趙崇付，司金冬，龔立嬌

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子832000）

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械化是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要一環(huán)，目前我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械整體還是以燃油動(dòng)力農(nóng)機(jī)為主。然而燃油動(dòng)力農(nóng)機(jī)產(chǎn)生的尾氣會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，且尾氣中含有的氮氧化物會(huì)給農(nóng)作物生長(zhǎng)帶來(lái)危害，降低農(nóng)作物產(chǎn)量[1-2]。因此，為完成國(guó)家“十四五”規(guī)劃“加快推動(dòng)綠色低碳發(fā)展”這一重點(diǎn)任務(wù)，研發(fā)綠色動(dòng)力農(nóng)機(jī)意義重大。

拖拉機(jī)作為最主要的農(nóng)業(yè)動(dòng)力機(jī)械，其技術(shù)發(fā)展水平在很大程度上可以體現(xiàn)出一個(gè)國(guó)家的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度[3]。電動(dòng)拖拉機(jī)作為一款新型農(nóng)機(jī)，因具有低噪音、零排放、高效率、操作方便、適合大棚作業(yè)等諸多優(yōu)點(diǎn)[4]，可廣泛應(yīng)用于多種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

1 電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)模型建立

永磁同步電機(jī)相比于其他類型電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，如啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、體積小、噪音低、效率高、調(diào)速范圍寬、過(guò)載能力強(qiáng)等[5]，適合作為電動(dòng)拖拉機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。對(duì)于永磁同步電機(jī)的主要控制策略可分為直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制，由于矢量控制在電機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，低速控制性能較好，而直接轉(zhuǎn)矩控制在低速時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大[6]，所以電動(dòng)拖拉機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)采用矢量控制更適合。

1.1 永磁同步電機(jī)矢量控制原理

矢量控制技術(shù)最開(kāi)始應(yīng)用于感應(yīng)電機(jī)，其基本思想是將直流電動(dòng)機(jī)控制方法應(yīng)用于三相交流電動(dòng)機(jī)，在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成相互垂直，彼此獨(dú)立的勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，使控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型變得簡(jiǎn)單，便于計(jì)算[7]。PMSM矢量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1 PMSM矢量控制框圖

1.2 MTPA控制策略的實(shí)現(xiàn)

為使電動(dòng)拖拉機(jī)工作過(guò)程中的控制效果更好，本文采用矢量控制中的最大轉(zhuǎn)矩電流比（MTPA）控制策略對(duì)PMSM進(jìn)行控制。要實(shí)現(xiàn)MTPA控制，首先需要求解最大轉(zhuǎn)矩電流比軌跡上的id、iq的解析值，將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解如下極值問(wèn)題[8-9]：

對(duì)任一給定轉(zhuǎn)矩Te，都可以根據(jù)式（6）和式（7）求得對(duì)應(yīng)的最小電流id、iq分量，把此值作為電流環(huán)控制的指令值，便可實(shí)現(xiàn)PMSM的最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。式（6）和（7）均為一元四次方程，直接計(jì)算較為復(fù)雜，工程實(shí)現(xiàn)困難，本文采用查表法，通過(guò)提前制作轉(zhuǎn)矩電流對(duì)應(yīng)的表格供處理器查詢來(lái)實(shí)現(xiàn)MTPA控制策略。

查表法具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：借助MATLAB中的ezploy函數(shù)畫出id、iq與Te的關(guān)系曲線，之后提取曲線中的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)關(guān)系并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再將處理后數(shù)據(jù)導(dǎo)入1-D Lookup Table模塊中，從而得到MTPA控制的查找表。將表1電機(jī)參數(shù)代入式（6）和式（7），并將下列語(yǔ)句輸入在MATLAB命令行窗口。

h=ezplot('0.0001.*iq.^4+8.*Te.*0.276/12.*iq-16.*Te.^2/144=0'，[-100，100]);

將處理后數(shù)據(jù)制成一維查找表，如圖2。

圖2 MTPA控制原理實(shí)現(xiàn)圖

如圖3，在Simulink中將上述模塊整合在一起就得到基于MTPA控制的PMSM矢量控制系統(tǒng)仿真模型。

圖3 基于MTPA控制的PMSM矢量控制系統(tǒng)仿真模型

2 基于MTPA控制策略的控制系統(tǒng)仿真分析

為探究MTPA控制策略的優(yōu)越性，與傳統(tǒng)矢量控制方法id=0進(jìn)行了對(duì)比。在同等的條件下進(jìn)行仿真，設(shè)置仿真時(shí)間為0.5 s，SVPWM采樣周期Ts設(shè)置為0.00005s，轉(zhuǎn)速指令和負(fù)載變化如圖4。

