永磁同步电动机铭牌详解「新能源汽车对电机的要求」

今天带来永磁同步电动机铭牌详解「新能源汽车对电机的要求」，关于永磁同步电动机铭牌详解「新能源汽车对电机的要求」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

赵飞翔, 王平来, 任 华, 赵 悦

(中国重型汽车集团有限公司汽车研究总院，山东 济南 250000)

0 引 言

电机系统是新能源车辆的重要动力来源。对于纯电车辆而言，电机系统作为唯一的动力装置，直接影响整车的动力性、经济性、NVH性能等[1-3]。电机系统主要包含驱动电机和电机控制器。驱动电机是机电转换装置，将三相交流功率转换为机械功率输出，一般采用同步电机或异步电机。同步电机以其高效率和高功率密度等特点在国内新能源车辆中应用广泛[4-5]。电机控制器采集电机转子位置和三相电流，控制电机产生期望的d轴和q轴电流，使电机输出期望扭矩的同时保证效率最优化和外特性曲线的输出[4]。对于不同的电机，不同转速、母线电压、期望扭矩条件下对应的d轴和q轴电流也不同，为了保证扭矩输出准确性、系统效率和扩速区间满足要求，电机系统产品释放之前，需进行电机与控制器的匹配标定，获取到电机、传感器特性或MAP后，固化至控制器软件中，满足规范要求及使用标准。

如果电机与控制器的标定不准确，在弱磁区域时，在动力电池电压较低条件下电机无法满功率输出或降低峰值功率持续时间，影响了整车加速时间及最大爬坡度等动力性参数，同时在极限电压边界时易引起电流闭环系统稳定性变差，增加电流中的高次谐波成分，恶化系统NVH性能；在最大转矩电流比(MTPA)区域，则会使电机系统的效率偏低，整车应用时能耗升高，缩短了整车续驶里程[7]。因此，电机电控匹配标定的准确性对电机系统的台架及整车性能极为重要。

本文从车用永磁同步电机(PMSM)控制框架入手，通过分析电机在运行过程中的电流和电压限制条件，引入了电机机械特性点与d、q轴电流坐标点的对应关系，说明了电机系统的主要标定内容。通过分析电机系统标定中的电流采样延迟和电压执行延迟，说明了延迟补偿的必要性。逐一对电机电控的标定内容进行了原理和实现过程的详细阐述，并在测功机台架中进行了试验验证。结果表明，本文提出的标定方法可以对旋变零点及电流特性进行准确标定，应用标定结果后，电机控制器可实现对电机输出扭矩的准确控制。

1 电机系统的标定内容

基于转子磁场定向的PMSM扭矩控制框图如图1所示[1]。包含电流解析模块、电流调节模块、Park变换、反Park变换、Clarke变换、电压调制模块、旋变解析模块、转速计算模块等。其中，旋变解析模块的匹配多集中在硬件设计环节中。驱动电机与电机控制器的软件匹配标定的大部分工作集中在电流解析模块。电流解析模块根据扭矩指令、电机转速、母线电压的变化实时计算出d、q轴电流指令，计算过程可以使用基于电机特性参数的公式，也可以使用三维或二维MAP。目前常用的方法是以扭矩指令、电机转速、母线电压为输入的三维MAP。该MAP直接决定了电机的扭矩控制性能，也是电机与电机控制器的标定重点，需受到约束条件的限制。

图1 电机扭矩控制框图

1.1 电流限制

电机在设计过程中已定义电机最大电流及可持续的时间，工作电流过大导致电机过热，会对永磁体及定子绕组产生不可逆损害。控制器在开发过程中也会定义最大电流，以保证IGBT、母线电容等关键功率器件的使用寿命。因此电机和控制器的工作电流会受到最大电流的约束，其数学表达式[2]为

d、q坐标系下的电流矢量图如图2所示。当d、q轴电流满足约束关系时，定子电流矢量在id iq坐标系内的分布区域是以零点为圆心，以ismax为半径的圆，即图2中的电流限制圆曲线。电机的峰值扭矩一般出现在电流极限圆上，为图2中E点的位置。

图2 dq坐标系下的电流矢量图

1.2 电压限制

同步电机在转子磁场定向条件下的电压电流满足以下关系：

对于电机控制器而言，可输出的三相电压最大值受直流母线电压的影响，其数学表达式[3]为

将式(2)和式(3)代入式(4)，忽略稳态工况下的定子压降及电感压降，可得：

当直流母线电压固定，d、q轴电流满足电压约束式式(5)时，定子电流矢量在id iq坐标系中的轨迹是与转速相关的一簇同心椭圆。称之为电压限制椭圆，由图2可以看出转速越高，电压限制椭圆越小。当电机在高速条件下运行时，主要受到电压限制椭圆的影响。

综上所述，电机在不同工况点运行时，会受到电流极限圆和电压限制椭圆的同时影响，即在d、q坐标中，不同转矩和转速下的电流工况点在电流限制圆和电压限制椭圆的交集内，故电机标定的工作关键在于确定电流工况点，即定子电流矢量的幅值和角度。

图3 恒扭矩标定条件下的机械特性点

2 电机系统的标定准备

2.1 控制器采样延迟补偿

图4 转子角度偏差对d、q轴电流的影响

2.2 反Park变换延迟补偿

图5 控制器采样及电压输出节拍

3 电机系统的标定流程

3.1 旋变零点标定

图6 旋变零点位置标定示意图

3.2 MTPA曲线标定

图7 MTPA曲线的标定流程

3.3 弱磁区域标定

图8 弱磁区域d、q轴电流指令软件控制框图

4 电机系统的台架标定试验

表1 被标定电机参数

图9 标定试验台架

4.1 旋变零点标定

表2 旋变零点标定结果

表3 旋变零点标定结果

4.2 MTPA曲线标定

图10 MTPA曲线标定结果

4.3 弱磁区域标定

图11 弱磁曲线标定结果

4.4 扭矩控制有效性的验证

表4 扭矩控制试验结果

5 结 语