純電動(dòng)汽車用PMSM系統(tǒng)堵轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘 要：介紹了一種純電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的堵轉(zhuǎn)控制包含對(duì)原理、法規(guī)要求過程分析、測(cè)試方法及策略控制應(yīng)用，通過對(duì)永磁同步電機(jī)的基本工作原理變換到堵轉(zhuǎn)的工作原理及帶來的問題的原因，通過建立堵轉(zhuǎn)策略及仿真計(jì)算開展實(shí)施驅(qū)動(dòng)電機(jī)和IGBT的溫度保護(hù)策略，并確立目標(biāo)開展對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和IGBT選型設(shè)計(jì)，通過仿真設(shè)計(jì)校核并通過臺(tái)架和整車實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證設(shè)計(jì)目標(biāo)，驗(yàn)證了系統(tǒng)性能，安全性高，在通過設(shè)計(jì)對(duì)整車目標(biāo)進(jìn)行校核的同時(shí)，防止過度開發(fā)，降低了系統(tǒng)開發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：PMSM；PWM；堵轉(zhuǎn)；IGBT；載頻

0 引言

新能源電動(dòng)汽車因其低速大轉(zhuǎn)矩，高速高功率等特性，帶來啟動(dòng)強(qiáng)大的瞬間爆發(fā)力的同時(shí)，還帶來一系列行駛工況的問題，表現(xiàn)在性能、可靠性上，如溫升對(duì)磁鋼的影響，溫升對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器功率器件如絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）、MOS 管的性能影響到降功率，降電流輸出，另外還有一個(gè) NVH 噪聲和抖動(dòng)的問題對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來說影響主觀駕駛舒適性和安全性，同時(shí)堵轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)于驅(qū)動(dòng) PWM 的發(fā)波影響較大，隨機(jī)載頻及分段頻率也是需要標(biāo)定，通 過合理的應(yīng)用場(chǎng)景環(huán)境匹配發(fā)波策略，適用載人和載貨等不同負(fù)荷類型車輛應(yīng)用需求，當(dāng)前國家法規(guī)如強(qiáng)檢：電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)條件和試驗(yàn)方法也對(duì)堵轉(zhuǎn)等范圍特性進(jìn)行了定義概況性要求，但是對(duì)堵轉(zhuǎn)細(xì)節(jié)參數(shù)級(jí)約束沒有具體化，需要企業(yè)進(jìn)行各自的產(chǎn)品特性進(jìn)行適應(yīng)性開發(fā)和深入的研究來決定，尤其是在滿載負(fù)載情況下，出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)等惡劣的工況，對(duì)車輛及人員安全帶來挑戰(zhàn)，如在城市物流車領(lǐng)域，可能在載荷上比較靈活，如果堵轉(zhuǎn)性能與安全不能匹配，將會(huì)直接影響到車輛后溜，帶來風(fēng)險(xiǎn)。

單純的從產(chǎn)品特性應(yīng)用來看，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的功率器件架構(gòu)方案不同，存在于 IGBT、MOS 單管和 IGBT 模塊方案，其中模塊還有半橋和全橋之分，不同的電氣架構(gòu)及布局，帶來不同的 du/dt 和 di/dt，對(duì)功率器件堵轉(zhuǎn)性能控制差異帶來了挑戰(zhàn)，另，在目前如 SiC 的產(chǎn)品及扁線電機(jī)及油冷系統(tǒng)的應(yīng)用極大的提升了溫升平衡的能力，提升堵轉(zhuǎn)能力。本文基于設(shè)計(jì)一款城市物流車峰值功率 60 kw，額定功率 30 kw，堵轉(zhuǎn)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩 200 nm 不低于 5 s，峰值轉(zhuǎn)矩 220 N·m，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通 過整車動(dòng)力需求及 Matlab/simulink 建立仿真模型實(shí)施策略并通過臺(tái)架及整車測(cè)試并對(duì)工況應(yīng)用進(jìn)行分析驗(yàn)證。

