2021年6月17-18日，上海電驅(qū)動(dòng)作為戰(zhàn)略合作單位，參加了由NE時(shí)代主辦的“2021全球xEV電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)暨產(chǎn)業(yè)大會(huì)”。上海電驅(qū)動(dòng)電控研究院院長(zhǎng)陳雷分享了《新能源汽車(chē)同步電機(jī)的控制策略》。

以下為分享內(nèi)容：

其實(shí)今天講的這個(gè)內(nèi)容前面的專(zhuān)家都有所涉及，更多是從系統(tǒng)的角度分析整個(gè)電機(jī)控制器或者是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的方向。我從一個(gè)方面，就是同步電機(jī)控制策略來(lái)說(shuō)一下。第一個(gè)關(guān)于同步電機(jī)控制的基礎(chǔ)，第二個(gè)應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)控制策略的特點(diǎn)，第三個(gè)未來(lái)發(fā)展方向，也包括我們純電驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的規(guī)劃。

一、同步電機(jī)控制基礎(chǔ)

大家都是行業(yè)里的專(zhuān)家，可能對(duì)這個(gè)東西都比較熟悉。同步電機(jī)的控制基礎(chǔ)的理論就是基于空間矢量的理論，把電機(jī)的一些三相的參數(shù)，電流、電壓等進(jìn)行基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的空間分解，從而簡(jiǎn)化控制，通過(guò)一些簡(jiǎn)單的直流量的控制實(shí)現(xiàn)整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)能夠按照要求的扭矩來(lái)進(jìn)行工作。因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在用的新能源汽車(chē)的電機(jī)，大部分用的是IPM這個(gè)電機(jī)，需要低速時(shí)扭矩比較大，同時(shí)需要一個(gè)比較寬的調(diào)速，最高速度要比較高，基本上電機(jī)控制工作在兩個(gè)區(qū)間，第一個(gè)，在低速時(shí)，按照MTPA即最大扭矩電流比工作，高速時(shí)工作在弱磁區(qū)域?；趯?duì)理想電機(jī)模型的理論分析，能夠推導(dǎo)出比較理想的電機(jī)工作的軌跡，如這兩個(gè)公式。但實(shí)際中，在我們?cè)O(shè)計(jì)電機(jī)的時(shí)候，電機(jī)不是一個(gè)理想的電機(jī)，電機(jī)的參數(shù)，如Ld/Lq等，也會(huì)隨工況變化，所以實(shí)際的工作中需要進(jìn)行電機(jī)的細(xì)致標(biāo)定。電機(jī)的標(biāo)定基本上按照兩個(gè)工作模式進(jìn)行，在低速時(shí)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行電流掃描，獲得MTPA的曲線，在高速時(shí)，進(jìn)行電壓的掃描，獲得弱磁區(qū)最優(yōu)的工作軌跡。電壓掃描時(shí)因?yàn)椴皇请娏鏖]環(huán)的控制，需要注意抑制電流的波動(dòng)。這樣可以對(duì)指定設(shè)計(jì)的電機(jī)進(jìn)行精細(xì)標(biāo)定，在全轉(zhuǎn)速段獲得最優(yōu)的工作軌跡。

二、應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的控制策略

我們應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的同步電機(jī)控制，還是基于客戶(hù)對(duì)整車(chē)的需求來(lái)往下分解，做策略的開(kāi)發(fā)。新能源汽車(chē)對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求大家也講了很多，總結(jié)下來(lái)還是這些。高扭矩、寬調(diào)速影響整車(chē)的加速性能還有最高的車(chē)速。然后是高效率的需求，因?yàn)樵陔姵夭蛔兊那闆r下會(huì)影響續(xù)航的里程。高功率密度、低成本，低成本化是整車(chē)對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)持續(xù)不斷的要求?？煽啃?、安全性不用說(shuō)了，特別在隨著這個(gè)行業(yè)的成長(zhǎng)，出貨量越來(lái)越大。還有NVH和EMI的優(yōu)化。

