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新能源汽车驱动电机控制算法及调制技术的发展
2021-12-23 08:48:31· 来源：驱动视界
一 新能源汽车驱动电机控制算法及调制技术的发展1.1电控技术现状概述电机驱动技术作为电动汽车的“心脏”，在我国“十三五”新能源汽车创新链中占据重要的地位，
一 新能源汽车驱动电机控制算法及调制技术的发展
1.1电控技术现状概述
电机驱动技术作为电动汽车的“心脏”，在我国“十三五”新能源汽车创新链中占据重要的地位，主要包括电机驱动控制器功率密度倍增技术开发及产业化、高可靠性车载电力电子集成系统开发及产业化、高效轻量高性价比电机技术产业化以及新一代电机驱动总成等四项任务。
其中高效轻量高性价比电机和新一代电机驱动总成的技术现状和发展趋势在上文已做了介绍，我国车用驱动电机（直驱电机）在性能指标、成本控制等方面已与国际一流产品处在同一水平。
电机控制技术由于起步较晚，与发达国家仍有较大差距，比如芯片集成设计、电力电子系统集成能力、硬件结构设计与控制算法优化实现电机驱动控制器功率密度倍增技术、高性能的电流控制、转矩脉动抑制、效率优化控制以及控制稳定性等方面。
如何实现新能源汽车驱动电机控制系统的高功率密度、高可靠性、低成本以及宽域运行、高效高性能控制、智能化控制是我国新一代电动汽车电机控制器亟待攻克的关键技术。
目前主流电机驱动控制器的功率密度约18kW/L，较高水平可以达到28kW/L，采用双面水冷模块的可以达到30kW/L，碳化硅技术的目标是超过36kW/L，远期目标是100kW/L。
现有的车用逆变器拓扑大多为传统的电压源型两电平逆变器，如图1-1所示。
两电平逆变器结构简单、调制算法简便、控制技术成熟且成本低，是当前驱动电机逆变器的主流拓扑。
图1-1 两电平逆变器拓扑
随着多电平技术的成熟，以及其在谐波拟制、散热性能、dv/dt等方面的优势，国内外学术界已将其引入电动汽车领域，主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1-2 二极管钳位型三电平逆变器拓扑
图1-3 T-type三电平逆变器拓扑
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，相对于两电平拓扑，所需IGBT数量增加、需要额外的钳位二极管。
T型三电平逆变器拓扑是在二极管钳位型三电平基础上发展而来的，其传导损耗相对较小，在低压小功率领域，相对于二极管钳位型三电平来说更具优势。
上述两种多电平拓扑具有公共的直流母线，而在电动汽车领域使用电池组进行供电，可以获取多个直流电源，因此H桥三电平拓扑也得到重视。
为获取与上述两种拓扑同样的输出电压，Ua设为0.5Udc，因此每个H桥的IGBT耐压与二极管钳位型三电平拓扑相同，即0.5Udc。
与二极管钳位型三电平拓扑相比，减少了6个钳位二极管，可降低系统成本。
另外，此种拓扑采用三个独立的直流电源，有利于在满足绝缘电压限制的情况下适当提高电压等级。
上述变换器结构均为硬开关变换器，以较高开关频率运行时产生不可忽视的开关损耗和发热问题，而较大的dv/dt与di/dt产生的电压、电流尖峰威胁器件安全运行，并引起严重的电磁干扰。
针对此问题，有学者提出将软开关技术应用于电动汽车领域，通过在直流侧或交流侧增设无源器件以实现开关状态切换时电压或电流过零，理论上实现零开关损耗，但额外增加的辅助电路提高了系统的成本与复杂度，降低了系统可靠性。
研究结果表明，对于现有的软开关拓扑技术方案，由于辅助器件本身的损耗，软开关变换器并未在效率方面体现出明显优势，而增加的额外辅助器件和复杂的控制算法使得其在电动汽车中的应用还不具有综合优势。
针对不同的拓扑型式，学者们提出了各式各样的控制策略和算法，带来电机控制技术的不断提升。
1.2 控制算法研究动态
当前永磁同步电机常规的控制策略主要有三类，即恒压比控制（V/F）、矢量控制（Field Oriented Control，FOC）、直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）Control，MPC）。