1 堵轉(zhuǎn)工作原理

永磁同步電機(jī)（permanent magnet synchronous motor, PMSM），其定子繞組通常是由圓線或者扁線組成，轉(zhuǎn)子采用鋁鐵硼等材料的磁鋼實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子繞組勵(lì)磁磁場(chǎng)產(chǎn)生了反電動(dòng)勢(shì) EMF，根據(jù) PMSM 理論控制等效電路有電壓平衡方程：

如果堵轉(zhuǎn)時(shí)，從功率平衡來考慮，原先運(yùn)行定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分別產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流磁場(chǎng)在定子繞組通過反電動(dòng)勢(shì)抑制電流增加變成無轉(zhuǎn)子電流感應(yīng)磁場(chǎng)，定子磁場(chǎng)中電阻及自感包含漏感和勵(lì)磁電感直接加在堵轉(zhuǎn)后的電壓下，堵轉(zhuǎn)前三相驅(qū)動(dòng)是正弦波，一旦堵死后出現(xiàn)零轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子的位置被鎖定的固定位置上，實(shí)現(xiàn)方式通過固定的鎖止機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，此時(shí)相電流有正弦變成直流波形。

則上述公式變成了：

從公式上明顯看出，在電壓 Ui 不變的情況下，Is會(huì)呈現(xiàn)劇烈的上升，所有電壓全部施加到定子繞組電阻上，而且，由于轉(zhuǎn)子位置與電流直接關(guān)聯(lián)，隨著最大位置的出現(xiàn)到來，產(chǎn)生最大電流的出現(xiàn)，由于功率器件 IGBT 的熱容相對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組較小，一般會(huì)溫度爬升較快，會(huì)領(lǐng)先驅(qū)動(dòng)電機(jī)線包 NTC 溫度上升，如不能及時(shí)控制系統(tǒng)溫度的爬升和平衡，將會(huì)導(dǎo)致 IGBT 和驅(qū)動(dòng)電機(jī) NTC 溫度超過閾值達(dá)到報(bào)警而產(chǎn)生降功率，而通常為了應(yīng)對(duì)惡劣工況下降功率一般采用的方法是線性降轉(zhuǎn)矩，直到降為零，在冷卻系統(tǒng)工作干預(yù)情況下，當(dāng)溫度達(dá)到閾值以下，會(huì)自動(dòng)恢復(fù)，另，由于驅(qū)動(dòng)電機(jī) PWM 發(fā)波是匹配負(fù)載系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)載波，根據(jù)矢量控制原理，在單位時(shí)間內(nèi)開關(guān)頻率與產(chǎn)生的能量成正比，因此，一旦觸發(fā)堵轉(zhuǎn)后，采取降載頻，當(dāng)前在固定位置堵轉(zhuǎn)后，采用定點(diǎn)頻率實(shí)現(xiàn)發(fā)波，發(fā)波頻率越高，溫升上升越高，頻率越低，相對(duì)開關(guān)次數(shù)減少，溫度上升較慢，但是太低的頻率會(huì)帶來 NVH 的噪聲和整車的抖動(dòng)問題，因此需要進(jìn)行合理標(biāo)定及匹配驗(yàn)證。

根據(jù) GBT 18488.2—2015 要求試驗(yàn)，在特定的工裝上，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)這里包含電機(jī)和控制器，工作在實(shí)際冷狀態(tài)下，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器為驅(qū)動(dòng)電機(jī)施加所需堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，記錄堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)時(shí)間，通過改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子相當(dāng)位置，沿著圓周方向等分取 5 個(gè)堵轉(zhuǎn)點(diǎn)，分布重復(fù)以上試驗(yàn)，每次試驗(yàn)前，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)恢復(fù)到實(shí)際冷狀態(tài)，堵轉(zhuǎn)時(shí)間應(yīng)相同。由此可見：國標(biāo)的強(qiáng)制要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具備堵轉(zhuǎn)能力，但是具體的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩點(diǎn)及范圍、堵轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間及步長(zhǎng)沒有做定義說明，由產(chǎn)品技術(shù)來定義，在開發(fā)過程中，可以結(jié)合國標(biāo)試驗(yàn)要求，對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分段設(shè)定，規(guī)定堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩點(diǎn)及對(duì)應(yīng)持續(xù)時(shí)間。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

