干货分享：《新能源汽车同步电机的控制策略》

2021年6月17-18日，上海电驱动作为战略合作单位，参加了由NE时代主办的“2021全球xEV电驱动系统技术暨产业大会”。上海电驱动电控研究院院长陈雷分享了《新能源汽车同步电机的控制策略》。

以下为分享内容：

其实今天讲的这个内容前面的专家都有所涉及，更多是从系统的角度分析整个电机控制器或者是电驱动系统发展的方向。我从一个方面，就是同步电机控制策略来说一下。第一个关于同步电机控制的基础，第二个应用于电动汽车控制策略的特点，第三个未来发展方向，也包括我们纯电驱动产品的规划。

一、同步电机控制基础

大家都是行业里的专家，可能对这个东西都比较熟悉。同步电机的控制基础的理论就是基于空间矢量的理论，把电机的一些三相的参数，电流、电压等进行基于同步旋转坐标系的空间分解，从而简化控制，通过一些简单的直流量的控制实现整个电机系统能够按照要求的扭矩来进行工作。因为我们现在用的新能源汽车的电机，大部分用的是IPM这个电机，需要低速时扭矩比较大，同时需要一个比较宽的调速，最高速度要比较高，基本上电机控制工作在两个区间，第一个，在低速时，按照MTPA即最大扭矩电流比工作，高速时工作在弱磁区域。基于对理想电机模型的理论分析，能够推导出比较理想的电机工作的轨迹，如这两个公式。但实际中，在我们设计电机的时候，电机不是一个理想的电机，电机的参数，如Ld/Lq等，也会随工况变化，所以实际的工作中需要进行电机的细致标定。电机的标定基本上按照两个工作模式进行，在低速时，对电机进行电流扫描，获得MTPA的曲线，在高速时，进行电压的扫描，获得弱磁区最优的工作轨迹。电压扫描时因为不是电流闭环的控制，需要注意抑制电流的波动。这样可以对指定设计的电机进行精细标定，在全转速段获得最优的工作轨迹。

二、应用于电动汽车的控制策略

我们应用于电动汽车的同步电机控制，还是基于客户对整车的需求来往下分解，做策略的开发。新能源汽车对电驱动系统的需求大家也讲了很多，总结下来还是这些。高扭矩、宽调速影响整车的加速性能还有最高的车速。然后是高效率的需求，因为在电池不变的情况下会影响续航的里程。高功率密度、低成本，低成本化是整车对电驱系统持续不断的要求。可靠性、安全性不用说了，特别在随着这个行业的成长，出货量越来越大。还有NVH和EMI的优化。

电机控制器要有相应的技术发展的方向，来适应整车对电驱系统的需求。对应的在控制策略上，会有一些特定的策略来满足整车对电驱系统的要求，这里提几点控制策略的方面。第一个动态弱磁的部分，电机高速的时候会进行弱磁，理论上弱磁也是比较成熟的，但是因为电机本身的参数和反电势会随着环境各个因素以及单体的不一致性产生一些变化。所以有可能在电压利用率高时，这个高速弱磁会产生一些饱和的现象。通过利用一些动态弱磁，也就是说用电压闭环的方式可以对一些参数做一些补偿，使得控制器能够持续的维持这个弱磁的效果，好处是可以保持高电压利用率，高速之后输出更大的功率，或者更高的效率。

第二个是关于电流环设计，电机控制当中存在交叉耦合项的问题，会影响电流控制的稳定性，传统的控制在载波比较小时，有可能出现系统控制发散。所以要有这个方法通过交叉耦合项进行补偿，可以把整个系统的稳定性做到更好，这样在一些特殊的工况，极限的工况，可以让这个系统更稳定更安全。

DPWM刚刚其它专家有介绍过，电机控制器的损耗分两部分，一部分是导通的损耗，一部分是开关的损耗，功率器件的提升能够让这两部分都可以损耗降低，效率提高。但从控制的角度也有一些方式，比如通过DPWM的方式，开关次数可以降低三分之一，开关损耗是降低的，控制器的效率可以提高，但同时要根据不同的工况选择一个合适的DPWM的方式，以获得最大的收益。

还有过调制，这个跟刚刚说的弱磁也是有相关的。在高速的时候当控制器的电压利用率更高，效率会更高。控制的目标就是高速的时候可以不断的提高电压的利用率，过调制也是一个方式，可以使得高速之后电压利用率可以提高，从而提高高速弱磁区的效率。

关于NVH优化的部分，整车对于NVH优化的要求没有止境，每个项目的NVH都是需要不断的优化。NVH的优化也是电驱控制器控制策略上不断提高的关键部分。第一个是主动阻尼的控制，当驱动系统因为一些结构的原因造成转速出现抖动的时候，会传递到整车，让驾驶员感受到。控制器可以通过主动阻尼的方式，抑制转速的一些抖动，提高舒适性。还有随机PWM，传统定频的SVPWM会在开关频率和阶次频率处产生比较大的电磁噪音，如果是随机的PWM，可以把开关的电磁噪音打散，这样就不会有明显的噪声感受。