電機(jī)控制器要有相應(yīng)的技術(shù)發(fā)展的方向，來(lái)適應(yīng)整車(chē)對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)的需求。對(duì)應(yīng)的在控制策略上，會(huì)有一些特定的策略來(lái)滿(mǎn)足整車(chē)對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)的要求，這里提幾點(diǎn)控制策略的方面。第一個(gè)動(dòng)態(tài)弱磁的部分，電機(jī)高速的時(shí)候會(huì)進(jìn)行弱磁，理論上弱磁也是比較成熟的，但是因?yàn)殡姍C(jī)本身的參數(shù)和反電勢(shì)會(huì)隨著環(huán)境各個(gè)因素以及單體的不一致性產(chǎn)生一些變化。所以有可能在電壓利用率高時(shí)，這個(gè)高速弱磁會(huì)產(chǎn)生一些飽和的現(xiàn)象。通過(guò)利用一些動(dòng)態(tài)弱磁，也就是說(shuō)用電壓閉環(huán)的方式可以對(duì)一些參數(shù)做一些補(bǔ)償，使得控制器能夠持續(xù)的維持這個(gè)弱磁的效果，好處是可以保持高電壓利用率，高速之后輸出更大的功率，或者更高的效率。

第二個(gè)是關(guān)于電流環(huán)設(shè)計(jì)，電機(jī)控制當(dāng)中存在交叉耦合項(xiàng)的問(wèn)題，會(huì)影響電流控制的穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的控制在載波比較小時(shí)，有可能出現(xiàn)系統(tǒng)控制發(fā)散。所以要有這個(gè)方法通過(guò)交叉耦合項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償，可以把整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性做到更好，這樣在一些特殊的工況，極限的工況，可以讓這個(gè)系統(tǒng)更穩(wěn)定更安全。

DPWM剛剛其它專(zhuān)家有介紹過(guò)，電機(jī)控制器的損耗分兩部分，一部分是導(dǎo)通的損耗，一部分是開(kāi)關(guān)的損耗，功率器件的提升能夠讓這兩部分都可以損耗降低，效率提高。但從控制的角度也有一些方式，比如通過(guò)DPWM的方式，開(kāi)關(guān)次數(shù)可以降低三分之一，開(kāi)關(guān)損耗是降低的，控制器的效率可以提高，但同時(shí)要根據(jù)不同的工況選擇一個(gè)合適的DPWM的方式，以獲得最大的收益。

還有過(guò)調(diào)制，這個(gè)跟剛剛說(shuō)的弱磁也是有相關(guān)的。在高速的時(shí)候當(dāng)控制器的電壓利用率更高，效率會(huì)更高?？刂频哪繕?biāo)就是高速的時(shí)候可以不斷的提高電壓的利用率，過(guò)調(diào)制也是一個(gè)方式，可以使得高速之后電壓利用率可以提高，從而提高高速弱磁區(qū)的效率。

關(guān)于NVH優(yōu)化的部分，整車(chē)對(duì)于NVH優(yōu)化的要求沒(méi)有止境，每個(gè)項(xiàng)目的NVH都是需要不斷的優(yōu)化。NVH的優(yōu)化也是電驅(qū)控制器控制策略上不斷提高的關(guān)鍵部分。第一個(gè)是主動(dòng)阻尼的控制，當(dāng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)因?yàn)橐恍┙Y(jié)構(gòu)的原因造成轉(zhuǎn)速出現(xiàn)抖動(dòng)的時(shí)候，會(huì)傳遞到整車(chē)，讓駕駛員感受到?？刂破骺梢酝ㄟ^(guò)主動(dòng)阻尼的方式，抑制轉(zhuǎn)速的一些抖動(dòng)，提高舒適性。還有隨機(jī)PWM，傳統(tǒng)定頻的SVPWM會(huì)在開(kāi)關(guān)頻率和階次頻率處產(chǎn)生比較大的電磁噪音，如果是隨機(jī)的PWM，可以把開(kāi)關(guān)的電磁噪音打散，這樣就不會(huì)有明顯的噪聲感受。

