電動汽車五相永磁電機無位置傳感器系統(tǒng)設(shè)計研究

王宇成，高文杰，王海榮

(1.國網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)江212000；2.國網(wǎng)丹陽市供電公司，江蘇 丹陽212300；3.國網(wǎng)杭州供電公司，杭州 310000)

0 引 言

隨著生態(tài)污染與能源枯竭問題的日漸加重，電動汽車受到越來越多的關(guān)注[1-2]。電機驅(qū)動系統(tǒng)作為電動汽車的“心臟”，其可靠和容錯性能直接關(guān)系到駕乘人員的生命安全[3]。永磁電機由于具有高功率/高轉(zhuǎn)矩密度、高效率和寬調(diào)速范圍等優(yōu)勢，已成功廣泛應(yīng)用在商業(yè)化運行的電動汽車中[4]。多相永磁電機[5]，不僅能通過增加繞組相數(shù)余度來保證故障下的轉(zhuǎn)矩輸出能力，而且能通過定、轉(zhuǎn)子的合理設(shè)計有效降低相間的電、磁、熱耦合程度等突出優(yōu)點，在電動汽車高可靠電機驅(qū)動場合掀起一股創(chuàng)新研究和快速發(fā)展的熱潮。

電動汽車用多相永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)主要由驅(qū)動電機、功率變換器、控制器和位置傳感器等組成。每一部分的故障都將影響電機系統(tǒng)的正常工作，甚至導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓和安全事故的發(fā)生。其中，位置傳感器易受電動汽車惡劣行駛環(huán)境影響而故障率較高，是電機驅(qū)動系統(tǒng)中非常脆弱的環(huán)節(jié)，成為影響電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)高可靠性能的至關(guān)重要的因素之一；與此同時，位置傳感器的引入明顯增加了整車系統(tǒng)的體積、重量和復(fù)雜度[6]。

為了克服使用位置傳感器給電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)帶來的缺陷，無位置傳感器技術(shù)[7]受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，成為電機驅(qū)動領(lǐng)域的一個研究熱點?，F(xiàn)有的永磁電機無位置傳感器控制方法大致可分為無信號注入[8]和有信號注入[9]兩大類。基于反電勢估算的無位置傳感器控制方法屬于無信號注入，適用于中高速范圍；基于高頻注入方法的無位置傳感器控制適用于零低速范圍。電機電感參數(shù)受電動汽車不同的運行工況影響較大，而變化的電感參數(shù)對無位置傳感器控制算法的轉(zhuǎn)子位置估計有較大的影響。文獻[10-11]研究了不同負載下較大的電感變化對無信號注入的無位置傳感器控制算法的轉(zhuǎn)子位置估計的影響。文獻[12]研究了電感凸極性以及不同負載下較大的電感變化對無信號注入的無位置傳感器控制算法的轉(zhuǎn)子位置估計的影響。然而，目前現(xiàn)有的大部分研究主要側(cè)重從控制的角度研究提高電機無位置傳感器運行性能，一方面增加了控制器算法的復(fù)雜度，另一方面很難保證在電機不同運行工況下轉(zhuǎn)子位置檢測均具有較高的精度，嚴重制約了無位置傳感器車用電機全工況下的驅(qū)動性能。文獻[13]試圖從電機設(shè)計角度提高電機無位置傳感器運行性能，但是，目前該設(shè)計理論僅針對三相永磁電機開展了初步的分析和研究，同時未考慮電動汽車多運行工況的特殊應(yīng)用場合，難以直接應(yīng)用于電動汽車多相永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)中。

針對上述問題，本文以高能效高可靠電機系統(tǒng)為設(shè)計目標，在電機設(shè)計階段提前將無位置傳感器控制技術(shù)考慮，提出一種新型五相永磁電機，該結(jié)構(gòu)有效在具有良好的性能同時，減少了永磁體的用量，通過仿真與實驗將其與普通型五相永磁電機作對比研究，驗證了新型電機的優(yōu)勢。

