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这个分技术分享主要内容呢,就是关于车用永磁同步电机的各种弱磁控制策略,讲到这个电 机的控制呢,其实里面有很多的话题是要讲的包含现在比较热门的功能安全啊各种控制算法 啊AUTOSAR 啊,然后里面的一些故障保护啊,各种传感器的使用的各种技巧啊。但是呢作 为车用电机弱磁控制肯定是其中比较重要的一点,也是我们做电机控制的人比较关注的一 点,所以今天就主要针对这个技术点进行针对性的展开。
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车用永磁同步电机各种弱磁策略
梁亚非
大家好,非常高兴有这样一个机会与各位同仁进行技术上的交流和分享。
开始之前呢,我先做一个简单的自我介绍。我是梁亚非,早年的是在北京理工学习,后来交
换去英国,当时学的是电子工程。之后去了英国帝国理工,学的是控制系统,2007 年毕业。
后来从一个投资银行的工作岗位上回国。当时觉得学工科的嘛,应该做工程。
而且最好还是一些有挑战的有未来工作性的工程应该是最好的。我在 2008 年初的时候呢,
然后加入了一个刚刚成立的创业型公司叫精进电动。其实非常有幸的是能够成为这家公司的
研发部的第一个员工(是并列的)。更有幸的是呢,能跟着一位德高望重的导师,然后长达
六年多。期间的主要是负责过新能源汽车用的永磁电机的软件、测试标定、还负责过一段儿
售后的工作。
之后呢,先后在吉利、长江两个整车厂工作过一段时间。主要是负责一些和海外供应商的一
些合作,功能安全等,还有一些电控产品的整体研发生产工作。
再后来呢,在 2016 年底,然后和几个志同道合的小伙伴呢,一起成立一家公司叫做牟特科
技,一直到现在。在多年的这个学习工作当中呢,因为曾经参与过一些 863 项目,然后主持
过几个北京市的课题。同时还拿到了北京市的一个科技新星的称号,主要是因为工作关系和
海外的很多供应商也有一些算是深度的接触和合作吧,所以,尤其是在这个永磁电机的弱磁
控制上积累一些经验,今天呢就借这个机会,和大家分享一下。
我本人是一个算是比较 open 的人吧,早在 2010 年 2011 年的时候,我当时其实在那个西莫
论坛上就活跃过一段时间,当时主要也是讨论关于电机弱磁控制的问题。其实在七八年之后
的今天。再讲这个关于电机弱磁控制这个问题的话理解可能会更加深入一些。但是对于汽车
的电动化已经日渐成熟的今天,以及当前大多数的主流供应商其实都可以轻松的让电机上一
万转啊,一万多转啊,弱磁深三倍五倍的今天,再讲这些关于汽车电动化的一些技术经验,
可能有一些过时的感觉吧。
所以,如果这次分享,如果没有对各位产生特别大的价格的话,这个还请各位多多理解和包
涵。另外呢,我还看到了有一些朋友并非是完全电机控制策略这方面的专业的一些朋友就是
首先感谢大家捧场。但是因为这次技术非常内容,稍微有点多,而且时间有限。所以说为了
照顾大多数的朋友呢,这个分享的过程,可能会不是特别细致会稍微的进度快些还请多多谅
解。
主题分享环节
这个分技术分享主要内容呢,就是关于车用永磁同步电机的各种弱磁控制策略,讲到这个电
机的控制呢,其实里面有很多的话题是要讲的包含现在比较热门的功能安全啊各种控制算法
啊 AUTOSAR 啊,然后里面的一些故障保护啊,各种传感器的使用的各种技巧啊。但是呢作
为车用电机弱磁控制肯定是其中比较重要的一点,也是我们做电机控制的人比较关注的一
点,所以今天就主要针对这个技术点进行针对性的展开。
这第一页内容呢,其实就是一些老生常谈了,就是关于这个电机的一些理论,因为我们搞电
机控制嘛,必须了解我们的受控对象。我们受控对象就是这个永磁同步电机。这一页主要是
讲了这个所谓的三二变换这个三相坐标系变成 dq 坐标系。然后同时呢 描述一下电机的一个
电压方程。电压方程是电机的控制里面非常重要的一个东西,因为它是决定着我们控制的,
很多的一些基本的理论。
然后下边第二页内容呢,是讲了其实就是一个电机的转矩方程。这个转矩方程里面呢,我们
可以仔细看这个转矩方程。他其实把转矩分成两块儿,第一部分是磁链乘以一个 Iq 电流。
第二个是两个电感差乘以 Id 和 Iq 的一个乘积。这两部分的转矩,其实有各自的一个作为独
立的名字,第一部分是所谓的永磁转矩,就是等于这一块儿呢,他是由永磁体的磁链来直接
影响的转矩,影响这个转矩的两部分一个是永磁体的成本,一个是 Iq 电流即控制器的成本。
这是第一部分的转矩。然后第二部分呢,是这个所谓这个电感差值乘以 Id 乘以 Iq。所以这
里边呢,就是我们想提高这一部分转矩呢,第一是增大电感差值即提高所谓的凸极率。然后
同时让 Id 和 Iq 的乘积尽量大。所以这里边儿就有两点,第一是电机的设计里边儿你要提高
这个 IdIq 差值,第二呢,你的控制里边面,你要考虑说哪一个 Id 和 Iq 的乘积会尽量让这个
