牵缠结载波周期内钳位于直流母线使得此相开合管弗成为。从电压空间矢量角度而言，DPWM相当于只采用了1 个零电压矢量，依据差别地位所选用的零电压矢量，DPWM可分为DPWMMAX、DPWMMIN、DPWM0、DPWM1与DPWM2。然则相对付连结PWM，DPWM不具有谐波边带湮灭的景象，使得加权谐波总畸变率补充。针对此题目，有学者提出了一种进步母线钳位脉宽调制计谋来革新DPWM的输出谐波机能，但该形式只正在较高调轨制时有用。筹议证据单载波PWM算法均能够通过向三相正弦调制波中注入特定的零序分量来竣工，从而将单载波PWM算法实行了团结化。众载波调制算法即采用众个载波与调制波较量，获取三相触发脉冲，对付两电平逆变器，目前只部分于载波层叠PWM和载波移相PWM。上述载波调制算法都采用“固定的载波频率”，牵制了PWM算法的机能更正空间。程控PWM 消弭了这个牵制条目，单个脉宽不正在部分于一个时钟脉冲窗口内，其幅值和地位不妨正在一个更宽的年光间隔上爆发转化。离线程控PWM的特性正在于采用对象函数的最小化来确定开合工夫，优化预备进程采用离线预备获取一系列的开合角度并存储正在PWM限度器的内存或EPROM中，通过查表法竣工对开合管的限度。SHEPWM行为一种模范的程控PWM，其优化对象是消去指定次谐波，但无法限度非指定次谐波的含量，为此有学者提出了一种指定谐波削弱PWM（SHMPWM）。SHMPWM将指定次谐波的含量限度正在特定的谐波圭表以内，从而不妨分身更众的谐波成份，有利于升高团体谐波机能。同步优化脉宽调制不妨以较小的开合频率竣工输出谐波的更正，适合于大功率形势。上述三种算法均需条件解超越非线性方程组，预备量跟着开合角度的补充指数级增大，预备资源的固定开销使得其正在线执行极其困苦。因为优化对象往往基于稳态实行策画，其动态个性的革新是目前筹议的瓶颈。SHCPWM可竣工开合角度的正在线预备，但仍须要较大的预备量。搀杂PWM（Hybrid PWM）是指两种或众种PWM的搀杂，宗旨正在于充足欺骗差别PWM算法的便宜。例如正在低调轨制操纵SVPWM而正在高调轨制操纵SHEPWM的搀杂算法，或者正在低调轨制操纵SVPWM，而正在高调轨制操纵DPWM1的搀杂算法。搀杂PWM的合头正在于策画合理的PWM切换规矩，云云才不妨充足欺骗差别PWM算法的便宜。为革新PWM机能，少许新的观点被操纵于PWM算法，征求随机PWM、小波调制与智能调制等。随机PWM为办理逆变器的噪声和电磁兼容题目供应了一个有用的思绪，通过将脉冲地位或（与）开合周期随机化解决，以取得差别的功率谱密度。小波调制由通讯规模中衍生而来，不妨明显低浸输出电压总谐波畸变率、扩宽线性调制周围并低浸开合损耗。欺骗小波调制的众速度个性，采用拉拢猜想的形式，能够升高体例的抗扰乱技能。目前，小波调制已获胜操纵于感触电机与永磁电机调速规模。智能调制是指将智能算法操纵于PWM以革新逆变器机能，如神经收集工夫与免疫算法被操纵于开合管的行为工夫预备，有利于减小功率开合器件非线性对输出机能的影响，优化输出波形质料，但智能算法开销较大，目前正在线操纵还存正在难度。除了以上概述的调制形式外，又有其它少许值得合切的并有现实操纵价钱的调制算法。2.3.1 线电压调制工夫正在古代的电机限度中，电压调制计谋通常采用SPWM和SVPWM计谋。对付SPWM调制计谋来说，限度算法较为筒单，预备量小，然则直流母线电压欺骗率较低。相较于SPWM，SVPWM升高了直流母线电压欺骗率，使得逆变器输出的最大线电压能够迗到直流母线电压。正在空间电压矢量调制进程中，须要对电压矢量的扇区实行决断，然后再依据七段式靠拢法确定各个电压矢量的功用年光，从而确定各个桥臂上下开合管的开热情换年光。相对而言，SVPWM的预备量会较大，从而较众的占用了DSP的资源，故为了减小DSP的预备量，加快DSP的运转速率，能够引入线电压调制法。线电压调制的基础思念是确定一个根本相占空比δB，其余两相依据三相调制比稳定道理求出，大大简化了求解进程，实用于DSP资源紧急的境况下。

图1-21 线电压调制与SVPWM两种算法耗时较量1.3.2 六步电压法（SSA）调制采用六步法调制时，正在每个电周期中逆变器开合仅行为6次，输出的电压空间矢量仅有6个非零电压矢量。如图1-22所示，为了爆发正转矩，参考电压矢量应正在一个电周期内按逆时针盘旋，逆变器输出的电压矢量挨次为U4→U6→U2→U3→U1→U5→U4。

由上式可知，此时相电压与线°电角度，且其峰值为，则其表面上是SVPWM相电压的1.1倍，即能够将速率推广1.1倍。1.3.3 三电平SVPWM调制众电平逆变器与高开合频率的两电平逆变器比拟，电磁扰乱较小，损耗也小，三电平逆变器或许成为电动汽车操纵的替换品。目前筹议较众的调制形式是SVPWM和载波PWM。通用汽车公司对三电平逆变器已潜心筹议了众年，起首展开了SVPWM和三次谐波注入的PWM调制形式的较量，结果显示SVPWM正在逆变器损耗和转矩脉动方面均优于载波PWM，随后又进一步筹议了SVPWM和载波PWM的搀杂调制，大大低浸了预备的丰富度。

图1-23 SVPWM和THPWM的三电平逆变器功率管有27个形态，对应27个空间矢量，组成了一个正六边形，将正六边形分成6个60deg大扇区，每个大扇区又可分为四个小扇区，构成差别的形态来实行波形的调制。

图1-24 三电平闻逆变器拓扑和3LSVPWM空间矢量图1.3.4 PAM脉冲调制跟着新能源汽车驱动电机的不绝高速化，最高运转频率已赶过了1000 Hz，当电机运转至高速段时开合损耗增大，电驱体例作用低落，此时可切换为PAM脉冲调制办法删除开合频次。丰田公司对此做了充足的筹议，跟着电机运转频率的不绝上升，逆变器的损耗占总损耗的比例越来越大，此时PAM调制形式上风就会显得很是清楚。