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        基于快速原型的永磁同步電機(jī)MTPA控制

        2014-04-29 00:44:03曹艷玲
        電子世界 2014年17期
        關(guān)鍵詞:永磁同步電機(jī)

        曹艷玲

        【摘要】本文對(duì)內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的最大扭矩電流比(MTPA)控制方法進(jìn)行理論和仿真分析,利用Matlab/Simulink建立了電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型,并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過(guò)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(jī)上實(shí)現(xiàn)MTPA控制和id=0控制,對(duì)兩種控制方法進(jìn)行了對(duì)比分析,驗(yàn)證了軟硬件系統(tǒng)的可行性。

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

        1.引言

        2013年我國(guó)擁有2.4億輛的機(jī)動(dòng)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(zhǎng),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(shí),因汽車尾氣中二氧化碳排放量巨大,對(duì)全球溫室效應(yīng)的影響也是不容忽視的。電動(dòng)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(lái)看,發(fā)展電動(dòng)汽車對(duì)于我國(guó)尤為重要。永磁同步電機(jī)因具有低速大扭矩、高速恒功率、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中[1-4]。

        永磁同步電機(jī)的控制理論已經(jīng)相對(duì)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(cè)試驗(yàn)證,因此,開發(fā)周期比較長(zhǎng)。傳統(tǒng)的開發(fā)方法是通過(guò)DSP處理芯片和C代碼編程實(shí)現(xiàn),不但需要編寫復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)程序同時(shí)還要編寫應(yīng)用程序,而且C語(yǔ)言不是圖形化語(yǔ)言,對(duì)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(shí)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(shí)物仿真的軟硬件工作平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)與MATLAB/Simulink/RTW的完全無(wú)縫連接。

        快速原型設(shè)備實(shí)時(shí)系統(tǒng)擁有實(shí)時(shí)性強(qiáng),可靠性高,擴(kuò)充性好等優(yōu)點(diǎn),其硬件系統(tǒng)中的處理器具有高速的計(jì)算能力,并配備了豐富的I/O支持,用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行組合,軟件環(huán)境功能強(qiáng)大且使用方便,包括實(shí)現(xiàn)代碼自動(dòng)生成/下載和試驗(yàn)/調(diào)試的整套工具[5]。使用快速原型設(shè)備進(jìn)行電機(jī)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(jìn)行連接,有效的將開發(fā)過(guò)程串聯(lián)起來(lái)。

        本文對(duì)永磁同步電機(jī)控制原理及方法進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證,搭建了基于快速原型設(shè)備的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng),利用Matlab/Simulink建模,使用圖形語(yǔ)言編程,通過(guò)快速原型工具Autobox實(shí)現(xiàn)了MTPA控制和id=0控制,并進(jìn)行了兩種控制方法的分析與對(duì)比。

        2.最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方法

        內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)(interior perman-ent magnet synchronous motor,IPMSM)又稱凸極永磁同步電機(jī),由于其直軸和交軸電感參數(shù)的不對(duì)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(yùn)而生,該方法通過(guò)利用磁阻轉(zhuǎn)矩,使得電機(jī)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(duì)于內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī),常見(jiàn)的控制方法主要有id=0控制和MTPA控制兩種,id=0控制實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)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(jī)時(shí),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(jī)鐵心的飽和、電機(jī)的渦流和磁滯損耗,電機(jī)的電流為對(duì)稱的三相正弦電流,對(duì)于正弦波電流的三相永磁同步電機(jī)[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(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)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(duì)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(duì)于Ld

        當(dāng)采用MTPA控制時(shí),電動(dòng)機(jī)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(jī)在基速段以下充分合理的利用凸極永磁同步電機(jī)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(jī)的力矩輸出,降低電機(jī)的銅耗,提高電機(jī)的效率。

        3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

        圖3 電機(jī)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(cè)電機(jī)。測(cè)功機(jī)是一個(gè)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(shí)現(xiàn)在硬件沒(méi)有設(shè)計(jì)完成時(shí)的并行開發(fā),從而節(jié)約控制策略的開發(fā)時(shí)間,方便快捷。本文采用的快速原型工具是德國(guó)dSPACE公司的AutoBox產(chǎn)品。其具有強(qiáng)大的硬件庫(kù)支持,涵蓋了電機(jī)控制當(dāng)中所有的硬件模塊,該工具能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確、快速、同步采集電機(jī)三相電流、旋變的位置及溫度信號(hào),能夠在PWM信號(hào)載波的起點(diǎn)處進(jìn)行信號(hào)的連續(xù)AD采集,可以進(jìn)行多次平均。另外,該工具基于MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行模塊化建模,可一鍵編譯并下載模型,且能夠方便地進(jìn)行模型修改設(shè)計(jì),可以快速驗(yàn)證不同的控制算法和策略。

        3.2 MTPA控制策略架構(gòu)設(shè)計(jì)

        MTPA控制策略架構(gòu)主要包括電流與位置信號(hào)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(jì)算出dq軸電流指令,然后與反饋的實(shí)際dq軸電流進(jìn)行PI調(diào)節(jié),得到dq軸電壓指令,最后通過(guò)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(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

        被測(cè)電機(jī)參數(shù)如下:轉(zhuǎn)速0-12000rpm,峰值功率40kW,最大力矩280N·m,極對(duì)數(shù)為4。試驗(yàn)臺(tái)架主要由測(cè)功機(jī)系統(tǒng)、被測(cè)電機(jī)、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(hù)系統(tǒng)六部分組成。

        通過(guò)試驗(yàn)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(jī)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(gè)電流幅值下都存在一個(gè)相位值,使得電機(jī)產(chǎn)生的扭矩最大,將這些點(diǎn)連接起來(lái)便可以得到一個(gè)曲線,該曲線便為電機(jī)的MTPA曲線。

        圖6為id=0控制與MTPA控制的對(duì)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(duì)比

        因此,采用MTPA控制可以減小電流幅值,因而可以降低電機(jī)的銅損耗,提高電機(jī)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(duì)MTPA控制方法進(jìn)行了理論分析與描述,并且通過(guò)試驗(yàn),對(duì)比和驗(yàn)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(jī)轉(zhuǎn)子磁路的不對(duì)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(jī)的銅損耗,提高電機(jī)的效率。同時(shí),試驗(yàn)表明,使用快速原型進(jìn)行電機(jī)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(jì)和驗(yàn)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(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

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