控制策略优化：永磁同步轮毂电机驱动系统的转子位置检测

电机驱动系统的关键性能有输出转矩和调速特性。下面主要就这两个方面对永磁同步轮毂电机控制系统的控制策略进行分析。利用位置传感器检测转子磁极位置信号，通过电流的闭环控制，使电机实际输入电流与给定电流相一致，实现电机的高效化控制。采用的面贴式永磁同步轮毂电机，其具有面贴式永磁同步电机优点。直轴电流id（励磁电流）和交轴电流iq（转矩电流）是各自独立的，因此可以通过对它们的独立控制实现电机转矩和转速控制。

1）电流闭环控制。目前，电机控制系统多采用电流闭环控制策略，电流闭环控制是指检测电机的实际输出电流，并与设定的参考输入值相比较得出它们之间的误差，通过一定的控制算法对这一误差进行处理，尽量使实际输出与参考值一致，提高电机的可操控性。

面贴式永磁同步电机系统比较适合应用id＝0和弱磁控制策略。这里使用的轮毂电机是面贴式永磁同步电机的特殊结构形式，id＝0和弱磁控制这两种控制策略也适用。因此，通过合理的设计，采用两者结合的控制策略对电动汽车永磁同步轮毂电机驱动系统进行控制。

下面介绍两者结合的控制策略。

从上述两种控制方法的原理来看，它们是相互矛盾的。当采用id＝0控制策略时，要求直轴电流为零；而采用弱磁控制时，则需要通入负的直轴电流，从而产生去磁电流，以削弱永磁体产生的磁场，达到弱磁调速的目的。因此，在电机某一运行状态下同时使用两种策略是不可行的。我们把两种控制策略按电机运行状态不同为区分依据，按运行状态不同切换使用这两种控制方法。按电机的工作区（运行状态）采用的控制策略区分方法为，在恒转矩输出区，采用id＝0控制策略；在恒功率和最大功率输出区采用弱磁控制，以电机转速作两种控制方法切换时刻为判断依据。图7-6是电动汽车永磁同步轮毂电机的矢量控制框图。

图7-6中所示的控制策略是采用三闭环控制：电流闭环控制、速度闭环控制和位置闭环控制。位置传感器检测得到磁极的位置信号，为矢量控制的坐标变换和电机转速计算所用。然后利用电流传感器检测电机中任意两相的电流，再求出另外一相电流，在得到三相电流的实际值后，通过坐标变换得到交、直轴的实际电流，最后与交、直轴设定的参考电流进行对比。通过PI控制器对实际电流与参考电流的误差进行处理，再经坐标变换后通过脉宽调制技术控制逆变器输出所需的三相电压值，进而驱动电机工作，并实现电机的控制。

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图7-6　电动汽车永磁同步轮毂电机矢量控制框图

下面介绍两种控制方法组合运用的控制策略。

首先是id＝0控制策略的实现，如图7-6中所示，当电机的转速ω＜ω1时，id—ref的输出为零，从而实现了id＝0的控制策略。此时，通过转把（类似汽车加速踏板装置）控制参考转矩电流（交轴电流）的输入，实现对电机转矩的控制。

其次是弱磁控制方法的实现。通过位置传感器检测所得电机磁极位置信号，求出电机的转速ω，与设定的转速做比较，判断是否需要进行弱磁或需要通人多大的弱磁电流值。在图7-6中，转速的设定值分别为ω1和ω2，由于理论计算忽略了很多因素，并且是假设在理想化下的电机参数，在电机的实际应用时，ω1和ω2的设定会与理论计算值有所不同。但显然ω1和ω2设定值均要受到电机约束条件的限制，此时理论计算的转折转速可以起到一定的参考作用。

2）位置信号检测位置传感器是永磁同步电机矢量控制系统的重要部件。永磁同步电机矢量控制系统的控制精度是以转子磁极位置信号的检测精度为前提的。转子位置传感器将电机转子磁极位置动态的检测，对电机转子磁链进行有效的跟踪，实现磁链的定向控制。目前使用的转子位置传感器主要有磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、旋转编码器等，目前最常用的位置传感器有以下3种：光电式位置传感器、电磁式位置传感器和霍尔位置传感器。

3）电压电流的监控。以动力电池为能量来源的电动汽车电机驱动系统，监控驱动电池侧（直流侧）的输出电压和输出电流是十分有必要的。这是因为动力电池作为电机逆变器的输入侧，对逆变器起着决定性的作用。动力电池的输出电压及输出电流的大幅度波动，所产生的冲击会对逆变器造成很大的威胁，甚至会烧毁逆变器，而且对电动汽车的安全性也有很大的影响。