控制包含對原理、法規要求過(guò)程分析、測試方法及策略控制應用，通過(guò)對永磁同步電機的基本工作原理變換到選型設計，通過(guò)仿真設計校核并通過(guò)臺架和整車(chē)實(shí)車(chē)測試驗證設計目標，驗證了系統性能，安全性高，在通過(guò)設計對整車(chē)目標進(jìn)行校核的同時(shí)，防止過(guò)度開(kāi)發(fā)，降低了系統開(kāi)發(fā)成本。

  新能源電動(dòng)汽車(chē)因其低速大轉矩，高速高功率等特性，帶來(lái)啟動(dòng)強大的瞬間爆發(fā)力的同時(shí)，還帶來(lái)一系列行駛工況的問(wèn)題，表現在性能、可靠性上，如溫升對磁鋼的影響，溫升對驅動(dòng)電機控制器功率器件如絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）、MOS 管的性能影響到降功率，降電流輸出，其他的還有一個(gè) NVH 噪聲和抖動(dòng)的問(wèn)題對驅動(dòng)系統來(lái)說(shuō)影響主觀(guān)駕駛舒適性和安全性，同時(shí)堵轉時(shí)對應于驅動(dòng)PWM的發(fā)波影響較大，隨機載頻及分段頻率同樣是需要標定，通 過(guò)合理的應用場(chǎng)景環(huán)境匹配發(fā)波策略，適用載人和載貨等不同負荷類(lèi)型車(chē)輛應用需求，當前國家法規如強檢：電動(dòng)汽車(chē)用驅動(dòng)電機系統技術(shù)條件和試驗方法也對堵轉等范圍特性進(jìn)行了定義概況性要求，但是對堵轉細節參數級約束沒(méi)有具體化，需要公司進(jìn)行各自的產(chǎn)品特性進(jìn)行適應性開(kāi)發(fā)和深入的研究來(lái)決定，尤其是在滿(mǎn)載負載情況下，出現堵轉等惡劣的工況，對車(chē)輛及人員安全帶來(lái)挑戰，如在城市物流車(chē)領(lǐng)域，可能在載荷上比較靈活，如果堵轉性能與安全不能匹配，將會(huì )直接影響到車(chē)輛后溜，帶來(lái)風(fēng)險。

  單純的從產(chǎn)品特性應用來(lái)看，由于驅動(dòng)電機控制器的功率器件架構方案不同，存在于 IGBT、MOS 單管和 IGBT 模塊方案，其中模塊還有半橋和全橋之分，不同的電氣架構及布局，帶來(lái)不同的du/dt 和di/dt，對功率器件堵轉性能控制差異帶來(lái)了挑戰，另，在目前如 SiC 的產(chǎn)品及扁線(xiàn)電機及油冷系統的應用極大的提升了溫升平衡的能力，提升堵轉能力。本文基于設計一款城市物流車(chē)峰值功率 60 kw，額定功率 30 kw，堵轉目標轉矩 200 nm 不低于 5 s，峰值轉矩 220 N·m，系統模塊設計，通 過(guò)整車(chē)動(dòng)力需求及 Matlab/simulink 建立仿真模型實(shí)施策略并通過(guò)臺架及整車(chē)測試并對工況應用做多元化的分析驗證。

  永磁同步電機（permanent magnet synchronous motor,PMSM），其定子繞組通常是由圓線(xiàn)或者扁線(xiàn)組成，轉子采用鋁鐵硼等材料的磁鋼實(shí)現轉子勵磁，轉子旋轉磁場(chǎng)在定子繞組勵磁磁場(chǎng)產(chǎn)生了反電動(dòng)勢 EMF，根據PMSM理論控制等效電路有電壓平衡方程：

  如果堵轉時(shí)，從功率平衡來(lái)考慮，原先運行定轉子磁場(chǎng)分別產(chǎn)生，轉子感應電流磁場(chǎng)在定子繞組通過(guò)反電動(dòng)勢抑制電流增加變成無(wú)轉子電流感應磁場(chǎng)，定子磁場(chǎng)中電阻及自感包含漏感和勵磁電感直接加在堵轉后的電壓下，堵轉前三相驅動(dòng)是正弦波，一旦堵死后出現零轉速，轉子的位置被鎖定的固定位置上，實(shí)現方式通過(guò)固定的鎖止機構來(lái)實(shí)現，此時(shí)相電流有正弦變成直流波形。