另外，随着社会与工业需求的不断提升，人们对永磁同步电机系统控制性能的要求也越来越高，一些学者将先进的智能控制算法引入了电机控制领域，与经典控制结合，形成了包括模型参考自适应、滑模变结构、内模控制、自抗扰和模型预测控制等现代控制理论以及诸如神经网络算法、遗传算法、专家系统以及模糊控制等各类人工智能算法在永磁同步电机控制系统中的应用越来越多。
（1）模型参考自适应控制
模型参考自适应控制（Model Reference Adaptive System ，MRAS ）是一种基于被控对象数学模型的方法，也是现代控制理论的一个重要组成部分。
它在外部扰动作用下能自动调整系统自身的控制参数，有效降低扰动对被控系统的影响，但该方法的计算量较大。
（2）滑模变结构控制
滑模变结构控制（Sliding Model Control，SMC）是一种不连续的非线性控制策略，在控制过程中系统结构根据开关特性变化，一直处于滑动模态。
滑模变结构控制的优势在于：对系统参数要求低，动态响应快，对外界扰动和参数变化的鲁棒性强。。
（3）内模控制
内模控制（Internal Model Control，IMC）由20世纪中期的Smith预估控制器发展而来，是一种根据过程数学模型设计控制器的控制策略，它的优点是参数调整比较方便，系统复杂度也比较低。
（4）自抗扰控制
自抗扰控制（Active Disturbance Rejection Control，ADRC）是在PID 控制的基础上发展起来的一种无需精确系统模型的非线性控制手段，它通过对系统扰动的实时估计和补偿，在参数变化等扰动作用下能获取较优的控制性能。
自抗扰控制的特点是计算简单、动态响应快、稳态精度高、抗干扰能力突出。
（5）模型预测控制
模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）是根据当前状态和预期控制目标，直接预测下一控制周期的电压矢量，与传统的矢量控制相比，它简化了电压矢量的获取过程，动态响应更快。
又分为无差拍和有限状态机MPC控制策略。
（6）智能控制
智能控制（artificial intelligent control system，AICS）是将各种人工智能控制算法与经典控制策略及现代控制理论相结合的一种新兴控制方式，它不完全依赖电机的模型与参数，只根据实际效果调整控制参数，适合用于模型不确定性大、非线性强的场合。
包括神经网络算法、模糊算法及遗传算法等。
除了以上各种前沿控制策略和多电平拓扑结构以外，经典控制理论经过近几年软件和电机工程师们的不懈努力，也得到了不断完善，呈现出许多精雕细琢般的算法研究和应用。
1.2.1 高调制比
日产的工程师经过对Leaf几代产品的试验和长期使用数据积累，认为磁钢的运行温度是确定的，排除了磁钢冷、热态磁性能差异性的影响，因此可忽略反电势的波动，即可以将母线电压利用率提高至100%，调制比达到1。
同时，Leaf工程师在18MY的控制程序中加入了一种基于热网络法的“热保护策略”，能够根据少量的反馈信息推断出磁钢真实的温度，实现电压利用率的动态调整。
一般来说，直流逆变成交流，基于可靠性方面的考虑，调制比一般小于1，比如13MY的母线电压利用率最高为80%。
电压利用率越高，控制环路饱和时电流的跟随响应越差，失稳风险越高，甚至失控。
电压利用率的提高意味着电机在高速区不需要过大的弱磁电流，转矩角变小，功率提升的同时降低了铜耗，基于这一技术，18MY的最高效率上升了1.2%。
图1-5 Nissan Leaf 18MY和13MY电压利用率
图1-6 Nissan Leaf 18MY和13MY电机效率
1.2.2 MTPL
通用汽车基于Chevy Spark和Chevy Bolt所用的驱动电机，认真研究了最大效率控制策略。
我们常用的MTPA算法仅使得定子电阻损耗最低，铁损并不是最优，因而总损耗也并百最优。
