電動汽車六相永磁同步電機的控制策略研究

曾華娟

摘 要：空間矢量解耦模型的基礎上，實現電機的完全解耦控制。依據Simulink中的電機控制模型，比較了和最大扭矩電流比（MTPA）這兩種控制策略的進行仿真對比分析。的控制方法雖然簡單易行，但是電機運行期間熱損失較大，而且無法充分利用磁阻扭矩，電機效率低下。MTPA控制下的電機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，是控制凸極電機的首選方法。

關鍵詞：六相永磁同步電機 空間矢量解耦 磁阻扭矩 最大扭矩電流比

1 引言

六相永磁同步電機具有扭矩輸出能力高、轉矩脈動小、效率高、可靠性高等優點，但因其價格較高，結構和控制系統復雜，還未得到大范圍的推廣。因此本文對六相永磁同步電機控制策略進行研究，為六相永磁同步電機在電動汽車領域的推廣和應用有很大的意義。

2 矢量空間解耦（VSD）下的電機模型

矢量空間解耦（VSD）下的電機模型方法是將兩個三相繞組視為一個整體，然后將電機的各個變量根據不同的諧波頻率映射到不同的坐標系中。這種建模方法稱為矢量空間解耦[1]。

電機電磁扭矩公式如下所示

為了建立電機的數學模型，還必須考慮扭矩平衡，扭矩平衡方程

這里表示電機的轉動慣量，表示電機負載扭矩，表示電機的機械角速度，P表示電機極數。

VSD電機模型是將六相永磁同步電機視為一個整體，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，使得電機扭矩輸出和磁場控制完全解耦。這種解耦特性使得VSD變換成為實現六相永磁同步電機電機控制器的設計和對諧波電流補償的首選方案[2]。利用Matlab/Simulink建立六相永磁同步電機模型[3]，如圖1所示。

3 六相永磁同步電機id=0的控制策略

永磁同步電機的磁場定向中，忽略磁阻效應，即控制是電機控制中最簡單的一種控制方法[4]。永磁同步電機相當于一個他勵直流電機，發動機定子電流只有q軸分量，沒有對軸弱磁分量。電機的定子磁鏈矢量和永磁磁鏈矢量在空間上相互正交。

根據公式1-1，發動機的電磁轉矩與q軸電流成正比，即

為了保持電機的轉速，必須控制發動機產生的瞬時扭矩。在的情況下，電機扭矩只與q軸的電流相關，因此可以通過轉速環直接獲得相應的q軸電流。相應的在Simulink中建立了電機控制流程圖１如下所示。

Simulink中電機在額定轉速和額定負載下進行仿真，電機參數設置如表1所示。

在的控制下，轉速n， d-q軸電流和以及扭矩的模擬結果如圖4所示

如圖3a 所示，在第一階段啟動時電機處于加速階段，轉速持續上升，此時電機扭矩輸出最大，（圖3c）。q軸上的電流值也達到電機所允許的最大電流值，（圖3b）第二階段，當電機轉速達到給定速度時，速度保持在3000/min，此時=0A，=236A，=236A。通過比較圖3b中的和圖3c中的電磁轉矩的曲線，直觀地表現了電機電磁轉矩與成正比的關系。這里使用的永磁同步電機參數，即電機有磁阻效應。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的控制不是內置式永磁同步電機（）的最佳控制策略。

4 最大電流扭矩比（MTPA）六相永磁同步電機的控制策略

當電機轉速較低時，電機功率的損失主要集中在定子的銅損上。銅損耗通常與電機電流的平方成正比，逆變器的開關損耗和渦流損耗也隨著電流的增大而增大。因此，為了提高電機效率，在給定扭矩下，電流應盡可能小[5]。根據電機電磁扭矩公式1-1與借助拉格朗日乘子，則得到函數公式

其中p代指電機的極對數，作為拉格朗日乘子。

對電流和求偏導，

由上述兩個公式，則得到和之間的關系，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系如下

根據扭矩直接求出最優的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

電機在參數表1下使用MTPA控制理論也進行相應的仿真模擬，如圖6所示。

與的控制策略類似，電機首先加速到指定的速度n=3000/min，然后電機保持這個轉速穩定運行。在電機穩定運行時，，，總電流。在控制下，總電流。對比發現，MTPA控制下的電流值流較小。同時在加速過程中，MTPA的最大電磁轉矩可達到758 Nm，這與控制時的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。

在電機控制中，控制是一種最簡單的控制方法。該方法將永磁交流電機等效成一個他勵直流電機，電機控制算法簡單不存在弱磁控制環節，易于實現。但是其主要缺點是無法有效利用電機的磁阻扭矩，導致相同的扭矩輸出下電流值較大，相應的熱損失升高，電機的整體效率降低。但對于隱極式永磁同步電機，其，不存在磁阻效應，此時的控制與MTPA控制方法效果相同。

與相比，凸極永磁同步電機（）在MTPA控制下，可以在相同的扭矩輸出下實現最小的相電流。較小的電流值能夠有效減少電機的銅損和逆變器功率開關器件的開關和導通損耗，熱損失也相對較小，提高了電機的整體效率。這些特性使MTPA成為控制凸極電機的首選方法。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，對于具有磁阻效應的永磁同步電機，MTPA是一種更具優勢的控制方法。

參考文獻：

[1]李文爽.雙三相電機變頻驅動系統共模電壓抑制策略研究[D].哈爾濱工業大學，2018.06.

[2]趙一凡.李波.結構不平衡多相感應電機的建模與控制[J]. 能量轉換交易，1996.

[3]李風輝.電動汽車用多相容錯永磁同步電機的研究[D].沈陽工業大學，2017.05.

[4]徐宏達.雙三相永磁同步電機控制策略研究[D].哈爾濱工業大學，2017.06.

[5]趙博. 基于弱磁控制的純電動車用PMSM調速系統研究[J].長安大學， 2020.04.