在不同電壓下，轉(zhuǎn)子在不同位置時(shí)，電機(jī)控制器功率器件仍需要響應(yīng)轉(zhuǎn)矩需求輸出更大的電流，以滿足堵轉(zhuǎn)請(qǐng)求轉(zhuǎn)矩，尤其在最高工作電壓下堵轉(zhuǎn)，對(duì)其 IGBT 電流輸出能力嚴(yán)苛度要求極高，目標(biāo)參數(shù)如下表 1：

為達(dá)到最嚴(yán)苛設(shè)計(jì)，設(shè)置仿真及測(cè)試條件在如下條件下：最高工作電壓 420 V，進(jìn)行冷卻系統(tǒng)輸入水口溫度不高于 60 ℃，流量為 10 L/min，通過報(bào)文及示波器波形來記錄過程數(shù)據(jù)?；谏鲜龇治?，進(jìn)行相關(guān)溫度監(jiān)控，通過與主要目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，根據(jù)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行如下具體策略分析。

2.1 關(guān)鍵參數(shù)

2.2 零點(diǎn)位置

首先對(duì)堵轉(zhuǎn)電流進(jìn)行定義，當(dāng)且僅當(dāng)在轉(zhuǎn)子最大位置角度時(shí)，獲得的堵轉(zhuǎn)電流是稱為最大電流，如果此時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩即為最大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，但是此轉(zhuǎn)矩滿足目標(biāo)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩時(shí)，才能滿足設(shè)計(jì)要求，如下圖 2，驅(qū)動(dòng)電機(jī)三相輸出電流正弦波波形分別為 U、V、W 三相，顏色分別為綠色、紅色、藍(lán)色，若堵轉(zhuǎn)時(shí)首次位置處電流相位處于圖 1 黑線縱向位置，可以看出此時(shí) U 相堵轉(zhuǎn)電流為最大值，此時(shí)等于 V 和 W 相輸出電流大小數(shù)值之和，方向與 U 相電流相反。U 相為最大值，且為正值，表示此時(shí)堵轉(zhuǎn)在 U 相上橋，電流方向是流出控制器。

在堵轉(zhuǎn)過程中，監(jiān)測(cè)到位置如果不變，則電流也是固定值，因此電流不同，位置也不相同，采用從預(yù)設(shè)初始目標(biāo)小電流開始，按照步長(zhǎng)逐步增加，進(jìn)行 U 相橋臂零點(diǎn)處位置角，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)矩請(qǐng)求調(diào)節(jié)輸出電流，通過遞增，并當(dāng)達(dá)到峰值電流時(shí)的位置，設(shè)置標(biāo)記零點(diǎn)，此時(shí)獲得的 U 相相電流為有效值，進(jìn)行轉(zhuǎn)換獲得幅值，然后再進(jìn)行 V 和 W 相標(biāo)定。

圖2 堵轉(zhuǎn)位置及三相電流波形

2.3 保護(hù)策略

根據(jù)執(zhí)行轉(zhuǎn)矩，數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采取從額定轉(zhuǎn)矩作為基本量，在規(guī)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，如 20 rpm 以下，系統(tǒng)認(rèn)為是進(jìn)入堵轉(zhuǎn)模式，開啟響應(yīng)，計(jì)數(shù)器開始設(shè)置開始，定時(shí)時(shí)間到，且一直在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，開始限制扭矩輸出，扭矩限制關(guān)系，峰值扭矩時(shí)能夠支持的堵轉(zhuǎn)時(shí)間與水溫關(guān)系較大，水溫低時(shí)，峰值扭矩可以堵轉(zhuǎn)的時(shí)間長(zhǎng)，水溫高時(shí)，峰值扭矩可以堵轉(zhuǎn)的時(shí)間短。

如果系統(tǒng)檢測(cè)到當(dāng)前轉(zhuǎn)矩未達(dá)到峰值轉(zhuǎn)矩和最大堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩時(shí)，根據(jù)溫升檢測(cè)閾值，延時(shí)堵轉(zhuǎn)時(shí)間。