通用汽车通过认真比较三种不同的电流矢量控制技术，即最大转矩/电流(MTPA)、最大转矩/电机损耗(MTPML)和最大转矩/系统损耗(MTPSL)，进了行了广泛的试验测试，同时在弱磁区采用六步电压法（SSA）调制，实现了驱动电机系统的最大效率运行。
图1-7 电流轨迹图
图1-8显示，MTPL和MTPA具有不同的转矩角特性。
如图1-9，同一电流值下，MTPL和MTPA表现出不同的电气特性，此电流下MTPA最优转矩角为44deg，MTPL最优转矩角47.5deg，MTPL获得的是最高效率，MTPA获得的是最大转矩。
图1-8 某一电流时不同控制策略下的电气特性
1.2.3 DB-DTFC
DB-DTFC是将无差拍(DB)控制与直接转矩和磁链控制(DTFC)相结合发展起来的一种新型的控制算法。
与电流矢量控制相比，采用电流和磁通观测器的组合，转矩和磁通都可以直接和独立地控制。
在恒转矩区域，通过转矩命令可以确定对应于MTPA操作的磁通命令。
对于深度弱磁区域，算法中采用平方根判别法（Square-Root-Condition，SRC），通过使用磁通观测器提高控制精度。
奥迪公司对此进行了深入研究。
图1-9 奥迪DB-DTFC控制框图
如图1-11，可以发现DB-DTFC的转矩响应要快于PI控制器，与此同时，在给定转矩由4Nm变为8Nm时，定子磁链变化明显。
图1-10 DB-DTFC&PI转矩和磁链响应
1.2.4 安全失效检查及控制
永磁同步电机在使用过程中可能一些潜在的隐患，比如电机的位置传感器故障、控制器的电流传感器故障、电机定子绕组开路等。
在永磁同步电动汽车领域中，电机定子绕组开路的情况极少发生，并且所产生的影响也只是动力缺失而不会造成飞车等失控现象，对驾驶者的安全危害相对前两者会小一些，所以在此不对其进行研究。
位置传感器和电流传感器故障都会造成严重的危险。
对位置传感器故障首先需要进行判定，目前主要有两种判定策略，一种是基于角度估计模型的实时故障判定策略，通过角度估计模型得到估计角度后再与位置传感器的实时角度进行对比并获得误差值，然后将误差值和设定的故障阈值进行比较，并且在位置传感器正常时对角度信息进行校准，从而得到更准确的估计角度。
另一种是基于无损卡尔曼滤波（简称UKF）的故障判定策略，将电机模型离散化，通过对输入变量和状态变量的均值和协方差进行UKF处理得到输出变量，输出变量中包含了电机的三相电流信息和电角度信息，对所得到的数据进行处理后即可判断是否有故障发生，这种判定策略的优势在于不仅能判断位置传感器故障同样能判断电流传感器的故障，通用性更强。
图1-11 驱动电机矢量控制框图
图1-12 电角度估计流程图
判定出故障后，通常会针对高低速制定不同的处理策略，高速时采用基于锁相环的控制方式估计位置角度，低速时可采用高频注入的方式。
图1-13 锁相环转子位置估算流程图
电流传感器的故障诊断可以根据电流残差进行判断。
图1-14 电流故障诊断框图
图1-15 电流故障诊断逻辑图
1.2.5 MTPA高频注入法
近年来，为了提高最大转矩电流比控制方法的鲁棒性，学者们相继提出可通过注入辅助信号的方法来跟踪MTPA的工作点。
高频信号注入法的主要原理是通过向电机的定子绕组中注入高频小电流信号，依据在MTPA工作点处电磁转矩对电流角的变化率为零的原理，实时追踪MTPA工作点，实现MTPA控制。
图1-16 高频注入MTPA控制系统框图
基于信号注入法的MTPA控制、MTPA控制和id=0控制的实验结果进行了分析对比，得到三种控制策略在不同负载条件下的转矩-电流关系曲线图，如图1-17所示，图中横轴为负载转矩，纵轴为定子电流有效值，红色曲线为高频注入法MTPA 控制，蓝色曲线为MTPA控制，绿色曲线为id=0控制。
可以看到，在不同的负载条件下，信号注入法MTPA控制的定子电流有效值均小于另外两种控制，而MTPA控制的定子电流有效值则小id=0控制。
对比实验结果验证了基于高频注入法的MTPA控制策略的电流利用率高于MTPA控制和id=0控制，最大限度地增强了IPMSM的转矩输出能力，使得电机的运行效率最大化。