基于id=0和MTPA控制策略的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及dq軸電流仿真波形如圖5、圖6。

由圖5可以看出兩種控制策略均能按給定條件實(shí)現(xiàn)速度的快速跟隨且均沒(méi)有穩(wěn)態(tài)誤差，由截取的波形圖可以看出基于MTPA控制策略的控制系統(tǒng)的電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。

圖4 轉(zhuǎn)速指令和負(fù)載變化

圖5 MTPA與id=0控制速度波形

圖6 MTPA與id=0控制轉(zhuǎn)矩波形

圖7 MTPA與id=0控制交、直軸電流波形

由圖6可看出在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中采用MTPA控制策略的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩比id=0控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，并且在速度變化時(shí)MTPA控制策略的輸出轉(zhuǎn)矩也更大。由此可知，MTPA控制更適合對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩要求高的場(chǎng)合。

由圖7可知，id=0控制在仿真過(guò)程中，直軸電流id只在速度和負(fù)載指令突變時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)，在穩(wěn)態(tài)階段保持為0，交軸電流始終大于MTPA控制的交軸電流，并且MTPA控制的直軸電流id始終為負(fù)值，起到了弱磁作用，使磁阻轉(zhuǎn)矩為正，增大電機(jī)輸出電機(jī)轉(zhuǎn)矩。MTPA控制策略合成電流要小于id=0控制的合成電流，所以在同樣的電流限制條件下MTPA控制輸出轉(zhuǎn)矩更大，MTPA控制策略的效率更高。

3 控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

電動(dòng)拖拉機(jī)除了要進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)，還要完成田間作業(yè)如犁耕、旋耕、開(kāi)溝、除草、鋪膜、播種等[3，11]。拖拉機(jī)在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中受到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與作業(yè)時(shí)路面坡度、田間土壤阻力變化、耕種，開(kāi)溝作業(yè)的寬度和深度等多種因素有關(guān)，所以電動(dòng)拖拉機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)具有作業(yè)負(fù)荷能力強(qiáng)，輸出轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)。

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可以進(jìn)行不同田間作業(yè)，進(jìn)行了如下仿真分析。電機(jī)功率選用10 kW，可應(yīng)用于小型電動(dòng)拖拉機(jī)的PMSM。為了有效利用MTPA控制，選用內(nèi)置式PMSM，其為凸極機(jī)，存在磁阻轉(zhuǎn)矩，PMSM參數(shù)如表1。

表1 電機(jī)參數(shù)

對(duì)電機(jī)加不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩，觀察轉(zhuǎn)速是否可以快速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。設(shè)置電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為5 N·m，每0.2 s增加10 N·m負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速設(shè)置為恒定轉(zhuǎn)速1 000 r/mim，總仿真時(shí)間設(shè)置為1 s，仿真結(jié)果如圖8。

圖8 負(fù)載轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)速的影響

仿真表明：本文設(shè)計(jì)的基于MTPA控制的電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩符合動(dòng)力性能的需求。由仿真圖可以看出負(fù)載變化時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以在很短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，可以滿足多種不同負(fù)載要求的作業(yè)，并且可以滿足負(fù)載不斷波動(dòng)的作業(yè)要求。

4 總結(jié)

相比于id=0矢量控制策略，電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)采用MTPA控制策略更合適，其電流分配更合理，充分利用了內(nèi)置式永磁電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩，動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果更好，在轉(zhuǎn)矩相同條件下，輸出電流更小，可以減小電機(jī)損耗，提高系統(tǒng)的效率。仿真實(shí)驗(yàn)證明了在各類對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出能力有要求的工程應(yīng)用場(chǎng)合中，MTPA控制比id=0控制有著更大的應(yīng)用價(jià)值，本文所設(shè)計(jì)的基于10 kW小型電動(dòng)拖拉機(jī)的控制系統(tǒng)可以完成實(shí)際應(yīng)用中多種類型作業(yè)。