當(dāng)前檢測(cè)到轉(zhuǎn)矩小于額定轉(zhuǎn)矩 90 nm，如果此時(shí)轉(zhuǎn)速大于 20 r/min，則認(rèn)為未進(jìn)入堵轉(zhuǎn)模式，不進(jìn)行計(jì)時(shí)觸發(fā)，從當(dāng)前前一個(gè)堵轉(zhuǎn)模式中進(jìn)行轉(zhuǎn)矩恢復(fù)，設(shè)置恢復(fù)時(shí)間如 0.3 s，需標(biāo)定，控制器 IGBT 或電機(jī)過溫保護(hù)與堵轉(zhuǎn)保護(hù)獨(dú)立，控制器 IGBT 溫度或電機(jī)溫度超過設(shè)定閾值時(shí)，也會(huì)進(jìn)入相應(yīng)保護(hù)。

2.3.1 參數(shù)仿真設(shè)計(jì)

基于計(jì)算參數(shù)，根據(jù)相應(yīng)的整車策略分解要求，匹配驅(qū)動(dòng)電機(jī)及功率器件進(jìn)行測(cè)試優(yōu)化，對(duì)水溫要求，及持續(xù)轉(zhuǎn)矩值、持續(xù)時(shí)間進(jìn)一步分析以優(yōu)化曲線。

2.3.2 IGBT及驅(qū)動(dòng)電機(jī)保護(hù)參數(shù)

IGBT 溫升變化代表電機(jī)控制器的溫度平衡能力，因此根據(jù)整車策略需求進(jìn)行驅(qū)動(dòng) IGBT 兩級(jí)溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)行預(yù)警降功率、關(guān)管保護(hù)，保護(hù)為進(jìn)行診斷進(jìn)行故障代碼鎖定，按照診斷策略進(jìn)行恢復(fù)，參照中斷故障檢出處理?xiàng)l件及方法。驅(qū)動(dòng)電機(jī)依據(jù)本身磁鋼牌號(hào)性能及 NTC 位置及分布溫升進(jìn)行兩級(jí)級(jí)溫度預(yù)警降功率、關(guān)管停機(jī)，如下表 3。

3 系統(tǒng)仿真計(jì)算及臺(tái)架測(cè)試

基于設(shè)定目標(biāo)參數(shù)及堵轉(zhuǎn)策略進(jìn)行整車滿載質(zhì)量開展驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩坡道駐坡需求的理論計(jì)算，通過坡道角度要求，根據(jù)整車速比、滾動(dòng)半徑進(jìn)行坡道受力分析，校核堵轉(zhuǎn)需求，為整車測(cè)試提供依據(jù)。

3.1 坡道駐坡轉(zhuǎn)矩

根據(jù)整車目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)力性受力分析，整車滿載質(zhì)量 M 按照 2 600 kg 計(jì)算，滾動(dòng)半徑 = 0.302 m，后橋減速器速比 = 8.5，重力加速度 g 按照 10 計(jì)算：

重力 G = Mg = 2 600×10 = 26 000 N·m；

坡度按照 20% 來計(jì)算，

則 α = arctan0.2 = 11.3°；

則重力沿坡道的重力分量 F = G×sinα；在不考慮路面摩擦阻力的情況下，F 由電機(jī)扭矩平衡；在輪胎半徑r = 0.302 m，速比 i = 8.5，則電機(jī)轉(zhuǎn)矩

故，理論計(jì)算可得整車滿載，20% 坡道駐坡所需電機(jī)扭矩為 180 N·m 左右；

圖4 坡道受力分析

3.2 堵轉(zhuǎn)模型仿真

圖5 堵轉(zhuǎn)策略模型

（Simulink 中的理想 PMSM 模型的輸出端口 m 是一個(gè)多信號(hào)復(fù)用端口，包含電機(jī)的三相電流、角速度、位置等信號(hào)，經(jīng)過 Mux 模塊可以將復(fù)用的信號(hào)分別提取出來）