  從公式上明顯看出，在電壓Ui不變的情況下，Is會(huì )呈現劇烈的上升，所有電壓全部施加到定子繞組電阻上，而且，由于轉子位置與電流直接關(guān)聯(lián)，隨著(zhù)最大位置的出現到來(lái)，產(chǎn)生最大電流的出現，由于功率器件 IGBT 的熱容相對于驅動(dòng)電機繞組較小，一般會(huì )溫度爬升較快，會(huì )領(lǐng)先驅動(dòng)電機線(xiàn)包 NTC 溫度上升，如不能及時(shí)控制系統溫度的爬升和平衡，將會(huì )導致 IGBT 和驅動(dòng)電機 NTC 溫度超過(guò)閾值達到報警而產(chǎn)生降功率，而通常為了應對惡劣工況下降功率一般都會(huì )采用的方法是線(xiàn)性降轉矩，直到降為零，在冷卻系統工作干預情況下，當溫度達到閾值以下，會(huì )自動(dòng)恢復，另，由于驅動(dòng)電機PWM發(fā)波是匹配負載系數進(jìn)行調節，實(shí)現隨機載波，根據矢量控制原理，在單位時(shí)間內開(kāi)關(guān)頻率與產(chǎn)生的能量成正比，因此，一旦觸發(fā)堵轉后，采取降載頻，當前在固定位置堵轉后，采用定點(diǎn)頻率實(shí)現發(fā)波，發(fā)波頻率越高，溫升上升越高，頻率越低，相對開(kāi)關(guān)次數減少，溫度上升較慢，但是太低的頻率會(huì )帶來(lái) NVH 的噪聲和整車(chē)的抖動(dòng)問(wèn)題，因此就需要進(jìn)行合理標定及匹配驗證。

  根據 GBT 18488.2—2015 要求試驗，在特定的工裝上，將驅動(dòng)電機轉子堵轉，驅動(dòng)電機系統這里包含電機和控制器，工作在實(shí)際冷狀態(tài)下，通過(guò)驅動(dòng)電機控制器為驅動(dòng)電機施加所需堵轉轉矩，記錄堵轉轉矩和堵轉時(shí)間，通過(guò)改變驅動(dòng)電機定子和轉子相當位置，沿著(zhù)圓周方向等分取 5 個(gè)堵轉點(diǎn)，分布重復以上試驗，每次試驗前，將驅動(dòng)電機系統恢復到實(shí)際冷狀態(tài)，堵轉時(shí)間應相同。由此可見(jiàn)：國標的強制要求驅動(dòng)系統具備堵轉能力，但是具體的堵轉轉矩點(diǎn)及范圍、堵轉維持的時(shí)間及步長(cháng)沒(méi)有做定義說(shuō)明，由產(chǎn)品技術(shù)來(lái)定義，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，能結合國標試驗要求，對轉矩進(jìn)行分段設定，規定堵轉轉矩點(diǎn)及對應持續時(shí)間。

  在不同電壓下，轉子在不同位置時(shí)，電機控制器功率器件仍需要響應轉矩需求輸出更大的電流，以滿(mǎn)足堵轉請求轉矩，尤其在最高工作電壓下堵轉，對其 IGBT 電流輸出能力嚴苛度要求極高，目標參數如下表 1：

  為達到最嚴苛設計，設置仿真及測試條件在如下條件下：最高工作電壓 420 V，進(jìn)行冷卻系統輸入水口溫度不高于 60 ℃，流量為 10 L/min，通過(guò)報文及示波器波形來(lái)記錄過(guò)程數據?；谏鲜龇治?，進(jìn)行有關(guān)溫度監控，通過(guò)與主要目標參數進(jìn)行確認，根據目標參數進(jìn)行如下具體策略分析。

  首先對堵轉電流進(jìn)行定義，當且僅當在轉子最大位置角度時(shí)，獲得的堵轉電流是稱(chēng)為最大電流，如果此時(shí)對應的轉矩即為最大堵轉轉矩，但是此轉矩滿(mǎn)足目標堵轉轉矩時(shí)，才能滿(mǎn)足設計的基本要求，如下圖 2，驅動(dòng)電機三相輸出電流正弦波波形分別為 U、V、W 三相，顏色分別為綠色、紅色、藍色，若堵轉時(shí)首次位置處電流相位處于圖 1 黑線(xiàn)縱向位置，能夠準確的看出此時(shí) U 相堵轉電流為最大值，此時(shí)等于 V 和 W 相輸出電流的大小數值之和，方向與 U 相電流相反。U 相為最大值，且為正值，表示此時(shí)堵轉在 U 相上橋，電流方向是流出控制器。

