电机驱动系统效率优化控制技术研究现状

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1、1.2电机驱动系统效率优化控制技术研究现状电动汽车的动力由电动机提供，电机驱动系统（简称驱动系统）的性能直接影响了电动汽车的性能。电动汽车系统需要能够满足频繁停车启动、加速、大负载爬坡以及紧急制动等要求，也需要考虑到汽车行驶路况复杂多变，存在雨天、酷热、下雪等恶劣天气，以及颠簸、泥泞等复杂路况。另外，在满足行驶条件的情况下还应最大限度地保证驾驶人员和乘坐人员的舒适安全。作为电动汽车的核心部分，驱动系统应满足宽调速范围、宽转矩输出范围、良好的加减速（起动、制动）性能、运行效率高（提高续航里程）以及高可靠性等要求。针对永磁同步电机驱动系统的效率优化，总体来说可

2、分为以下三个方向：1）从电机本体的电磁设计、制造工艺以及电机的材料着手，开发高效电机。2）改进脉宽调制(PulseWidthModulation，PWM)技术，降低功率开关器件上的损耗从而提高逆变器的整体效率；降低变频器输出电压的谐波含量，如采取空间矢量脉宽调制(SpaceVectorPulseWidthModulation，SVPWM)技术和软开关技术，减小谐波含量从而提高驱动系统的整体效率。3）研究合适的控制策略，在保证电机满足运行条件的情况下减小直流侧的功率输入，提高驱动系统的效率。目前，针对永磁同步电机驱动系统效率优化所提出的控制策略很多，总体来说

3、可以分为两大类：第一类是基于损耗模型的效率优化控制(LossModelControl，LMC)策略；第二类是基于搜索法的效率优化控制(SearchControl，SC)策略。下面分别进行概述。1.2.1基于损耗模型的效率优化控制策略该控制策略作为一种基于前馈式的控制方法，基本原理是：在充分考虑电机各部分损耗的基础上，建立较为精确的损耗模型，根据电机运行状况（负载转矩和实际转速）计算出该运行状况下最优的控制变量（一般为磁场、电压或者电流）以减小驱动系统的损耗。若控制变量为电枢电流，对永磁电机驱动系统来讲一般选择最优的直轴电流id和交轴电流iq，对混合励磁电机

4、驱动系统来讲包括id、iq以及励磁电流If。这种控制策略目前已被广泛应用到了闭环传动系统中，可以保障电机驱动系统在全局运行范围内都能实现效优化。基于损耗模型的同步电机效率优化控制基本框图如图1.1所示。基于损耗模型的驱动系统效率优化策略最早由T.M.Rowan和T.A.Lipo[1]，以及H.G.Kim[2]等人提出并进行研究；1987年Bose[3][4]等人将该策略运用到永磁同步电机驱动系统中。美国学者X.Wei和R.D.Lorenz已将基于损耗模型控制策略结合直接转矩控制(DirectTorqueControl，DTC)中，以提高永磁同步电机在瞬态过

5、程中的效率[5]。针对同步电机而言，基于损耗模型的效率优化策略总共可以分为五种类型：考虑铁损的损耗模型控制策略[6][7]、考虑铜损的损耗模型控制策略[8][9]、考虑铁损和铜损的损耗模型控制策略[10][11]、基于电机精确损耗模型损耗模型控制策略[12][13]和约束条件下的损耗模型控制策略[14][15]。图1.1基于损耗模型的效率优化控制策略基于损耗模型效率优化控制策略的技术特点在于，它根据电机运行状况，通过解析法计算出使电机损耗最小的控制变量，在满足电机运行的同时降低驱动系统损耗。该方法控制变量由算法直接给出，电机效率的优化能够直接实现，数学概念

6、清楚，物理意义明确，而且变量直接给定导致响应速度快，根据电机实际运行条件计算变量，从而能保证电机在全局运行范围内高效运行。但这种策略的缺点也不容忽视：①该策略需要对电机参数有很详细的了解，电机在运行过程中，电机参数包括电感参数、电枢绕组电阻、励磁绕组电阻、各部分的损耗系数等都会随电机运行条件的变化而改变，电机参数的变化必然会导致损耗模型不准确，从而导致控制变量的计算值不能实时追踪实际的最优值；②损耗模型建立的越准确，计算结果越接近于真实值，但也会导致计算过程越繁琐；③实际过程中为了简化计算，又不得不对损耗模型进行简化，这必然会导致计算值和实际值的差距变大，

7、所以最终寻优结果也仅仅是一种简化后的次寻优。1.2.2基于搜索法的效率优化控制策略基于搜索法效率优化策略的基本原理是：在恒定的运行条件（恒定的转速和负载转矩）下，通过控制器不断实时调整控制变量（一般为磁场或电流），寻找该运行状态下的系统损耗最高点。图1.2输入功率最小效率优化控制策略控制策略的基本框图如图1.2所示，其中P(k-1)、P(k)和Δid(k)分别为第k-1和第k次直流侧功率检测值以及第k次的控制变量。搜索法一般包括梯度法[16]、定步长（细分）法[17]、最优转差频率法[18]、基于斐波那契数列法[19]、神经网络法[20]、黄金分割法[21

8、]以及模糊搜索法[22]。清华大学的学者[23]分析了感应电机搜索