曾華娟

摘 要：空間矢量解耦模型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的完全解耦控制。依據(jù)Simulink中的電機(jī)控制模型，比較了和最大扭矩電流比（MTPA）這兩種控制策略的進(jìn)行仿真對(duì)比分析。的控制方法雖然簡(jiǎn)單易行，但是電機(jī)運(yùn)行期間熱損失較大，而且無(wú)法充分利用磁阻扭矩，電機(jī)效率低下。MTPA控制下的電機(jī)能充分利用磁阻扭矩部分，具有較高的扭矩輸出特性，熱損失較小，是控制凸極電機(jī)的首選方法。

關(guān)鍵詞：六相永磁同步電機(jī) 空間矢量解耦 磁阻扭矩 最大扭矩電流比

1 引言

六相永磁同步電機(jī)具有扭矩輸出能力高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、效率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但因其價(jià)格較高，結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，還未得到大范圍的推廣。因此本文對(duì)六相永磁同步電機(jī)控制策略進(jìn)行研究，為六相永磁同步電機(jī)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用有很大的意義。

2 矢量空間解耦（VSD）下的電機(jī)模型

矢量空間解耦（VSD）下的電機(jī)模型方法是將兩個(gè)三相繞組視為一個(gè)整體，然后將電機(jī)的各個(gè)變量根據(jù)不同的諧波頻率映射到不同的坐標(biāo)系中。這種建模方法稱為矢量空間解耦[1]。

電機(jī)電磁扭矩公式如下所示

為了建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，還必須考慮扭矩平衡，扭矩平衡方程

這里表示電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，表示電機(jī)負(fù)載扭矩，表示電機(jī)的機(jī)械角速度，P表示電機(jī)極數(shù)。

VSD電機(jī)模型是將六相永磁同步電機(jī)視為一個(gè)整體，不同頻率的諧波分量被映射到不同的子空間中，從而使基波與諧波完全分離，使得電機(jī)扭矩輸出和磁場(chǎng)控制完全解耦。這種解耦特性使得VSD變換成為實(shí)現(xiàn)六相永磁同步電機(jī)電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)和對(duì)諧波電流補(bǔ)償?shù)氖走x方案[2]。利用Matlab/Simulink建立六相永磁同步電機(jī)模型[3]，如圖1所示。

3 六相永磁同步電機(jī)id=0的控制策略

永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向中，忽略磁阻效應(yīng)，即控制是電機(jī)控制中最簡(jiǎn)單的一種控制方法[4]。永磁同步電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)他勵(lì)直流電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)定子電流只有q軸分量，沒(méi)有對(duì)軸弱磁分量。電機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)噶亢陀来糯沛準(zhǔn)噶吭诳臻g上相互正交。

根據(jù)公式1-1，發(fā)動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與q軸電流成正比，即

為了保持電機(jī)的轉(zhuǎn)速，必須控制發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的瞬時(shí)扭矩。在的情況下，電機(jī)扭矩只與q軸的電流相關(guān)，因此可以通過(guò)轉(zhuǎn)速環(huán)直接獲得相應(yīng)的q軸電流。相應(yīng)的在Simulink中建立了電機(jī)控制流程圖１如下所示。

Simulink中電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速和額定負(fù)載下進(jìn)行仿真，電機(jī)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

在的控制下，轉(zhuǎn)速n， d-q軸電流和以及扭矩的模擬結(jié)果如圖4所示

如圖3a 所示，在第一階段啟動(dòng)時(shí)電機(jī)處于加速階段，轉(zhuǎn)速持續(xù)上升，此時(shí)電機(jī)扭矩輸出最大，（圖3c）。q軸上的電流值也達(dá)到電機(jī)所允許的最大電流值，（圖3b）第二階段，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定速度時(shí)，速度保持在3000/min，此時(shí)=0A，=236A，=236A。通過(guò)比較圖3b中的和圖3c中的電磁轉(zhuǎn)矩的曲線，直觀地表現(xiàn)了電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與成正比的關(guān)系。這里使用的永磁同步電機(jī)參數(shù)，即電機(jī)有磁阻效應(yīng)。在使用=0控制策略的情況下，并不能利用到這一部分的磁阻扭矩，因此=0的控制不是內(nèi)置式永磁同步電機(jī)（）的最佳控制策略。

4 最大電流扭矩比（MTPA）六相永磁同步電機(jī)的控制策略

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，電機(jī)功率的損失主要集中在定子的銅損上。銅損耗通常與電機(jī)電流的平方成正比，逆變器的開(kāi)關(guān)損耗和渦流損耗也隨著電流的增大而增大。因此，為了提高電機(jī)效率，在給定扭矩下，電流應(yīng)盡可能小[5]。根據(jù)電機(jī)電磁扭矩公式1-1與借助拉格朗日乘子，則得到函數(shù)公式

其中p代指電機(jī)的極對(duì)數(shù)，作為拉格朗日乘子。

對(duì)電流和求偏導(dǎo)，

由上述兩個(gè)公式，則得到和之間的關(guān)系，即

將公式3-3代入到扭矩公式1-1，則q軸電流和扭矩之間的關(guān)系如下

根據(jù)扭矩直接求出最優(yōu)的q軸電流值。再將帶入到公式3-3中，得到在任一扭矩下的最大電流分配方案。最大扭矩電流比（MTPA）控制的流程圖如圖4所示

電機(jī)在參數(shù)表1下使用MTPA控制理論也進(jìn)行相應(yīng)的仿真模擬，如圖6所示。

與的控制策略類似，電機(jī)首先加速到指定的速度n=3000/min，然后電機(jī)保持這個(gè)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行。在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，，，總電流。在控制下，總電流。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，MTPA控制下的電流值流較小。同時(shí)在加速過(guò)程中，MTPA的最大電磁轉(zhuǎn)矩可達(dá)到758 Nm，這與控制時(shí)的748 Nm相比，也有所增加。

圖6展示了MTPA和控制的電流矢量曲線。由圖中的電流曲線也能明顯的觀察到，在恒定扭矩下，MTPA控制下的電流值要小于控制。

在電機(jī)控制中，控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方法。該方法將永磁交流電機(jī)等效成一個(gè)他勵(lì)直流電機(jī)，電機(jī)控制算法簡(jiǎn)單不存在弱磁控制環(huán)節(jié)，易于實(shí)現(xiàn)。但是其主要缺點(diǎn)是無(wú)法有效利用電機(jī)的磁阻扭矩，導(dǎo)致相同的扭矩輸出下電流值較大，相應(yīng)的熱損失升高，電機(jī)的整體效率降低。但對(duì)于隱極式永磁同步電機(jī)，其，不存在磁阻效應(yīng)，此時(shí)的控制與MTPA控制方法效果相同。

與相比，凸極永磁同步電機(jī)（）在MTPA控制下，可以在相同的扭矩輸出下實(shí)現(xiàn)最小的相電流。較小的電流值能夠有效減少電機(jī)的銅損和逆變器功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通損耗，熱損失也相對(duì)較小，提高了電機(jī)的整體效率。這些特性使MTPA成為控制凸極電機(jī)的首選方法。因此，MTPA控制能充分利用磁阻扭矩部分，具有較高的扭矩輸出能力，對(duì)于具有磁阻效應(yīng)的永磁同步電機(jī)，MTPA是一種更具優(yōu)勢(shì)的控制方法。

參考文獻(xiàn)：

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