谐波注入，刚刚有说过电机一定是一个非理想化的电机，一定是有一个转矩的脉动，会造成NVH的问题，当然NVH是一个系统性的问题，不一定转矩脉动一定会造成NVH的问题，但是有可能在整车上在某一个转速点就会产生比较难受的一个啸叫的声音。电机控制器可以通过主动的电流谐波的注入，尝试解决问题。根据整车对应的NVH的表现，根据特定阶次的噪声数据，对应的注入特定阶次谐波的电流，然后可以抑制转矩脉动，从而抑制在整车上出现比较大的NVH的问题。

关于加速度观测器的问题，并不直接体现在控制器的功能上面，但是电驱控制器实际整车运行中，一些功能如主动阻尼、驻坡、转速环等等这些需要知道加速度的信号，然后再进行功能的实现。传统的加速度计算方法，抗扰性会差一些，如果利用加速度观测器效果会更好一些，实现这些整车的功能更容易一些，实现的效果会更好一些。

关于EMC部分，或者说可靠性相关的，共模电压抑制。传统的SVPWM会产生共模电压，由于有零矢量存在，这个共模电压会比较大，共模电压会产生EMC的问题，同时也会产生轴电压的问题，到了800V之后轴电压会更高，轴电压有可能在某些特定的整车的环境下面造成轴承的电腐蚀，一旦腐蚀产生，会造成一些异响等，降低系统可靠性和寿命。轴承电腐蚀的解决方案有很多，可以从电机结构、硬件等方面。从控制策略方面可行的办法是用更低的共模电压控制的方式，取消零矢量，可以一定程度上降低共模电压，让轴电压会小一些，产生轴承电腐蚀的可能性降低，EMC也会好一些。

关于软解码的部分，这个策略最终的目的是为了降低控制器的成本。现在的电机都是用旋转变压器进行位置的检测，传统控制器都是使用专用的解码芯片，解码芯片成本不低，特别对于小功率的电驱产品来说。利用软件解码可以把这部分的成本省掉，软件解码的原理跟硬解码类似，MCU产生激磁电压，对反馈的信号做采样，做锁相环，输出解码角度，实际解码的效果在精度上来说并不差，并且在抗干扰性上可能比硬件解码更好，也更灵活。上海电驱动2015年已经量产软解码的方案，在业内是比较早的，这个芯片还是普通的ADC采样。到了新一代的芯片大家都会用带DSADC的，整个软解码会更容易做。

关于安全相关的无位置传感器控制。因为电机上面是带旋转变压器，这个器件本身有失效的概率，信号还要有线束到控制器上面，线束也会有失效的概率，如果出现失效，整车有可能会出现动力中断的问题，这个也是影响驾驶安全的。控制器可以利用无位置传感器控制的方式，可以通过算法估算电机的位置，在旋变失效时，动力输出可以不中断，但可能进行一些降额，可以使这个车安全的停到路边，或者开回4S店。

软件架构和功能安全，刚刚讲的基本都属于电机算法的内容，但整个控制策略还是在电动汽车的应用中，还是要符合汽车的一些软件普遍性认可的标准。比如说软件架构，要符合汽车上面的AUTOSAR的标准，进行分层的设计，整个设计会比较模块化，同时也是比较开放的一种开发方式。功能安全也是汽车里面对电机控制要求非常严格的一个点，其中最关键的点就是扭矩的安全，除了刚刚讲的这一套的扭矩控制的方法之外，还需要用额外的算法计算电机的扭矩值，这样能够确保控制器对扭矩的输出是符合预期的。对于软件的开发一样非常重要的是开发的体系流程，因为现在对软件，对整体开发的时间要求其实是越来越短，没有一个很好的流程来保证整个开发的过程，其实是非常容易出问题的。我们也在这里做了不少投入，包括软件工具、体系建设等。

三、未来发展方向

对于未来发展方向，这里简单提了一点，也是根据新能源汽车对电驱动系统方面的要求，未来还会在控制策略上面要进行不断的进步，基于各个功能性能、效率、低成本等，未来还会面对智能化，会有更高速的一些网络通讯的要求，包括信息安全等。

最后介绍一下上海电驱动在纯电车的电驱动这个领域产品的路线，上海电驱动是这个行业里面做的比较早的，2008年就开始做新能源汽车的电机和电驱的产品。在2016年之前其实都是分体式的产品，从2016年就开始研发三合一的系统，2018年6月份我们开始量产第一代的三合一的系统，这个应该来说是比较早的一批。我们第二代的三合一的系统相对来说产品功率段更多，集成度更高。第二代三合一去年也陆续量产。第三代已经在进行开发，会把这个电驱动系统集成化度做的更高，包括多合一、800V、SiC等技术趋势也在应用。