电动汽车用IPMSM直接转矩控制 系统效率优化

邱　鑫　黄文新　卜飞飞　杨建飞

电动汽车用IPMSM直接转矩控制 系统效率优化

邱鑫1，2黄文新1卜飞飞1杨建飞2

（1. 南京航空航天大学江苏省新能源发电与电能变换重点实验室 南京 210016 2. 南京师范大学江苏省三维打印装备与制造重点实验室 南京 210042）

为提升电动汽车续航里程，提出一种车用内置式永磁同步电动机（IPMSM）直接转矩控制系统的在线效率优化方法。首先分析IPMSM的铜损和铁损，并将控制器损耗归入铜损，以全面考虑IPMSM驱动系统的电磁损耗。同时推导了铜损和总电磁损耗随定子磁链变化规律，并在此基础上，得到一种适用于电动汽车频繁变速运行的分区式效率优化方法。该方法利用离散化思想，根据转速和转矩将电动机运行范围分为不同区间，并在各自区间内单独作寻优搜索。所述方法对寻优算法依赖性小，实验结果验证了该在线效率优化方法的有效性和可行性。

内置式永磁同步电动机 直接转矩控制 效率优化 电动汽车

0　引言

近年来，虽然电动汽车相关技术得以迅速发展，但是其中电池的容量和体积重量等因素仍是阻碍电动汽车进一步推广的关键瓶颈。因此，在电池容量有限的条件下，提升电动汽车驱动系统整体效率对于提高续航和节约能源均有重要意义［1-3］。

现有中小型电动汽车多采用内置式永磁同步电动机（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor， IPMSM）［4-6］，虽然IPMSM自身具有高效率、高功率密度等优点，但在电动汽车应用场合，还需结合控制算法保证IPMSM在复杂运行工况下高效率运行。

由于电动机励磁强度与铜损及铁损息息相关，因而现有控制方法一般从调节电动机无功分量的途径优化系统效率。如文献［5］提出的一种与矢量控制（Vector Control， VC）结合，通过闭环调节直轴电流效率优化方法，但由于直轴电流的改变会导致输出转矩变化，因此该方法通常需要同时补偿交轴电流以避免影响输出转矩。作为另一种高性能永磁电动机控制方法，直接转矩控制（Direct Torque Control， DTC）直接对电动机磁场和转矩进行控制，将其用于效率优化时仅需调节定子磁链分量，实现更为方便［7-9］，因而文中效率优化方法选择与DTC结合实施。

根据实现手段，现有效率优化算法主要分离线式和在线式两种。如文献［10］提出的离线效率优化方法，利用损耗方程计算对应最高效率的磁链给定量。但其中损耗系数不仅受电动机材料和工艺影响，而且随电动汽车不同工况变化，需要大量离线测试确定，不利于实际应用。在线式效率优化方法不受电动机参数等因素影响，根据母线输入功率和输出功率实时值，通过寻优算法保持系统最优效率运行［11-14］。现有在线效率优化方法多从改进寻优算法角度出发，如黄金分割法［11］、模糊控制法［13］等，这些方法能有效加快寻优收敛速度。但是由于受开关器件斩波等因素影响，功率信号一般需要经过大惯性滤波环节才能得到有效数值，导致即使收敛算法再优秀，也无法获得很快的收敛速度，进而在电动汽车等变速运行场合难以运用。

本文从电动汽车用IPMSM直接转矩控制角度出发，首先通过理论分析得到IPMSM驱动系统铁损和铜损的损耗方程，推导系统电磁损耗随定子磁链变化规律。在此基础上，提出一种适于电动汽车的在线效率优化方法。所提方法将电动机运行状态分为不同区间，并在各自区间单独优化最优效率，从而把传统单线式优化方式扩展至工作平面优化方式。实验结果表明，该方法可在电动机变速运行时作最优效率优化运行，适于电动汽车等应用场合。

1　IPMSM控制系统的电磁损耗

在电动机控制系统中，损耗主要包括电动机的铜损、铁损、机械损耗和杂散损耗等，以及电动机控制器的开关损耗等。其中机械损耗和杂散损耗虽难以测控，但它们通常占总损耗比例较小［14］，因此，电动机控制系统的效率优化研究通常针对铁损和铜损等主要损耗展开。下文将从直接转矩控制角度分析IPMSM控制系统电磁损耗。

