电机控制是在电机结构的基础上进行的，特别对于新能源汽车的电机控制，它的研究方向和考虑点有很多，比如：电机电流控制、电流谐波重叠控制、振动隔离处理、扭矩推测控制、相电流平均电流推测、振动抑制控制、电机转速FB控制、扭矩指令值计算、dq轴变换控制、车轮转速控制等。要想对以上的这些新能源汽车电机控制构想有深入的理解，必须首先对电机本体(也就是电机硬件和和相关控制系统)要有深入的剖析。作为新能源电控领域从业超10年的高级工程师，本人硕士毕业后最大的感触是无论在研究生的研究阶段还是工作后的工作阶段，研究和工作方向固然很重要，但往往并不是最重要的那个，与研究和工作方向相比，对工作或者研究的具体对象(硬件实物)的深入理解以及在这个过程中磨炼的各种思考和拓展能力才是最能体现持久性能力以及持续性发展的最重要的核心要点！
下面笔者首先介绍新能源电机整体架构和原理，然后以车轮旋转控制为例来详细说明新能源电机核心控制构想和理念。
1、新能源电机，一般来说，主要完成以下功能：将某种能量转换成“动能”，它是一种“机械装置”更是“能量转换装置”，如下图所示：
图1. 新能源电机图示
2、电机分类，与传统分类比较相似，主要分为直流电机和交流电机；而对于直流电机和交流电机，还能进一步分类，比如直流电机的形式和种类至少包含串励/并励以及复励直流电机；而交流电机的形式和种类至少包含异步/同步交流电机。但对于目前的新能源车辆，永磁同步交流电机是应用最广泛也最高效的电机系统。
3、交流永磁同步电机的构造，至少包括定子和转子；对于转子，至少包含：端面板、转子传动轴以及磁铁；对于定子，至少包含：核心、磁体线束、端子以及绝缘体，同时还包括线束一体连接器，磁体线束电解槽、绕组方式一般为分布式绕组，如下图所示：
图2. 新能源电机分解图示
4、交流永磁同步电机的工作原理，分为驱动和回收两种场景，对于电机驱动和回收两种场景，Ｕ、Ｖ、Ｗ3个线圈中的电流顺序如下图所示：
图3. 驱动/再生电流动作
如果按照Ｕ→ Ｖ→ Ｗ→ Ｕ→ Ｖ→ Ｗ的电流顺序往复流动，则磁石(处于中间位置)会向右进行旋转；依次类推，若按照相反的电流顺序进行驱动，则由于电流方向的改变，从而改变了磁通量，因此，由物理学知识可得新能源电机的扭矩也会产生一定的变化； 若磁石在线圈的附近进行转动，则将会在线圈上产生一定的磁场，从而使得产生的电流来驱动发电；那么称刚产生的电压为诱发电压。
同时，对于定子的UVW相，当N极S极发生推移时，电机就会转动；那么问题来了，对电流如何施加(电流的大小和方向，因为可以把电流看做矢量)可以实现新能源电机三相信号的变化了？很显然，在新能源电机三相的各相位上施加间隔120°的正弦波信号，就能实现新能源电机三相中各相的变化，如下图所示：
图4. 电机U/V/W三相转换图示
因此，通过以上对交流永磁同步电机基础和原理的介绍，使得读者对新能源电机有初步理解，下面对新能源电机控制系统进行介绍，一般来说，对新能源汽车电机控制而言，分为电机扭矩控制(核心目标)、电机转速控制、电机输入/输出信号控制、电机故障诊断控制、电机解析器学习控制以及电机功能安全控制。而对于新能源整车而言，与整车控制器配合的电机控制器最重要的控制功能是扭矩控制，因为整车控制器会根据驾驶员的要求向电机控制发送电机目标扭矩指令，电机控制接收到目标扭矩指令后会在一定的时间内将扭矩发出；因此，笔者会对电机扭矩控制的细分功能进行划分，主要包含以下核心控制：
电机电流控制、电流谐波重叠控制、振动隔离处理、扭矩推测控制、相电流平均电流推测、振动抑制控制、电机转速FB控制、扭矩指令值计算、dq轴变换控制、车轮转速控制等。
下面以车轮旋转控制为例来详细说明新能源电机核心控制构想和理念。
由于车轮转速控制属于新能源电机扭矩控制的一环，因此首先对新能源汽车电机控制中的扭矩控制功能的整体控制框图进行详细介绍，如下图所示：
图5. 新能源电机整体控制方案
以整车控制器(VCU)输出的扭矩目标值为起点，虚线框图表示电机MCU扭矩处理的整体控制流程简图，具体控制流程如下：
