曹艷玲

【摘要】本文對內(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，對兩種控制方法進(jìn)行了對比分析，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年我國擁有2.4億輛的機(jī)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(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)用于電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)中[1-4]。

永磁同步電機(jī)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(yàn)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(shí)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(shí)物仿真的軟硬件工作平臺，可實(shí)現(xiàn)與MATLAB/Simulink/RTW的完全無縫連接。

快速原型設(shè)備實(shí)時系統(tǒng)擁有實(shí)時性強(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)過程串聯(lián)起來。

本文對永磁同步電機(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，使用圖形語言編程，通過快速原型工具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。對于內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)，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(shí)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(jī)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(jī)鐵心的飽和、電機(jī)的渦流和磁滯損耗，電機(jī)的電流為對稱的三相正弦電流，對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(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

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、被測電機(jī)和測功機(jī)臺架四部分，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電機(jī)。測功機(jī)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(shí)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(qiáng)大的硬件庫支持，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、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，能夠在PWM信號載波的起點(diǎn)處進(jìn)行信號的連續(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，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

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(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，極對數(shù)為4。試驗(yàn)臺架主要由測功機(jī)系統(tǒng)、被測電機(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，每個電流幅值下都存在一個相位值，使得電機(jī)產(chǎn)生的扭矩最大，將這些點(diǎn)連接起來便可以得到一個曲線，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(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MTPA控制方法進(jìn)行了理論分析與描述，并且通過試驗(yàn)，對比和驗(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，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)計和驗(yàn)證的周期。

參考文獻(xiàn)

[1]Jung D S.Improving design of HEV traction motor for high power density[C].2011 IEEE 8th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia，Jeju，2011：2677-2680.

[2]Bazzi A M.Comparative evaluation of machines for electric and hybrid vehicles based on dynamic operation and loss minimization[C].Energy Conversion Congress and Exposition，Atlanta：IEEE，2010：3345-3351.

[3]Tariq A R.Design and analysis of PMSMs for HEVs based upon average driving cycle efficiency[C].2011 IEEE International on Electric Machines & Drives Conference，Niagara Falls，ON，2011：218-223.

[4]Zhang Q F.Permanent Magnetic Synchronous Motor and drives applied on a mid-size hybrid electric car[C].Vehicle Power and Propulsion Conference，Harbin：IEEE，2008：1-5.

[5]張源，于海生.基于dSPACE的異步電動機(jī)控制平臺研究[J].青島大學(xué)學(xué)報，2014，44（1）：1-3.

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