1.1IPMSM控制系统的铁损

IPMSM控制系统的铁损主要包括电动机的磁滞损耗PHy和涡流损耗PEd，分别表示为

式中 GFe——铁磁材料重量；

f——电频率；

Bσ——磁通密度；

b——铁磁材料厚度；

ρ1，ρ2——铁磁材料的电阻率和密度；

k1，k2——铁磁材料磁滞系数。

为分析方便，不考虑铁心局部饱和，根据磁链ψs与磁通密度Bσ之间关系

式中 z

——绕组匝数；

S——磁路截面积。

将式（2）代入式（1），并令

可得铁损PFe为

可见，IPMSM控制系统的铁损与频率和磁链均相关。

1.2IPMSM控制系统的铜损

一般地，IPMSM定子绕组电阻上的损耗被称为电动机铜损，即

IPMSM控制器的损耗也主要与电流有关，主要包括功率开关管的导通损耗和开关损耗，在开关频率和母线电压等参数不变情况下，可近似表示为［15，16］

式中，A0、B0和C0为表征开关管及其寄生二极管特性的特征系数。

由于Pmotor与Pswitch均与电流相关，文中将IPMSM的铜损和控制器的损耗结合，作为系统总铜损，得到

1.3电流与磁链关系

DTC的直接控制量是磁链与转矩，它的效率优化通过调节磁链的途径实现。由式（4）可知，磁链与铁损之间存在直接对应关系，但磁链与铜损则没有直观的联系，下文将对此进行分析。

从电流角度，IPMSM的转矩方程为

式中 Ψf

——转子磁链；

P——电动机极对数；

Is——定子电流；

Lq， Ld——交、直轴电感，不失一般性，以凸极

电动机为例，Lq＞Ld；

θ——电流角，Is与d轴的夹角，转矩随θ变化规律如图1所示。

图1中T0=1.5PψfI0。由图1可知，以Is=I0为例，当电动机工作在A点时，具有最大的转矩电流比，对应的直轴电流Id为

式中，Iq为交轴电流分量。

图1　转矩Te与电流角θ关系Fig.1　The relationship between torque Teand current angle θ

式（1）表明，在一定输出转矩条件下，必然存在一个使得电动机电流幅值最小的直轴电流量。

从DTC角度出发，IPMSM的转矩方程为

式中 Ψq, Ψd——定子磁链交、直轴分量。

若要保持输出转矩不变，则

以图1中A点变化至B点为例：

（1）当θ＞90°并逐渐减小至90°时，电流幅值Is增加，Iq增加，ψq增加，为满足式（11），ψd必须增加，因此定子磁链ψs增加。

（2）当θ＜90°时，随Is增加，ψd增加，为满足式（11），ψq必须增加，因此定子磁链ψs增加。

反之同理，由A点变化至C点时，定子磁链ψs持续减小。

由以上分析得到定子磁链与定子电流幅值之间关系：在相同转速转矩条件下，随定子磁链单调变化，必然存在唯一定子磁链使得定子电流幅值最小。

1.4损耗与磁链关系

由1.2和1.3节结论，可得到IPMSM控制系统的电磁损耗为

忽略参数变化，各损耗变化趋势可由图2定性表示。由图2可知，在频率和转矩不变时，铁损随磁链增加而增加，而铜损先减少后增加。当满足铜损随磁链下降速度大于铁损上升速度的条件时，则存在一总电磁损耗最小点，即效率最高点。

一般地，IPMSM的电负荷和磁负荷通常被设计在接近水平，因而合理设计的IPMSM驱动系统的铜损和铁损大小相当。此外，对比式（4）与式（7），由于磁链/电流=电感，通常中小功率永磁电动机电感L多为mH级，电流的变化速度是磁链变化的1/L倍，即铜损的变化速度通常远大于铁损变化速度，因此，常规IPMSM驱动系统能满足图2中效率最高点的存在条件。

图2　损耗随磁链变化规律Fig.2 The changing rule of power loss with stator flux linkage

2　电动汽车用IPMSM在线效率优化方法

根据上文分析，在一定工作状态下，必然存在一最优磁链使得IPMSM控制系统效率最高。但由于磁链、转矩和电流等分量之间的耦合关系，最优磁链的解析式难以直接推导，因此文中采用在线效率优化方法。

2.1分区式在线效率优化方法

虽然在线效率优化方法具有对电动机参数变化不敏感等诸多优点，但由于功率计算需要一定的滤波时间，而且电动机励磁调节也需要一定的收敛及稳定时间，因此在线效率优化方法通常具有较长的运行周期。而电动汽车与其他电驱动系统不同，它运行于频繁加减速状态，难以长时间保持稳定的工作状态，导致寻优搜索尚未达到最优时已进入新的工作状态。因此，常规在线效率优化方法难以满足电动汽车的需求。

针对电动汽车的运行特点，文中提出了一种分区式在线效率优化方法。如图3所示，电动汽车用IPMSM的外特性主要由转矩及转速衡量，该两变量共同构成IPMSM的运行区间。若将转矩和转速区间平分为多段，则运行区间被平分为多个独立区间，每个区间代表IPMSM不同运行状态。在每个独立区间内，均可实施效率优化运算，具体实施方式如图4所示。

如图4所示，所述单个区间内效率优化采用常规扰动式寻优方法。当IPMSM运行至某一区间时，即可根据已存储的输入功率、效率和磁链等数据，进行相应区段内的效率优化并进行存储更新。

图3　电动汽车运行状态分区Fig.3　The partitions of EV operation state

图4　效率优化算法流程Fig.4　The flow diagram of efficiency optimization

不同于传统效率优化方法，所述分区式效率优化方法将寻优搜索过程“多线程”化，对于搜索算法的寻优速度无太高要求，更适合频繁变速的电动汽车应用场合，在正常行驶过程中，随IPMSM多次加减速运行后，即能达到全局最优。