  在堵轉過(guò)程中，監測到位置如果不變，則電流也是固定值，因此電流不同，位置也不相同，采用從預設初始目標小電流開(kāi)始，按照步長(cháng)逐步增加，進(jìn)行 U 相橋臂零點(diǎn)處位置角，接著(zhù)進(jìn)行轉矩請求調節輸出電流，通過(guò)遞增，并當達到峰值電流時(shí)的位置，設置標記零點(diǎn)，此時(shí)獲得的 U 相相電流為有效值，進(jìn)行轉換獲得幅值，然后再進(jìn)行 V 和 W 相標定。

  根據執行轉矩，數據來(lái)進(jìn)行分析，采取從額定轉矩作為基本量，在規定的轉速范圍內，如 20 rpm 以下，系統認為是進(jìn)入堵轉模式，開(kāi)啟響應，計數器開(kāi)始設置開(kāi)始，定時(shí)時(shí)間到，且一直在堵轉狀態(tài)，開(kāi)始限制扭矩輸出，扭矩限制關(guān)系，峰值扭矩時(shí)能夠支持的堵轉時(shí)間與水溫關(guān)系較大，水溫低時(shí)，峰值扭矩可以堵轉的時(shí)間長(cháng)，水溫高時(shí)，峰值扭矩可以堵轉的時(shí)間短。

  如果系統檢測到當前轉矩未達到峰值轉矩和最大堵轉轉矩時(shí)，根據溫升檢測閾值，延時(shí)堵轉時(shí)間。

  當前檢測到轉矩小于額定轉矩 90 nm，如果此時(shí)轉速大于 20 r/min，則認為未進(jìn)入堵轉模式，不進(jìn)行計時(shí)觸發(fā)，從當前前一個(gè)堵轉模式中進(jìn)行轉矩恢復，設置恢復時(shí)間如 0.3 s，需標定，控制器 IGBT 或電機過(guò)溫保護與堵轉保護獨立，控制器 IGBT 溫度或電機溫度超過(guò)設定閾值時(shí)，也會(huì )進(jìn)入相應保護。

  基于計算參數，依據相應的整車(chē)策略分解要求，匹配驅動(dòng)電機及功率器件來(lái)測試優(yōu)化，對水溫要求，及持續轉矩值、維持的時(shí)間進(jìn)一步分析以?xún)?yōu)化曲線(xiàn) IGBT及驅動(dòng)電機保護參數

  IGBT 溫升變化代表電機控制器的溫度平衡能力，因此根據整車(chē)策略需求來(lái)做驅動(dòng) IGBT 兩級溫度進(jìn)行設計，進(jìn)行預警降功率、關(guān)管保護，保護為進(jìn)行診斷進(jìn)行故障代碼鎖定，按照診斷策略進(jìn)行恢復，參照中斷故障檢出處理條件及方法。驅動(dòng)電機依據本身磁鋼牌號性能及 NTC 位置及分布溫升進(jìn)行兩級級溫度預警降功率、關(guān)管停機，如下表 3。

  基于設定目標參數及堵轉策略進(jìn)行整車(chē)滿(mǎn)載質(zhì)量開(kāi)展驅動(dòng)電機轉矩坡道駐坡需求的理論計算，通過(guò)坡道角度要求，根據整車(chē)速比、滾動(dòng)半徑進(jìn)行坡道受力分析，校核堵轉需求，為整車(chē)測試提供依據。

  G×sinα；在不考慮路面摩擦阻力的情況下，F由電機扭矩平衡；在輪胎半徑r= 0.302 m，速比i= 8.5，則電機轉矩

  （Simulink 中的理想 PMSM 模型的輸出端口 m 是一個(gè)多信號復用端口，包含電機的三相電流、角速度、位置等信號，經(jīng)過(guò) Mux 模塊可以將復用的信號分別提取出來(lái)）