諧波注入，剛剛有說(shuō)過(guò)電機(jī)一定是一個(gè)非理想化的電機(jī)，一定是有一個(gè)轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，會(huì)造成NVH的問(wèn)題，當(dāng)然NVH是一個(gè)系統(tǒng)性的問(wèn)題，不一定轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)一定會(huì)造成NVH的問(wèn)題，但是有可能在整車(chē)上在某一個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生比較難受的一個(gè)嘯叫的聲音。電機(jī)控制器可以通過(guò)主動(dòng)的電流諧波的注入，嘗試解決問(wèn)題。根據(jù)整車(chē)對(duì)應(yīng)的NVH的表現(xiàn)，根據(jù)特定階次的噪聲數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的注入特定階次諧波的電流，然后可以抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而抑制在整車(chē)上出現(xiàn)比較大的NVH的問(wèn)題。

關(guān)于加速度觀測(cè)器的問(wèn)題，并不直接體現(xiàn)在控制器的功能上面，但是電驅(qū)控制器實(shí)際整車(chē)運(yùn)行中，一些功能如主動(dòng)阻尼、駐坡、轉(zhuǎn)速環(huán)等等這些需要知道加速度的信號(hào)，然后再進(jìn)行功能的實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的加速度計(jì)算方法，抗擾性會(huì)差一些，如果利用加速度觀測(cè)器效果會(huì)更好一些，實(shí)現(xiàn)這些整車(chē)的功能更容易一些，實(shí)現(xiàn)的效果會(huì)更好一些。

關(guān)于EMC部分，或者說(shuō)可靠性相關(guān)的，共模電壓抑制。傳統(tǒng)的SVPWM會(huì)產(chǎn)生共模電壓，由于有零矢量存在，這個(gè)共模電壓會(huì)比較大，共模電壓會(huì)產(chǎn)生EMC的問(wèn)題，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生軸電壓的問(wèn)題，到了800V之后軸電壓會(huì)更高，軸電壓有可能在某些特定的整車(chē)的環(huán)境下面造成軸承的電腐蝕，一旦腐蝕產(chǎn)生，會(huì)造成一些異響等，降低系統(tǒng)可靠性和壽命。軸承電腐蝕的解決方案有很多，可以從電機(jī)結(jié)構(gòu)、硬件等方面。從控制策略方面可行的辦法是用更低的共模電壓控制的方式，取消零矢量，可以一定程度上降低共模電壓，讓軸電壓會(huì)小一些，產(chǎn)生軸承電腐蝕的可能性降低，EMC也會(huì)好一些。

關(guān)于軟解碼的部分，這個(gè)策略最終的目的是為了降低控制器的成本?，F(xiàn)在的電機(jī)都是用旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行位置的檢測(cè)，傳統(tǒng)控制器都是使用專(zhuān)用的解碼芯片，解碼芯片成本不低，特別對(duì)于小功率的電驅(qū)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)。利用軟件解碼可以把這部分的成本省掉，軟件解碼的原理跟硬解碼類(lèi)似，MCU產(chǎn)生激磁電壓，對(duì)反饋的信號(hào)做采樣，做鎖相環(huán)，輸出解碼角度，實(shí)際解碼的效果在精度上來(lái)說(shuō)并不差，并且在抗干擾性上可能比硬件解碼更好，也更靈活。上海電驅(qū)動(dòng)2015年已經(jīng)量產(chǎn)軟解碼的方案，在業(yè)內(nèi)是比較早的，這個(gè)芯片還是普通的ADC采樣。到了新一代的芯片大家都會(huì)用帶DSADC的，整個(gè)軟解碼會(huì)更容易做。

