曹艷玲

【摘要】本文對內(nèi)嵌式永磁同步電機的最大扭矩電流比（MTPA）控制方法進行理論和仿真分析，利用Matlab/Simulink建立了電機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，并進行仿真驗證。通過快速原型工具建立了控制模型，并搭建硬件控制系統(tǒng)，在目標(biāo)電機上實現(xiàn)MTPA控制和id=0控制，對兩種控制方法進行了對比分析，驗證了軟硬件系統(tǒng)的可行性。

【關(guān)鍵詞】永磁同步電機;MTPA;快速原型;模型在環(huán)仿真

1.引言

2013年我國擁有2.4億輛的機動車總量，1.2億輛的汽車保有量，每年汽車產(chǎn)銷量的平均增速都在10%以上，伴隨著汽車銷量每年的快速增長，霧霾天氣也“經(jīng)久不散”，汽車尾氣排放成為了形成霧霾天氣的重要原因。同時，因汽車尾氣中二氧化碳排放量巨大，對全球溫室效應(yīng)的影響也是不容忽視的。電動汽車是汽車工業(yè)發(fā)展的重大新技術(shù)，從節(jié)能、環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展來看，發(fā)展電動汽車對于我國尤為重要。永磁同步電機因具有低速大扭矩、高速恒功率、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)中[1-4]。

永磁同步電機的控制理論已經(jīng)相對成熟，但是因受限于算法的復(fù)雜性，并且控制算法需要不斷的測試驗證，因此，開發(fā)周期比較長。傳統(tǒng)的開發(fā)方法是通過DSP處理芯片和C代碼編程實現(xiàn)，不但需要編寫復(fù)雜的驅(qū)動程序同時還要編寫應(yīng)用程序，而且C語言不是圖形化語言，對于程序的繼承性很差。高效率、高質(zhì)量的開發(fā)不但可以縮短開發(fā)周期，同時也可以降低開發(fā)成本?？焖僭凸ぞ呤腔贛atlab/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及半實物仿真的軟硬件工作平臺，可實現(xiàn)與MATLAB/Simulink/RTW的完全無縫連接。

快速原型設(shè)備實時系統(tǒng)擁有實時性強，可靠性高，擴充性好等優(yōu)點，其硬件系統(tǒng)中的處理器具有高速的計算能力，并配備了豐富的I/O支持，用戶可以根據(jù)需要進行組合，軟件環(huán)境功能強大且使用方便，包括實現(xiàn)代碼自動生成/下載和試驗/調(diào)試的整套工具[5]。使用快速原型設(shè)備進行電機控制系統(tǒng)的開發(fā)還可以與模型在環(huán)仿真以及硬件在環(huán)仿真進行連接，有效的將開發(fā)過程串聯(lián)起來。

本文對永磁同步電機控制原理及方法進行了理論分析和仿真驗證，搭建了基于快速原型設(shè)備的永磁同步電機控制系統(tǒng)，利用Matlab/Simulink建模，使用圖形語言編程，通過快速原型工具Autobox實現(xiàn)了MTPA控制和id=0控制，并進行了兩種控制方法的分析與對比。

2.最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方法

內(nèi)嵌式永磁同步電機（interior perman-ent magnet synchronous motor，IPMSM）又稱凸極永磁同步電機，由于其直軸和交軸電感參數(shù)的不對稱性，存在磁阻轉(zhuǎn)矩，充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩可以有效提高轉(zhuǎn)矩密度，因而，最大扭矩電流比（maximum torque per ampere，MTPA）控制方法應(yīng)運而生，該方法通過利用磁阻轉(zhuǎn)矩，使得電機以最小的電流獲得最大的扭矩，從而提高轉(zhuǎn)矩密度、減低銅耗，提高系統(tǒng)效率。對于內(nèi)嵌式永磁同步電機，常見的控制方法主要有id=0控制和MTPA控制兩種，id=0控制實現(xiàn)較為簡單，但id=0控制總體效率、轉(zhuǎn)矩密度偏低，因此，MPTA控制方法得到了廣泛應(yīng)用。

分析正弦波電流控制下的永磁同步電機時，最常用的方法是d-q軸數(shù)學(xué)模型。如果忽略相繞組的漏電感，電機鐵心的飽和、電機的渦流和磁滯損耗，電機的電流為對稱的三相正弦電流，對于正弦波電流的三相永磁同步電機[6]，d-q坐標(biāo)系下的等效電路如圖1所示。

圖1 d-q坐標(biāo)系下的等效電路

則其電磁轉(zhuǎn)矩方程如下：

（1）

式中Tem為轉(zhuǎn)矩;id、iq為d-q軸電流;Ld和Lq為d-q軸電感;p 為電機轉(zhuǎn)子極對數(shù);ym為永磁體磁鏈。

轉(zhuǎn)矩由兩部分組成，第一部分是定轉(zhuǎn)子相互作用產(chǎn)生的扭矩，即永磁扭矩;第二部分是由于轉(zhuǎn)子磁路不對稱所產(chǎn)生的扭矩，即磁阻扭矩。根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩公式，將其用標(biāo)么值表示有 Tem*=iq*（1-id*），式中電流的基值為ib=Ψf/（Lq-Ld），轉(zhuǎn)矩的基值為Tb=pΨf ib。在d-q軸平面上畫出恒轉(zhuǎn)矩曲線如圖2所示。

