新能源汽车驱动电机控制原理之电流环简介

在新能源汽车中，电机控制器（MCU）为实现对驱动电机（如永磁同步电机，PMSM）的扭矩和转速控制，其常见的控制策略有：

•矢量控制（Field OrientedControl，FOC）：此策略为当下车载应用中最常见的控制方法，它能够独立控制电机的励磁磁场（永磁同步电机的励磁磁场由永磁体提供，不需要额外的励磁电流来建立磁场，这里指的是通过Id来维持磁通链稳定）和转矩磁场，从而实现对转矩和速度的精确控制。

•直接转矩控制 （Direct TorqueControl，DTC）：该方法不需要复杂的坐标变换，而是通过直接测量和控制电机的电磁转矩和定子磁链来实现控制目标。

这里以矢量控制策略中的电流环控制为例，对驱动电机的控制流程总结为如下步骤：

1. 电机转子位置和速度测量

MCU通过安装在电机轴的一端或集成在电机内部，并通过联轴器与电机轴连接，以确保它们可同轴旋转的旋转编码器处获取电机转子的位置和速度信息。

旋转编码器主要有类型：绝对式编码器和增量式编码器。以增量式编码器的应用为例，它通常由A、B两路相位相差90°的脉冲序列组成，同时通过Z相脉冲标记参考位置，通常称为零位或原点信号。

当电机转动时，A相和B相会交替输出方波脉冲，此时MCU可通过对比两相之间90°的相位差关系来判断电机的旋转方向，并通过记录脉冲的数量、单位时间内脉冲数量的变化量来确定电机转过的角度或距离以及计算出电机的转速，通过得到的转子位置及速度信息，MCU可进行进一步的如电流环或速度环的控制。

如当电机旋转一定角度时，编码器会产生相应的脉冲数，通过比较A相和B相脉冲的先后顺序来判断电机的旋转方向，并根据单位时间内脉冲的数量来计算速度。假设MCU在1s时长接收到10000个脉冲，且编码器每圈只会产生1000个脉冲，那么此时电机的转速则为10rpm/s（电机转速ω）。

编码器每运转一圈会产生一个Z相脉冲，当MCU首次接收到Z相脉冲时，会将这个位置作为零位参考点，随后可通过计数A相脉冲的数量来确定电机转子相对于零位的位置。如检测到了300个A相脉冲，那么电机转子相对于零位的角度位置将是300/1000圈或108°（转为弧度θ=3π/5）。

2. 三相电流测量

通过电流传感器测量电机每相的电流值，接着将所测得的三相电流值通过αβ变换（Clarke变换），将其从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系（Iα，Iβ）中。在三相对称系统中，三个相电流之和理论为零，即Ia + Ib + Ic = 0，此时Clarke变换公式可被简化为如下形式：

图1 简化Clarke变换公式

如果三个相电流之和为零的条件不成立，则需要使用完整的Clarke变换公式来进行转换，以能够处理任意的三相输入电流，此时通用的Clarke变换公式如下：

图2 通用Clarke变换公式

然后使用转子位置信息通过Park变换，将两相静止坐标系下的电流转换到旋转坐标系下，从而得到d轴（直轴）和q轴（交轴）电流即Id和Iq。

图3 Park变换公式

注：dq坐标系是一个随电机转子旋转而旋转的坐标系，其中d轴（直轴）与转子磁链方向一致，q轴（交轴）与d轴相差90度。

3. 期望电流转换

根据整车的实时工况，系统将向MCU发送功率请求，MCU将此功率需求分解为电机的扭矩与转速需求，并通过电机数学模型计算期望的d轴和q轴电流，此期望电流在外环即速度环中可通过基于转速差的控制模型计算输出，并通过向量表示为：u(t)=I目标=[Id,目标，Iq,目标]T。

通常情况下，d轴电流主要用于控制电机的励磁磁场，但对于永磁同步电机而言，励磁磁场由永磁体提供，因此并不需要额外的励磁电流，所以当电机处于中低速运行时d轴电流常被设置为0或一个很小的值，以降低损耗，此时可将期望的q轴电流等价于速度环输出值。

随着电机进入高速运行区间，由于反电动势的存在，将需要对d轴电流进行控制，以扩大电机的转速范围。此时期望的d轴电流会以一个非线性的方式下降，如aω2+bω+c，而期望的q轴电流需根据整车要维持的扭矩需求进行确定。

在电机控制中，扭矩（T）与电机的q轴电流（Iq）直接相关，其关系为：T=kT*Iq。

其中，kT是电机的转矩常数，其与电机的结构相关。

如在整车运行时的某一时刻，系统分解需求后得到此时电机需要输出10N.m的扭矩，并保持一定的速度。若电机的转矩常数 kT = 2N.m/A，此时根据公式可得期望的q轴电流：Iq=T/ kT=10/2=5A，此时期望的Id=0A或根据弱磁需要以非线性方式表示。

在双闭环控制系统中，扭矩控制通常是内部电流环的一部分，当系统需要输出特定的扭矩时，可以直接通过公式计算出对应的q轴电流，然后将其作为电流环的目标值。如上述示例中，此时扭矩需求是已知的，这在实际应用中如车辆处于爬坡、加速等工况下时，系统更需要扭矩特性，因此，此时可绕过速度环基于转速差的计算方式而通过公式直接计算目标Iq。

4. 电流误差计算

通过由电流传感器测得的三相电流转换而来的Id和Iq值与通过转速及扭矩需求转换而来的Id和Iq值（这里为区分记作Id’和Iq’）进行比较，得到误差信号，即E_Id= Id’-Id，E_Iq=Iq’-Iq。

如通过电流传感器测得三相电流 Ia = 10A，Ib = -5A，Ic = -5A，并此时转子相对于零位的角度为108°，那么通过Clarke和Park变换得到d-q坐标系下的实际电流Id = -3.09A，Iq = -9.51A。同时系统所需的扭矩为10N.m，电机的转矩常数为2N.m/A。那么通过计算可得此时d轴、q轴的电流误差是：E_Id= Id’-Id=0-（-3.09A）=3.09A，E_Iq=Iq’-Iq=5-(-9.51)=14.51A。

此假设情况下，计算出的误差较大，正常情况下需求电流与实际电流的误差应尽可能接近于0。

5. 电流调节

基于所得到的电流误差信号，MCU通过如PID、滑膜控制等控制算法输出的控制信号ud和uq（直轴电压与交轴电压），该控制信号经坐标反变换后，从旋转坐标系回到静止坐标系，从而生成相应的PWM控制信号，MCU通过控制PWM的输出占空比来控制开关元件（如IGBT）的导通和关断，进而调整电机绕组中的电流大小，使之符合电流环的目标值也就是由速度环得到的目标值，以确保电机可按照期望的方式运行。

综上所述，简单描述了在新能源汽车中MCU基于矢量控制通过电流环实现对驱动电机的扭矩和转速控制的基本原理，但在具体应用中，系统还需要考虑如滤波、噪声抑制、实时性要求等。对于速度环与电流环的关系总结如下：

图3 速度环与电流环关系