  在仿真參數基礎上進(jìn)行實(shí)際的測試，通過(guò)進(jìn)行臺架測試和實(shí)車(chē)堵轉、坡道駐坡測試，建立測試數據庫，對理論數據來(lái)進(jìn)行校核，確認目標任務(wù)是不是能夠實(shí)現。

  根據目標參數，驅動(dòng)電機和控制器采用水冷循環(huán)，入水溫度控制在 60 ℃，在零轉速條件下，測試從額定轉矩開(kāi)始，依次為 90、120、160、200 nm、220，測試各個(gè)轉矩點(diǎn)可堵轉的最長(cháng)時(shí)間及此時(shí)驅動(dòng)電機的溫度、電機控制器 IGBT 溫度、堵轉轉矩要求不少于 5 s，峰值轉矩也即最大輸出轉矩值來(lái)測試摸底，核對極限能 力，測試數據如下表 4 為 2.4 kHz 測試。表4 堵轉數據

  整車(chē)在滿(mǎn)載情況下（2 680 kg），20% 的坡度 , 此為實(shí)際應用場(chǎng)景需求，連續爬坡駐坡，環(huán)境和溫度 45 ℃ 左右；另，也測試在車(chē)輛靜止時(shí)，ready 狀態(tài)，D 檔，手剎拉死，油門(mén)從 0-100% 開(kāi)度，監控報文 MCU 和電機轉速和轉矩輸出值，電驅系統中的電機和 IGBT 氣溫變化曲線(xiàn)狀態(tài)限值、三相電流曲線(xiàn)波形和限值，MCU 故障數量和故障等級。5 s 內不允許出現過(guò)溫、過(guò)流，過(guò)程記錄環(huán)境和溫度，觀(guān)察車(chē)輛有無(wú)異常。

  從數據來(lái)看，堵轉時(shí)間 5 s；堵轉的過(guò)程中，上位機監控轉矩最高點(diǎn)輸出轉矩為 160（換算系數對應電機轉矩為 180

  左右），IGBT 最高結溫為 125 ℃；整一個(gè)完整的過(guò)程電機控制器及系統未過(guò)溫，無(wú)異常表現。

  綜合以上目標參數建立并通過(guò)測試數據來(lái)進(jìn)行校核及保護方案確認，在水溫低于 60 ℃ 時(shí)能延續堵轉時(shí)間，執行轉矩變小時(shí)，也能延續堵轉時(shí)間，能夠很好的滿(mǎn)足正常駕駛時(shí)駐坡與坡道起步等實(shí)車(chē)應用場(chǎng)景需求時(shí)的堵轉工況時(shí)需求；如果水溫高于 60 ℃，堵轉轉矩可以堅持整車(chē)目標要求 5 s，但是峰值扭矩堵轉時(shí)間為非常短，在堵轉轉矩控制范圍內能夠完全滿(mǎn)足滿(mǎn)載整車(chē)坡道起步，駐坡，爬坡，在堵死的情況下，監控驅動(dòng)電機和功率器件 IGBT 的溫度進(jìn)行獨立保護策略，當連續駐坡長(cháng)時(shí)間連續坡道起步時(shí)，超出目標設計時(shí)，會(huì )出現堵轉降轉矩或控制器 IGBT 過(guò)溫降轉矩，通過(guò)策略建立仿真及整車(chē)實(shí)車(chē)測試為載人載貨車(chē)輛的堵轉控制提供了批量開(kāi)發(fā)基礎，并通過(guò)驗證此控制方案可行批量生產(chǎn)。

  [1] 王成元.現代電機控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.[2] 姚光中.內置式永磁同步電機的等效電路[J].電機技術(shù)2020(1).

  [3] 陳慧民.電動(dòng)汽車(chē)永磁同步電機堵轉損壞機理分析及預防的方法[J].大功率變流技術(shù),2020(5).

  [4] 杜博超.電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機的故障診斷[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.[5] 李長(cháng)紅,陳明俊,吳小役.PMSM調速系統中最大轉矩電流比操控方法的研究[J].中國電工工程學(xué)報,2005,25(11):169-174.

  [6] 唐任遠.現代電機:理論與設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1997.

  [8] 楊金霞,元約平,王健等.永磁同步牽引電機溫度場(chǎng)仿真分析[J].大功率變流技術(shù),2013(3):43-47.