圖2 電流扭矩特性圖

對于Ld

當(dāng)采用MTPA控制時，電動機的電流矢量應(yīng)該滿足如下公式：

（2）

（3）

可得：

（4）

式（4）表示的即為MTPA的控制軌跡。

采用MTPA控制方法可以使得電機在基速段以下充分合理的利用凸極永磁同步電機的磁阻轉(zhuǎn)矩，在較小的電流下輸出較大的轉(zhuǎn)矩，從而提高電機的力矩輸出，降低電機的銅耗，提高電機的效率。

3.系統(tǒng)設(shè)計

基于快速原型的永磁同步電機MTPA控制系統(tǒng)包括快速原型工具AutoBox、電機逆變器、被測電機和測功機臺架四部分，圖3為基于AutoBox底層硬件的電機控制系統(tǒng)連接框圖。

圖3 電機控制系統(tǒng)連接框圖

首先將控制策略模型一鍵生成代碼導(dǎo)入到AutoBox中，然后，AutoBox依照控制模型產(chǎn)生需要的6路PWM波形供給逆變器，逆變器產(chǎn)生三相交流電壓供給被測電機。測功機是一個穩(wěn)速的裝置，工作在轉(zhuǎn)速模式。

3.1 快速原型工具

快速原型工具可以實現(xiàn)在硬件沒有設(shè)計完成時的并行開發(fā)，從而節(jié)約控制策略的開發(fā)時間，方便快捷。本文采用的快速原型工具是德國dSPACE公司的AutoBox產(chǎn)品。其具有強大的硬件庫支持，涵蓋了電機控制當(dāng)中所有的硬件模塊，該工具能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確、快速、同步采集電機三相電流、旋變的位置及溫度信號，能夠在PWM信號載波的起點處進行信號的連續(xù)AD采集，可以進行多次平均。另外，該工具基于MATLAB/Simulink軟件進行模塊化建模，可一鍵編譯并下載模型，且能夠方便地進行模型修改設(shè)計，可以快速驗證不同的控制算法和策略。

3.2 MTPA控制策略架構(gòu)設(shè)計

MTPA控制策略架構(gòu)主要包括電流與位置信號采集、CLARK和PARK變換、電流參考查表、電流PI和SVPWM五部分組成。MTPA控制策略架構(gòu)框圖如圖4所示，首先根據(jù)給定的電流矢量幅值和相位計算出dq軸電流指令，然后與反饋的實際dq軸電流進行PI調(diào)節(jié)，得到dq軸電壓指令，最后通過SVPWM調(diào)制模塊輸出三相占空比，用于控制IGBT開關(guān)管，控制其通斷，從而控制電機的三相電流。

圖4 MTPA控制策略架構(gòu)框圖

圖5 電流扭矩特性

4.實驗結(jié)果

被測電機參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速0-12000rpm，峰值功率40kW，最大力矩280N·m，極對數(shù)為4。試驗臺架主要由測功機系統(tǒng)、被測電機、高壓可調(diào)電源、功率分析儀、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和安全保護系統(tǒng)六部分組成。

通過試驗標(biāo)定可以得到不同電流幅值下，隨著電流相角增加，轉(zhuǎn)矩與電流的關(guān)系曲線，如圖5所示。這種方法克服了電機參數(shù)變化的影響，得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

由圖5可以看出，同一電流幅值在不同的電流角的情況下產(chǎn)生力矩不同，每個電流幅值下都存在一個相位值，使得電機產(chǎn)生的扭矩最大，將這些點連接起來便可以得到一個曲線，該曲線便為電機的MTPA曲線。

圖6為id=0控制與MTPA控制的對比，從圖6可以看出，在一定的電流幅值下，采用MTPA控制所產(chǎn)生的扭矩比采用id=0控制所產(chǎn)生的扭矩要大，反之要產(chǎn)生相同的需求扭矩，MTPA控制所需要的電流幅值要小。

圖6 id=0控制與MTPA控制的對比

因此，采用MTPA控制可以減小電流幅值，因而可以降低電機的銅損耗，提高電機的效率，而且輸出扭矩越大，降低的損耗越大。

5.結(jié)論

本文對MTPA控制方法進行了理論分析與描述，并且通過試驗，對比和驗證了MTPA控制方法與id=0控制方法的效率。采用MTPA控制方法，充分利用電機轉(zhuǎn)子磁路的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻扭矩，在相同的電流下可以產(chǎn)生更大的扭矩，因此可以降低電機的銅損耗，提高電機的效率。同時，試驗表明，使用快速原型進行電機控制策略的開發(fā)，接口配置靈活，開發(fā)速度快，可以大大縮短設(shè)計和驗證的周期。

參考文獻(xiàn)

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[6]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.