图1-17 高频注入MTPA控制系统框图
1.3 脉宽调制策略研究现状及发展
脉宽调制策略（Pulse-width Modulation，PWM）是根据伏秒平衡原理控制开关管的通、断以实现近似等效输出给定基频电压的策略，是与逆变器拓扑共生的关键技术。
经过几十年的发展，PWM技术从最基本的正弦波PWM（Sinusoidal PWM，SPWM）发展和衍生出多种不同类型的优化PWM，如1-18所示：
图1-18 二电平逆变器PWM策略分类
载波调制（Carrier based Modulation, CBM）可按照采用的载波个数进行分类，即单载波调制和多载波调制。
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）进行比较来控制开关管的动作，具有实现简便，计算量小的优势。
当前应用最为广泛的空间矢量脉宽调制（Space Vector PWM, SVPWM）从电机磁链圆的角度出发，可以看作是由三角波与有一定三次谐波含量的正弦基波调制而成，通过分解参考矢量以计算主、次电压矢量的作用时间，其优势在于输出谐波畸变率小、直流电压利用率相对于SPWM提高15%。
三次谐波注入PWM，是指在三相正弦调制波上注入特定幅值的三次谐波来改进PWM的性能，如1/6三次谐波注入PWM 能够最大化直流母线电压利用率，1/4三次谐波注入PWM能够优化输出波形质量，最小化电流纹波损耗。
上述三种PWM，开关序列均为“七段式”，在每个载波周期内，三相开关状态均发生切换，并且调制波为连续波形，因而被定义为连续PWM。
为了降低开关损耗，不连续PWM（Discontinuous PWM，DPWM）采用“五段式”开关序列，特定相输出电压在若干连续载波周期内钳位于直流母线使得此相开关管不动作。
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，根据不同位置所选用的零电压矢量，DPWM可分为DPWMMAX、DPWMMIN、DPWM0、DPWM1与DPWM2。
但是相对于连续PWM，DPWM不具有谐波边带消除的现象，使得加权谐波总畸变率增加。
针对此问题，有学者提出了一种先进母线钳位脉宽调制策略来改善DPWM的输出谐波性能，但该方法只在较高调制度时有效。
研究表明单载波PWM算法均可以通过向三相正弦调制波中注入特定的零序分量来实现，从而将单载波PWM算法进行了统一化。
多载波调制算法即采用多个载波与调制波比较，获取三相触发脉冲，对于两电平逆变器，目前只局限于载波层叠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”，约束了PWM算法的性能改进空间。
程控PWM 解除了这个约束条件，单个脉宽不在局限于一个时钟脉冲窗口内，其幅值和位置能够在一个更宽的时间间隔上发生变化。
离线程控PWM的特征在于采用目标函数的最小化来确定开关时刻，优化计算过程采用离线计算获取一系列的开关角度并存储在PWM控制器的内存或EPROM中，通过查表法实现对开关管的控制。
SHEPWM作为一种典型的程控PWM，其优化目标是消去指定次谐波，但无法控制非指定次谐波的含量，为此有学者提出了一种指定谐波减弱PWM（SHMPWM）。
SHMPWM将指定次谐波的含量限定在特定的谐波标准以内，从而能够兼顾更多的谐波成份，有利于提高整体谐波性能。
同步优化脉宽调制能够以较小的开关频率实现输出谐波的改进，适应于大功率场合。
上述三种算法均需要求解超越非线性方程组，计算量随着开关角度的增加指数级增大，计算资源的固定开销使得其在线实施极其困难。
由于优化目标往往基于稳态进行设计，其动态特性的改善是目前研究的瓶颈。
SHCPWM可实现开关角度的在线计算，但仍需要较大的计算量。
混合PWM（Hybrid PWM）是指两种或多种PWM的混合，目的在于充分利用不同PWM算法的优点。
比如在低调制度使用SVPWM而在高调制度使用SHEPWM的混合算法，或者在低调制度使用SVPWM，而在高调制度使用DPWM1的混合算法。
