基于快速原型的永磁同步電機MTPA控制

曹艷玲

【摘要】本文對內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，在目標電機上實現MTPA控制和id=0控制，對兩種控制方法進行了對比分析，驗證了軟硬件系統的可行性。

【關鍵詞】永磁同步電機;MTPA;快速原型;模型在環仿真

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，對全球溫室效應的影響也是不容忽視的。電動汽車是汽車工業發展的重大新技術，從節能、環境友好和可持續發展來看，發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、調速范圍寬等優點，被廣泛應用于電動汽車的驅動系統中[1-4]。

永磁同步電機的控制理論已經相對成熟，但是因受限于算法的復雜性，并且控制算法需要不斷的測試驗證，因此，開發周期比較長。傳統的開發方法是通過DSP處理芯片和C代碼編程實現，不但需要編寫復雜的驅動程序同時還要編寫應用程序，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、高質量的開發不但可以縮短開發周期，同時也可以降低開發成本?？焖僭凸ぞ呤腔贛atlab/Simulink的控制系統開發及半實物仿真的軟硬件工作平臺，可實現與MATLAB/Simulink/RTW的完全無縫連接。

快速原型設備實時系統擁有實時性強，可靠性高，擴充性好等優點，其硬件系統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，用戶可以根據需要進行組合，軟件環境功能強大且使用方便，包括實現代碼自動生成/下載和試驗/調試的整套工具[5]。使用快速原型設備進行電機控制系統的開發還可以與模型在環仿真以及硬件在環仿真進行連接，有效的將開發過程串聯起來。

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備的永磁同步電機控制系統，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.最大轉矩電流比控制方法

內嵌式永磁同步電機（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的不對稱性，存在磁阻轉矩，充分利用磁阻轉矩可以有效提高轉矩密度，因而，最大扭矩電流比（maximum torque per ampere，MTPA）控制方法應運而生，該方法通過利用磁阻轉矩，使得電機以最小的電流獲得最大的扭矩，從而提高轉矩密度、減低銅耗，提高系統效率。對于內嵌式永磁同步電機，常見的控制方法主要有id=0控制和MTPA控制兩種，id=0控制實現較為簡單，但id=0控制總體效率、轉矩密度偏低，因此，MPTA控制方法得到了廣泛應用。

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軸數學模型。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坐標系下的等效電路如圖1所示。

圖1 d-q坐標系下的等效電路

則其電磁轉矩方程如下：

（1）

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

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

圖2 電流扭矩特性圖

對于Ld

當采用MTPA控制時，電動機的電流矢量應該滿足如下公式：

（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矩，在較小的電流下輸出較大的轉矩，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.系統設計

基于快速原型的永磁同步電機MTPA控制系統包括快速原型工具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連接框圖。

圖3 電機控制系統連接框圖

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

3.1 快速原型工具

快速原型工具可以實現在硬件沒有設計完成時的并行開發，從而節約控制策略的開發時間，方便快捷。本文采用的快速原型工具是德國dSPACE公司的AutoBox產品。其具有強大的硬件庫支持，涵蓋了電機控制當中所有的硬件模塊，該工具能夠實時、準確、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控制策略架構設計

MTPA控制策略架構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控制策略架構框圖如圖4所示，首先根據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調節，得到dq軸電壓指令，最后通過SVPWM調制模塊輸出三相占空比，用于控制IGBT開關管，控制其通斷，從而控制電機的三相電流。

圖4 MTPA控制策略架構框圖

圖5 電流扭矩特性

4.實驗結果

被測電機參數如下：轉速0-12000rpm，峰值功率40kW，最大力矩280N·m，極對數為4。試驗臺架主要由測功機系統、被測電機、高壓可調電源、功率分析儀、循環冷卻水系統和安全保護系統六部分組成。

通過試驗標定可以得到不同電流幅值下，隨著電流相角增加，轉矩與電流的關系曲線，如圖5所示。這種方法克服了電機參數變化的影響，得到的結果更加準確可靠。

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控制所產生的扭矩比采用id=0控制所產生的扭矩要大，反之要產生相同的需求扭矩，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，充分利用電機轉子磁路的不對稱性所產生的磁阻扭矩，在相同的電流下可以產生更大的扭矩，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，接口配置靈活，開發速度快，可以大大縮短設計和驗證的周期。

參考文獻

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[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的異步電動機控制平臺研究[J].青島大學學報，2014，44（1）：1-3.

[6]唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].北京：機械工業出版社，1997.