① 整车控制器根据驾驶员要求(驾驶员通过踩刹车踏板或者油门踏板)并综合考虑整车其他需求(比如：ABS、VSA等)后，会在整车控制器内部计算得出目标驱动或者制动扭矩，同时 在一定的时间要求范围内将目标扭矩发送给电机控制器；
② 当电机控制器接收到整车控制器的目标扭矩指令值后，电机控制器会在内部进行一系列的计算来最终满足整车控制器的扭矩需求；
③ 首先，在电机控制器的内部算法中，扭矩推测单元会根据实际电流值和目标电流推测出电机的扭矩(推测值)，并将推测出的扭矩推测值发送给扭矩控制单元；同时，扭矩控制单元会结合扭矩推测值、整车控制器发出的目标扭矩值以及电机内部算法中的电机模式控制，经过算法控制以及滤波后将电流指令值输出给弱磁场控制单元；
④ 其次，弱磁场控制单元会结合电流控制单元反馈的电压指令值，并考虑电机的控制模式以及来自扭矩控制单元的电流指令值，综合考虑效率和能耗，将电流目标值发送给电流控制单元；
⑤ 然后，电流控制模块会综合考虑弱磁场控制发送的电流指令值以及电流实际值，并结合电机内部控制模式，将电压指令值发送给电压控制模块；
⑥ 最后，电压控制模块会将Gate信息发送给IGBT模块，由IGBT控制模块对通道进行打开和关闭控制。
此外，电机控制器内置模式控制方式，根据新能源汽车不同的运行工况和负荷，模式控制方式可以对电机控制的整体，比如扭矩控制单元、弱磁场控制单元、电流控制单元以及电压控制单元的控制参数进行协调和调整；同时，车轮旋转控制也会配合电机扭矩控制的各单元(通常与DQ轴变化控制结合)并为电机扭矩控制提供必要的输入信号。
因此，对于电机扭矩控制，综合可以得出：车轮旋转判断控制的核心目标就是从车轮旋转状态推断出电机转速的异常状态。
由于车轮转速判断控制理念和清晰且控制思路也比较明确，所以可以直接提出详细需求，如下表所示：
项目 | 目的 | 详细需求 |
电机DQ轴变换控制 | 将3相电流转换成扭矩控制所需的DQ轴电流 | ① 判定根据MOT角速度急速变动的车轮旋转状态。 |
② MOT角速度检出状态不正常时，判定为非车轮旋转状态。 |
然后，笔者根据详细需求得出车轮旋转控制的整体框图，首先由车轮旋转判定车轮的旋转转速或者车辆的旋转状态，一般情况下，当电机的角速度变动小于一定阈值且电机角速度很小时，可以认为是停车状态；只有当电机角速度变动大于一定阈值且电机角速度大于一定阈值时，可以认为车辆处于运行状态，电机控制器通过车轮旋转的判定，得出振动要求判定，详细过程如下图所示：图6. 车轮旋转控制整体框图
接下来，笔者根据车轮旋转控制整体框图以及车轮旋转控制的详细需求，将车轮旋转控制的物理动作与车轮旋转控制的需求以及控制模型进行关联；对于车轮旋转判断控制的物理动作，当电机的角速度状态正常且角速度偏差大于车轮旋转判定阈值且持续一定时间后，非车轮旋转状态中的车轮旋转检知flag由0变为1；反之，当电机的角速度状态出现异常且角速度偏差小于车轮旋转判定阈值且持续一定时间后，车轮旋转状态中的车轮旋转检知flag由1变为0，及退出角度检知；此外，通常情况下，目标角速度与实际角速度有偏差，因为滤波的作用，实际角速度将在一定时间内达到目标角速度，如下图所示：
图7. 车轮旋转控制物理动作①
最后，根据电机角速度偏差与时间的累计，在车轮旋转与非旋转状态进行切换，即电机角速度的原始值与滤波值的差超过车轮旋转判定阈值并经过一定时间后判定为车轮旋转状态，当然，车轮旋转判定计数器也会开始计数，当满足计数要求时就重置，同时，根据时间的设定，防止车轮旋转判定在0和1中进行频繁切换从而影响车辆的商品性，并考虑油门踏板的开度和变化率；此外，新能源电机角速度滤波方法通常为一阶滤波，这种滤波方法既能满足速度要求也能满足精度的要求，结果如下图所示：
图8. 车轮旋转控制物理动作②
以上为笔者本次分享的内容，在电机扭矩核心控制中，笔者对电机扭矩控制中的车轮旋转控制进行了详细介绍，从需求到模型框架再到详细建模以及相应的物理动作都有涉及，并建立了控制模块、需求以及物理动作的相互关联！希望能对大家有所帮助！