混合PWM的关键在于设计合理的PWM切换准则，这样才能够充分利用不同PWM算法的优点。
为改善PWM性能，一些新的概念被应用于PWM算法，包括随机PWM、小波调制与智能调制等。
随机PWM为解决逆变器的噪声和电磁兼容问题提供了一个有效的思路，通过将脉冲位置或（与）开关周期随机化处理，以获得不同的功率谱密度。
小波调制由通信领域中衍生而来，能够显著降低输出电压总谐波畸变率、扩宽线性调制范围并降低开关损耗。
利用小波调制的多速率特性，采用联合估计的方法，可以提高系统的抗干扰能力。
目前，小波调制已成功应用于感应电机与永磁电机调速领域。
智能调制是指将智能算法应用于PWM以改善逆变器性能，如神经网络技术与免疫算法被应用于开关管的动作时刻计算，有利于减小功率开关器件非线性对输出性能的影响，优化输出波形质量，但智能算法开销较大，目前在线应用还存在难度。
除了以上概述的调制方法外，还有其它一些值得关注的并有实际应用价值的调制算法。
2.3.1 线电压调制技术
在传统的电机控制中，电压调制策略一般采用SPWM和SVPWM策略。
对于SPWM调制策略来说，控制算法较为筒单，计算量小，但是直流母线电压利用率较低。
相较于SPWM，SVPWM提高了直流母线电压利用率，使得逆变器输出的最大线电压可以迗到直流母线电压。
在空间电压矢量调制过程中，需要对电压矢量的扇区进行判断，然后再根据七段式逼近法确定各个电压矢量的作用时间，从而确定各个桥臂上下开关管的开关切换时间。
相对而言，SVPWM的计算量会较大，从而较多的占用了DSP的资源，故为了减小DSP的计算量，加快DSP的运行速度，可以引入线电压调制法。
线电压调制的基本思想是确定一个基础相占空比δB，其余两相根据三相调制比不变原理求出，大大简化了求解过程，适用于DSP资源紧张的情况下。
图1-19 线电压调制原理
图1-20 基于线电压调制的电机控制框图
图1-21 线电压调制与SVPWM两种算法耗时比较
1.3.2 六步电压法（SSA）调制
采用六步法调制时，在每个电周期中逆变器开关仅动作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，为了产生正转矩，参考电压矢量应在一个电周期内按逆时针旋转，逆变器输出的电压矢量依次为U4→U6→U2→U3→U1→U5→U4。
图1-22 六步电压法空间矢量图
六步电压法调制下的线电压可表示为如下形式：
由上式可知，此时相电压与线电压有的相差30°电角度，且其峰值为，则其理论上是SVPWM相电压的1.1倍，即可以将速度扩大1.1倍。
1.3.3 三电平SVPWM调制
多电平逆变器与高开关频率的两电平逆变器相比，电磁干扰较小，损耗也小，三电平逆变器可能成为电动汽车应用的替代品。
目前研究较多的调制方法是SVPWM和载波PWM。
通用汽车公司对三电平逆变器已潜心研究了多年，首先开展了SVPWM和三次谐波注入的PWM调制方法的比较，结果显示SVPWM在逆变器损耗和转矩脉动方面均优于载波PWM，随后又进一步研究了SVPWM和载波PWM的混合调制，大大降低了计算的复杂度。
图1-23 SVPWM和THPWM的
三电平逆变器功率管有27个状态，对应27个空间矢量，构成了一个正六边形，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，组成不同的状态来进行波形的调制。
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
随着新能源汽车驱动电机的不断高速化，最高运行频率已超过了1000 Hz，当电机运行至高速段时开关损耗增大，电驱系统效率下降，此时可切换为PAM脉冲调制方式减少开关频次。
丰田公司对此做了充分的研究，随着电机运行频率的不断上升，逆变器的损耗占总损耗的比例越来越大，此时PAM调制方法优势就会显得非常明显。
图1-25 PAM和PWM电驱系统损耗对比
图1-26 基于PAM调制的控制框图
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