關(guān)于安全相關(guān)的無(wú)位置傳感器控制。因?yàn)殡姍C(jī)上面是帶旋轉(zhuǎn)變壓器，這個(gè)器件本身有失效的概率，信號(hào)還要有線束到控制器上面，線束也會(huì)有失效的概率，如果出現(xiàn)失效，整車(chē)有可能會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力中斷的問(wèn)題，這個(gè)也是影響駕駛安全的?？刂破骺梢岳脽o(wú)位置傳感器控制的方式，可以通過(guò)算法估算電機(jī)的位置，在旋變失效時(shí)，動(dòng)力輸出可以不中斷，但可能進(jìn)行一些降額，可以使這個(gè)車(chē)安全的停到路邊，或者開(kāi)回4S店。

軟件架構(gòu)和功能安全，剛剛講的基本都屬于電機(jī)算法的內(nèi)容，但整個(gè)控制策略還是在電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用中，還是要符合汽車(chē)的一些軟件普遍性認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)。比如說(shuō)軟件架構(gòu)，要符合汽車(chē)上面的AUTOSAR的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行分層的設(shè)計(jì)，整個(gè)設(shè)計(jì)會(huì)比較模塊化，同時(shí)也是比較開(kāi)放的一種開(kāi)發(fā)方式。功能安全也是汽車(chē)?yán)锩鎸?duì)電機(jī)控制要求非常嚴(yán)格的一個(gè)點(diǎn)，其中最關(guān)鍵的點(diǎn)就是扭矩的安全，除了剛剛講的這一套的扭矩控制的方法之外，還需要用額外的算法計(jì)算電機(jī)的扭矩值，這樣能夠確保控制器對(duì)扭矩的輸出是符合預(yù)期的。對(duì)于軟件的開(kāi)發(fā)一樣非常重要的是開(kāi)發(fā)的體系流程，因?yàn)楝F(xiàn)在對(duì)軟件，對(duì)整體開(kāi)發(fā)的時(shí)間要求其實(shí)是越來(lái)越短，沒(méi)有一個(gè)很好的流程來(lái)保證整個(gè)開(kāi)發(fā)的過(guò)程，其實(shí)是非常容易出問(wèn)題的。我們也在這里做了不少投入，包括軟件工具、體系建設(shè)等。

三、未來(lái)發(fā)展方向

對(duì)于未來(lái)發(fā)展方向，這里簡(jiǎn)單提了一點(diǎn)，也是根據(jù)新能源汽車(chē)對(duì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面的要求，未來(lái)還會(huì)在控制策略上面要進(jìn)行不斷的進(jìn)步，基于各個(gè)功能性能、效率、低成本等，未來(lái)還會(huì)面對(duì)智能化，會(huì)有更高速的一些網(wǎng)絡(luò)通訊的要求，包括信息安全等。

最后介紹一下上海電驅(qū)動(dòng)在純電車(chē)的電驅(qū)動(dòng)這個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)品的路線，上海電驅(qū)動(dòng)是這個(gè)行業(yè)里面做的比較早的，2008年就開(kāi)始做新能源汽車(chē)的電機(jī)和電驅(qū)的產(chǎn)品。在2016年之前其實(shí)都是分體式的產(chǎn)品，從2016年就開(kāi)始研發(fā)三合一的系統(tǒng)，2018年6月份我們開(kāi)始量產(chǎn)第一代的三合一的系統(tǒng)，這個(gè)應(yīng)該來(lái)說(shuō)是比較早的一批。我們第二代的三合一的系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)產(chǎn)品功率段更多，集成度更高。第二代三合一去年也陸續(xù)量產(chǎn)。第三代已經(jīng)在進(jìn)行開(kāi)發(fā)，會(huì)把這個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成化度做的更高，包括多合一、800V、SiC等技術(shù)趨勢(shì)也在應(yīng)用。