3.3 測(cè)試與驗(yàn)證

在仿真參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)際的測(cè)試，通過進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試和實(shí)車堵轉(zhuǎn)、坡道駐坡測(cè)試，建立測(cè)試數(shù)據(jù)庫，對(duì)理論數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，確認(rèn)目標(biāo)任務(wù)是否可以實(shí)現(xiàn)。

3.3.1 臺(tái)架測(cè)試

根據(jù)目標(biāo)參數(shù)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制器采用水冷循環(huán)，入水溫度控制在 60 ℃，在零轉(zhuǎn)速條件下，測(cè)試從額定轉(zhuǎn)矩開始，依次為 90、120、160、200 nm、220，測(cè)試各個(gè)轉(zhuǎn)矩點(diǎn)可堵轉(zhuǎn)的最長(zhǎng)時(shí)間及此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的溫度、電機(jī)控制器 IGBT 溫度、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩要求不少于 5 s，峰值轉(zhuǎn)矩也即最大輸出轉(zhuǎn)矩值進(jìn)行測(cè)試摸底，核對(duì)極限能 力，測(cè)試數(shù)據(jù)如下表 4 為 2.4 kHz 測(cè)試。

表4 堵轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)

3.2 實(shí)車測(cè)試

整車在滿載情況下（2 680 kg），20% 的坡度 , 此為實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景需求，連續(xù)爬坡駐坡，環(huán)境溫度 45 ℃ 左右；另，也測(cè)試在車輛靜止時(shí)，ready 狀態(tài)，D 檔，手剎拉死，油門從 0-100% 開度，監(jiān)控報(bào)文 MCU 和電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩輸出值，電驅(qū)系統(tǒng)中的電機(jī)和 IGBT 溫度變化曲線狀態(tài)限值、三相電流曲線波形和限值，MCU 故障數(shù)量和故障等級(jí)。5 s 內(nèi)不允許出現(xiàn)過溫、過流，過程記錄環(huán)境溫度，觀察車輛有無異常。

從數(shù)據(jù)來看，堵轉(zhuǎn)時(shí)間 5 s；堵轉(zhuǎn)的過程中，上位機(jī)監(jiān)控轉(zhuǎn)矩最高點(diǎn)輸出轉(zhuǎn)矩為 160（換算系數(shù)對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩為 180 N·m 左右），IGBT 最高結(jié)溫為 125 ℃；整個(gè)過程電機(jī)控制器及系統(tǒng)未過溫，無異常表現(xiàn)。

4 結(jié)束語

綜合以上目標(biāo)參數(shù)建立并通過測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行校核及保護(hù)方案確認(rèn)，在水溫低于 60 ℃ 時(shí)可以延長(zhǎng)堵轉(zhuǎn)時(shí)間，執(zhí)行轉(zhuǎn)矩變小時(shí)，也可以延長(zhǎng)堵轉(zhuǎn)時(shí)間，能夠滿足正常駕駛時(shí)駐坡與坡道起步等實(shí)車應(yīng)用場(chǎng)景需求時(shí)的堵轉(zhuǎn)工況時(shí)需求；如果水溫高于 60 ℃，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩可以堅(jiān)持整車目標(biāo)要求 5 s，但是峰值扭矩堵轉(zhuǎn)時(shí)間為非常短，在堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩控制范圍內(nèi)可以滿足滿載整車坡道起步，駐坡，爬坡，在堵死的情況下，監(jiān)控驅(qū)動(dòng)電機(jī)和功率器件 IGBT 的溫度進(jìn)行獨(dú)立保護(hù)策略，當(dāng)連續(xù)駐坡長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)坡道起步時(shí)，超出目標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)降轉(zhuǎn)矩或控制器 IGBT 過溫降轉(zhuǎn)矩，通過策略建立仿真及整車實(shí)車測(cè)試為載人載貨車輛的堵轉(zhuǎn)控制提供了批量開發(fā)基礎(chǔ)，并通過驗(yàn)證此控制方案可行批量生產(chǎn)。

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(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年11月期)