2.2结合DTC的在线效率优化方法

将上述在线效率优化方法与直接转矩控制结合，整体控制结构如图5所示。文中使用SVPWM- DTC方法以避免传统DTC转矩脉动大和开关频率不稳定的缺点。

为省却母线电流采样元件，降低系统成本，输入功率使用瞬时功率计算的方法获得

所得功率Pinput经滤波后，即可用于图4所示效率优化算法。

图5　IPMSM在线效率优化直接转矩控制方法整体框图Fig.5　General control strategy block diagram of the IPMSM online efficiency optimization DTC method

3　实验

为验证所述IPMSM效率优化直接转矩控制方法的正确性，搭建如图6所示的拖动实验平台。其中，负载由一台5.5kW异步电动机提供，该异步机由变频器驱动，运行于转矩控制模式。被测样机为一台额定功率1kW的IPMSM，其额定转速为1 000r/min，额定转矩为10N·m，极对数为3，最大相电流为20A，永磁磁链为0.2Wb，运行于转速控制模式。被测样机与异步电动机之间安装转矩转速传感器以精确测量负载转矩。

图6　拖动实验平台Fig.6　Dragged experiment platform

样机控制器使用Freescale DSP 56F8346作为控制核心。母线电压为200V，控制器开关频率为8kHz。

3.1固定运行状态效率优化实验

为验证所提方法在固定工作状态下的效率优化能力，控制样机运行于500r/min，负载转矩为10N·m，初始磁链给定分别为0.168Wb和0.244Wb。图7给出相应的定子磁链幅值、输入功率、输出功率、效率和相电流波形。

由图7可知，所述效率优化方法在不同起始给定磁链幅值下，均可稳定收敛至最优磁链给定。此外可以发现，在电动机运行时，由于参数的变化，最优磁链也跟随变化，并不是固定值。

图7　500r/min负载转矩10N·m时固定状态效率 优化实验波形Fig.7　Stable state efficiency optimization experiment waveforms at 500r/min with 10N·m load torque

3.2 变速运行效率优化实验

为验证文中所提方法在变速运行时的效率优化能力，控制IPMSM在200r/min至1 000r/min之间增减速运行，运行周期为20s，负载5N·m，初始磁链幅值给定0.168Wb，在25s时启动效率优化算法。图8给出相应实验的定子磁链幅值、输入功率、输出功率、效率和相电流波形。

图8　负载转矩5N·m变速运行时效率优化实验波形Fig.8　Variable speed efficiency optimization experiment waveforms with 5N·m load torque

由图8可知，在增减速运行过程中，各分区的效率逐渐增加，在约4次增减速循环运行后趋于稳定。效率未优化时最低（200r/min）与最高（1 000r/min）效率分别为0.6与0.87，优化后分别达到0.72与0.93，系统效率显著提升。

4　结论

本文介绍了一种电动汽车用IPMSM DTC在线效率优化方法。在分析DTC下IPMSM铁损与铜损随磁链幅值变化规律的基础上，提出一种适合电动汽车应用场合的分区式在线效率优化方法。该方法将电动机运行区间按转速和转矩分区，并根据电动机运行状态分别对各分区作效率优化。实验表明，所提在线式效率优化方法在稳定和变速运行状态下可靠提升系统效率，且不依赖优化算法和电动机参数。

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邱 鑫 男，1985年生，博士研究生，主要从事电动汽车驱动、电力电子与电力传动方面的研究。

黄文新 男，1966年生，教授，博士生导师，主要从事新能源发电、功率电子学及电机控制等方面的研究。

Efficiency Optimization of IPMSM Direct Torque Control System Used in Electric Vehicles

Qiu Xin1，2Huang Wenxin1Bu Feifei1Yang Jianfei2
（1. Jiangsu Key Laboratory of New Energy Generation and Power Conversion Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 210016 China 2. Jiangsu Key Laboratory of 3D Printing Equipment and Manufacturing Nanjing Normal University Nanjing 210042 China）

An online efficiency optimization method of direct torque control （DTC） system is proposed to increase the range of electric vehicles （EVs） using interior permanent magnet synchronous motor （IPMSM）. First of all， the iron loss and copper loss are analyzed and the loss of convert is included in copper loss to study the electromagnetic loss of IPMSM drive system comprehensively. The change rules of copper loss and total electromagnetic loss varying with stator flux linkage are also investigated， based on which， a discrete efficiency optimization method is raised to fit the variable-speed operating mode of EVs. The proposed method separates the EV operating range into several sections according the speed and torque， and the optimization search operation in each section is independent. For this reason， the method has little special demand for search algorithms. Experiment results show the validity and feasibility of the method.

Interior permanent magnet synchronous machine， direct torque control， efficiency optimization， electric vehicle

TM301.2

国家自然科学基金（50977045）和江苏省高校自然科学基金（15KJB470010）资助项目。

2013-0-12-29 改稿日期 2014-07-15