1 電機結(jié)構(gòu)與特點

普通型五相永磁電機和新型五相永磁電機結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩臺五相電機均采用容錯齒和單層分數(shù)槽集中繞組，以提高電機繞組故障容錯能力；并設(shè)計電樞齒寬大于容錯齒寬，以提高電機轉(zhuǎn)矩密度[14]。值得注意的是，雖然利用單層集中繞組能夠提高電機的容錯性能，但是單層集中繞組由于不存在繞組分布因數(shù)，空載反電勢諧波含量較高[15]。為此，普通型五相電機設(shè)計轉(zhuǎn)子圓心與定子圓心不同，以優(yōu)化氣隙磁密的正弦度和降低電機的齒槽轉(zhuǎn)矩。此外，單層集中繞組的使用會大大降低極率，使得普通型五相電機d軸電感與q軸電感接近相等。

與圖1(a)電機相比，新型五相電機將電機繞組故障和驅(qū)動系統(tǒng)中位置傳感器故障提前考慮到電機結(jié)構(gòu)設(shè)計中以提高電機系統(tǒng)的可靠性。利用不等氣隙技術(shù)，提高氣隙磁密和反電勢的正弦度，降低轉(zhuǎn)矩脈動。永磁體采用交替極結(jié)構(gòu)，利用鐵心極代替部分永磁體，減少永磁體用量，提高永磁體利用率，節(jié)約成本。此外，轉(zhuǎn)子設(shè)計為偏心結(jié)構(gòu)，通過增加轉(zhuǎn)子離心高度h，以增加q軸氣隙長度，從而降低q軸氣隙磁導(dǎo)以實現(xiàn)Ld>Lq。與此同時，由于采用交替極永磁體結(jié)構(gòu)，可以為轉(zhuǎn)子提供更多的空間設(shè)置空氣磁障以實現(xiàn)Ld>Lq。值得一提的是，修平的定子齒可以降低電機交叉磁飽和，從而有助于進一步實現(xiàn)電機的反凸極特性。由此可見，新型五相電機利用上述技術(shù)，巧妙地實現(xiàn)反凸極特性和提高可靠性。

圖1 五相永磁電機結(jié)構(gòu)

2 性能對比

選取兩臺具有相同的功率密度、繞組匝數(shù)和槽滿率的五相電機進行對比。兩臺電機的額定參數(shù)為：額定功率為2 kW，額定電流為4.75 A，額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min。

2.1 反電勢

圖2為兩種五相電機在額定轉(zhuǎn)速下的反電勢波形，可以發(fā)現(xiàn)，普通型和新型五相電機的THD分別為1.7%和1.1%，說明兩者的反電勢正弦度都較高，驗證了普通型五相電機的不等氣隙設(shè)計和新型的齒頂修平設(shè)計的有效性。

圖2 反電勢波形

2.2 電感

圖3給出了兩臺電機的交直軸電感。由電感特性可以發(fā)現(xiàn)，普通型五相電機基波交直軸電感接近相等，而新型五相電機的基波直軸電感大于交軸電感，驗證了其反凸極設(shè)計的有效性。

圖3 交直軸電感波形

2.3 轉(zhuǎn)矩

最大電流給定7 A，在不同電流角下的轉(zhuǎn)矩輸出波形如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，普通型五相電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在電流角為零的位置，而新型五相電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在電流角為負的位置。這是由于普通型五相電機具有Ld≈Lq的電感特性，而新型五相電機具有Ld>Lq的電感特性。

由表1中普通型與新型五相電機的輸出轉(zhuǎn)矩及永磁體用量比較可知，相同的轉(zhuǎn)矩輸出，新型五相電機中永磁體用量減少了9.71%。這表明新型五相電機具有實現(xiàn)少稀土永磁方面的潛力。以近期外國稀土市場為例，燒結(jié)釹鐵硼價格為 130 $/kg，配備60 kW 永磁同步電機的電動汽車一般需要 2 kg～3 kg 的永磁材料[16]。若采用新型五相電機設(shè)計，每臺電機將節(jié)省不少成本，將對經(jīng)濟效益有很大的影響。

表1 兩種電機的輸出性能比較

圖4 轉(zhuǎn)矩輸出波形

2.4 效率與損耗

效率反映了電機能量轉(zhuǎn)換的能力，因此對于電動汽車驅(qū)動電機，效率也是一個重要指標。由于機械損耗相對總損耗十分小，故在計算效率時可忽略。因此，五相電機的效率可表示為

(1)