转矩变大。
然后这页图里面展示了两个电机的简单的模型左边是一个表贴式电机右边是一个内嵌式的
电机表贴式电机就是没有磁转矩只有永磁转矩的电机,一般我们在新能源电机行业一般我们
这种电机用的很少,几乎没有。所以我们主要只讲这个内嵌式的电机。
这页我是借用了 TI 的一个产品手册上面一个简单的图,就是简单描述一下电机的一个所谓
的磁场,那个矢量控制,所谓的磁场定向控制。其实一个核心思想就是说我们根据电机的一
个位置信息来进行我整个的控制。我里面比较重要的几点是我需要把这个电机的一个转机指
令也就是我们所说的油门儿踏板的解析之后的一个指令。或者经过 VCU 处理之后的指令呢。
变成一个适合我电机控制的 Id 和 Iq
,
就是两个电流指令进而产生我后续的控制。
而这个所谓的这个从转矩到 Id 的这个转换呢,一般是两个函数。这个函数就是把这个转矩
转换成 IdIq 函数,他常见的方式是遵照电机本身的 MTPS—最大转矩电流控制比的一个轨迹
来设定的。而这个高速控制呢,就高速弱磁控制呢,一般是基于 MTP 的一个基本的电流轨
迹曲线,然后进行更进一步的一个弱磁控制算法。因为 MTPA 是在弱磁之前电机的一个最优
的控制方式
这一页是使用的一种分析的方式来进行描述电机的一些控制的一些理论,我们建了一个 dq
坐标系,然后里面用了一个电流源以及电压椭圆这两个概念。来进行描述电机控制中的一些
约束条件。我们这个坐标系里面呢,横的轴的是 D 轴,就是所谓的轴,Q 轴是作为的交轴,
这等于在这四个象限里面呢一般可以描述出电机的几个运行状态,一般对于内嵌式永磁同步
电机呢一般我们只在第二和第三两个象限运行,1 和 4 是增磁一般是不考虑的。
顺便提一下异步极的话其实是在一和四的运行的。我们第二天象限就等于说我的 Id 为负,Iq
为正,在这种状态下呢,是等于电机在电动工作区间。而第三象限的是 Id 为负,Iq 也为负,
这时候是在发电这种工作方式。
顺便提的就是这个 DQ 的这样一个坐标系呢,和我们另外一种坐标系,所以转矩转速坐标系
呢,都可以表示电机的一个电动和发电这种模式。只是呢,在这个 DQ 坐标系呢我们一般是
认为是先考虑说电机在正转这种方向情况之下,然后按照电流的方式来定义的这个电动和发
电,而在另一种坐标系,就是说转速转矩,横轴为转速。纵轴为转距这种方式呢,这种情况
下呢,我们一般是定义的是说我们在转速为正转矩为正的情况下为电动,转速转矩都为负的
情况下也为电动,二转速和转矩的方向不一致的时候呢为发电。
这两种那个坐标系其实是不太一致的,虽然都可以描述电动和发电,我们继续回到这张图。
这张图里面呢,有了几个曲线,这个绿色这个圆呢,是指电流的极限圆是指说我在当前的一
个控制器,或者说我当前电机设计能力下。我电流的最大值及我的电流可以运行的最大能力。
这个红色的线是一个就是所谓的 MTPA 就是最大转矩每安培这样一个轨迹,也就是说我在这
样一个轨迹上运行轨迹和这个电流圆或者说我不同的电流下的电流圆进行交叉的交点呢就
是指我在当前电流下我所产生相同转矩的我的电流的最小的值,也就是最优控制点。
图中黑色的这个曲线呢其实就是所谓等转矩曲线,也就是说我在这里同一条曲线上我电流可
能大可能小。控制点不太一样,但是我产生的转距是一致的,也可以看得出来,其实这个所
谓 MTPA 曲线。就是我的等转矩曲线和我不同的电流圆之间的一个切点。
右边这个图我们是用这个所谓的转速转距这样一个特性曲线图,然后来描述我的一个一个控
制区间。一般,我们这种电机就是 IPM 电机就内嵌式电机的话是存在弱磁区的,他一般分
了两个区域,在就是所谓的拐点的时候呢,一般定义为恒转矩区,也就是说在这时候呢,在
同样的电流下转矩就是恒定的。当然这个恒定是个理论值实际上有细微的差别。所以转速升
高会有细微的变化主要是因为一些损耗的问题。
在拐点转速之后呢,电机的转矩因为弱磁会慢慢往下降,这时候呢理论情况下,电机的功率
会保持一个稳定的值,这区域叫恒功率区。
我们一般呢,用于评价一个电机的所谓弱磁深度呢,会定一个值就是我的最高转速处于我这
个拐点转速这个比例就是我这个弱磁深度。就是比如说我们这个弱势三倍呀,五倍呀一倍两
倍呀,就这个几倍到底什么意思,譬如一个电机,我在我的峰值性能下三千转进入弱磁,我
弱磁弱到了一万两千转,那就可以认为是一万二除以三千,四倍的弱磁。
这个图继续刚才那个就是这个所谓的电流圆电压椭圆继续进一步的描述。然后只是说把这个
椭圆完整的画出来。因为这个电机描述的是一个所谓的 ipm 电机即内嵌式这个电机的,所以
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- songdm_20122022-12-30有音频吗?谢谢
z12_21
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