式中，η為效率，Pout為輸出功率，Pi為輸入功率，PFe為鐵耗，Pec為永磁體渦流損耗，Pcu為銅耗。銅耗可通過公式計算得到，鐵耗和永磁體渦流損耗可以通過有限元直接計算得到。

圖5給出了不同轉(zhuǎn)速下的損耗，相應(yīng)的總損耗和效率如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，由于新型五相電機的電樞繞組電阻比普通型五相電機小，相應(yīng)的，其銅耗也小于普通型五相電機。另外，新型電機的鐵耗相對于普通型電機略高，但其永磁渦流損耗略高于普通型電機。因此，兩臺電機的效率差別不是很明顯。根據(jù)式(1)和圖6可知，普通型和新型五相電機在額定工況下的效率分別為92.8%和93%。

在高速區(qū)(普通型電機為2500 r/min～6000 r/min，新型電機為3500 r/min～7500 r/min)，由于鐵耗的升高，兩臺電機的效率均有所下降。值得注意的是，對于牽引驅(qū)動應(yīng)用場合，集中繞組的高效率優(yōu)勢在高弱磁區(qū)不是很明顯。此外，相對于普通型電機，新型電機由于增磁效應(yīng)，擁有更寬的轉(zhuǎn)速范圍以及在恒功率區(qū)具有更高的效率。

在利用Soot生成控制流圖后，使用Soot提供的過程內(nèi)數(shù)據(jù)流分析框架來模擬完整控制結(jié)構(gòu)下的語句遍歷分析，并在此過程中基于傳入的記錄規(guī)則，詳細記錄所有變量的初始化、變量的方法和成員變量調(diào)用、變量賦值、變量值傳遞等所有變量相關(guān)的行為。在最終生成的變量行為記錄中，即可清楚地獲得變量的常量特征。

圖5 損耗隨轉(zhuǎn)速變化波形

圖6 總損耗、輸出功率和效率波形

3 無位置傳感器驅(qū)動控制系統(tǒng)

電機的電感特性對于有信號注入和無信號注入的無位置傳感器控制算法的轉(zhuǎn)子位置估算均有一定的影響。

3.1 有信號注入估算方法

由于新型五相永磁電機具有Ld>Lq的電感特性，故利用旋轉(zhuǎn)高頻注入法可實現(xiàn)其零低速無位置傳感器運行。而普通型五相永磁電機的交直軸電感接近相等，故適用于脈振高頻注入法。本文以旋轉(zhuǎn)高頻注入法為例，闡述電機電感特性對其產(chǎn)生的影響。圖7(a)為基于旋轉(zhuǎn)高頻信號注入法的新型五相永磁電機無位置傳感器控制系統(tǒng)框圖。

向αβ坐標系注入高頻正弦信號，形式如下：

(2)

式中，Vh為高頻信號幅值，ωh為角頻率。

基于五相永磁電機電壓方程和式(2)，可得高頻電流響應(yīng)為

(3)

由上式可知，高頻電流負序分量含有位置信息。利用濾波器濾除繞組電流中的基波分量和高頻電流正序分量，可獲得轉(zhuǎn)子位置。可以發(fā)現(xiàn)，L1將對轉(zhuǎn)子位置估算精度有很大的影響。因此，當電機運行在不同工況下，若能確保L1不發(fā)生變化，則電機將具備較好的無位置傳感器運行能力。

3.2 無信號注入估算方法

(4)

式中，F(xiàn)為控制輸入的切換函數(shù)。當電流觀測信號跟蹤上電流采樣信號后，SMO的切換函數(shù)就可以完全反映電機反電動勢信息。高頻切換函數(shù)經(jīng)過低通濾波器，可得到接近正弦的反電動勢波形。SMO的原理圖如圖7(b)所示。根據(jù)估算反電動勢可獲得位置信息。

由式(4)可以發(fā)現(xiàn)，較大的電感變化會對轉(zhuǎn)子位置估算精度產(chǎn)生一定的影響。因此，若交直軸電感在不同工況能夠保持不變，電機將擁有較好的無位置傳感器運行性能。

圖7 五相電機無位置傳感器控制結(jié)構(gòu)框圖

3.3 無位置傳感器運行性能評估

為評估兩臺電機的無位置傳感器運行性能，圖8研究了兩臺電機的交直電感隨負載變化的情況?？梢姡瑢τ谛滦臀逑嚯姍C，由于在q軸增加磁障，其交軸電感隨著負載電流增加變化不大；此外，交直軸電感之差在較大的負載電流下仍能保持不變，說明該電機的凸極率受電流增大引起的磁飽和效應(yīng)的影響較小。相反，普通型五相電機的交軸電感隨負載電流增加變化較大，其交直軸電感之差也相應(yīng)減小，說明該電機的電感特性受電流增大引起的磁飽和效應(yīng)的影響較大。因此，上述分析表明，新型五相電機在不同負載下?lián)碛休^好的無位置傳感器運行能力，說明該電機可以滿足電動汽車的負載變化范圍較大的要求。

兩臺電機在突加負載情況下無位置傳感器運行性能如圖9所示?？梢?，在突加負載情況下，普通型五相電機的轉(zhuǎn)子位置估算誤差有所增加，而新型五相電機的轉(zhuǎn)子位置估算精度幾乎不受影響，誤差均較小。說明相對于普通型五相電機，新型五相電機驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性更高。

圖8 電感變化特性波形

圖9 無位置傳感器運行波形

4 實驗驗證

兩臺電機的實測空載反電勢如圖10所示，此時電機的工作頻率為225 Hz?？梢园l(fā)現(xiàn)，兩臺電機的反電勢都為正弦波，與仿真結(jié)果相吻合，說明這兩臺電機都適合BLAC運行方式。

圖11對比了基于最大轉(zhuǎn)矩電流比控制策略的電機驅(qū)動系統(tǒng)運行性能。由電機運行于額定工況下的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流波形可知，相同負載條件下，新型五相電機的相電流比普通型電機小。由于普通型五相電機的交直軸電機接近相等，其輸出轉(zhuǎn)矩接近永磁轉(zhuǎn)矩；而新型五相電機具有反凸極特性，其輸出轉(zhuǎn)矩包含永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩。另外，新型五相電機的直軸電感大于交軸電感，在磁場增強區(qū)(id>0)能夠輸出最大轉(zhuǎn)矩，從而有利于降低銅耗。因此，新型五相電機驅(qū)動系統(tǒng)更有利于電動汽車爬坡工況運行。

圖10 反電勢實測波形

圖11 額定工況下轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流實測波形

圖12對比了兩臺電機的無位置傳感器運行性能?？芍S著負載急劇增加，普通型電機的轉(zhuǎn)子位置估算誤差將增加。而新型五相電機的電感在電動汽車不同運行工況下變化較小，其轉(zhuǎn)子位置估算誤差幾乎不受負載變化的影響。上述分析說明，相對于普通型電機，新型五相電機擁有更好的無位置傳感器運行性能。

圖12 負載變化對無位置傳感器運行性能的影響

5 結(jié) 論

本文對電動汽車高可靠電機驅(qū)動系統(tǒng)開展研究，提出一種新型五相永磁電機，通過優(yōu)化的設(shè)計在不影響電機輸出性能的前提下，以實現(xiàn)Ld>Lq以及不同工況下電感幾乎不變化的電感特性，從而提高電機的無位置傳感器運行性能。并且，通過仿真對比研究了新型和普通型五相永磁電機及驅(qū)動控制系統(tǒng)的相關(guān)特性，得出以下結(jié)論：

(1)在相同的輸出功率密度前提下，新型五相電機的永磁體用量相對于普通型五相可節(jié)約9.71%，在當前永磁材料作為一種戰(zhàn)略物資的形勢下，具有良好的經(jīng)濟效益。

(2)兩臺電機在額定工況下效率相差甚微，但新型電機由于增磁效應(yīng)，相對于普通型五相電機，擁有更寬的轉(zhuǎn)速范圍以及在恒功率區(qū)具有更高的效率，可滿足電動汽車對電機驅(qū)動系統(tǒng)寬調(diào)速的要求。

(3)相對于普通型五相電機，新型五相電機在變工況下?lián)碛懈玫臒o位置傳感器運行性能，故其可靠性更高。

(4)由于電動汽車處于多變的運行工況，要求其電機驅(qū)動系統(tǒng)具有高能效高可靠運行性能，因此，相對于普通型五相電機，新型五相電機驅(qū)動系統(tǒng)在電動汽車應(yīng)用領(lǐng)域擁有更明顯的優(yōu)勢。