基于快速原型的永磁同步电机MTPA控制

曹艳玲

【摘要】本文对内嵌式永磁同步电机的最大扭矩电流比（MTPA）控制方法进行理论和仿真分析，利用Matlab/Simulink建立了电机矢量控制系统的仿真模型，并进行仿真验证。通过快速原型工具建立了控制模型，并搭建硬件控制系统，在目标电机上实现MTPA控制和id=0控制，对两种控制方法进行了对比分析，验证了软硬件系统的可行性。

【关键词】永磁同步电机;MTPA;快速原型;模型在环仿真

1.引言

2013年我国拥有2.4亿辆的机动车总量，1.2亿辆的汽车保有量，每年汽车产销量的平均增速都在10%以上，伴随着汽车销量每年的快速增长，雾霾天气也“经久不散”，汽车尾气排放成为了形成雾霾天气的重要原因。同时，因汽车尾气中二氧化碳排放量巨大，对全球温室效应的影响也是不容忽视的。电动汽车是汽车工业发展的重大新技术，从节能、环境友好和可持续发展来看，发展电动汽车对于我国尤为重要。永磁同步电机因具有低速大扭矩、高速恒功率、调速范围宽等优点，被广泛应用于电动汽车的驱动系统中[1-4]。

永磁同步电机的控制理论已经相对成熟，但是因受限于算法的复杂性，并且控制算法需要不断的测试验证，因此，开发周期比较长。传统的开发方法是通过DSP处理芯片和C代码编程实现，不但需要编写复杂的驱动程序同时还要编写应用程序，而且C语言不是图形化语言，对于程序的继承性很差。高效率、高质量的开发不但可以缩短开发周期，同时也可以降低开发成本。快速原型工具是基于Matlab/Simulink的控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作平台，可实现与MATLAB/Simulink/RTW的完全无缝连接。

快速原型设备实时系统拥有实时性强，可靠性高，扩充性好等优点，其硬件系统中的处理器具有高速的计算能力，并配备了丰富的I/O支持，用户可以根据需要进行组合，软件环境功能强大且使用方便，包括实现代码自动生成/下载和试验/调试的整套工具[5]。使用快速原型设备进行电机控制系统的开发还可以与模型在环仿真以及硬件在环仿真进行连接，有效的将开发过程串联起来。

本文对永磁同步电机控制原理及方法进行了理论分析和仿真验证，搭建了基于快速原型设备的永磁同步电机控制系统，利用Matlab/Simulink建模，使用图形语言编程，通过快速原型工具Autobox实现了MTPA控制和id=0控制，并进行了两种控制方法的分析与对比。

2.最大转矩电流比控制方法

内嵌式永磁同步电机（interior perman-ent magnet synchronous motor，IPMSM）又称凸极永磁同步电机，由于其直轴和交轴电感参数的不对称性，存在磁阻转矩，充分利用磁阻转矩可以有效提高转矩密度，因而，最大扭矩电流比（maximum torque per ampere，MTPA）控制方法应运而生，该方法通过利用磁阻转矩，使得电机以最小的电流获得最大的扭矩，从而提高转矩密度、减低铜耗，提高系统效率。对于内嵌式永磁同步电机，常见的控制方法主要有id=0控制和MTPA控制两种，id=0控制实现较为简单，但id=0控制总体效率、转矩密度偏低，因此，MPTA控制方法得到了广泛应用。

分析正弦波电流控制下的永磁同步电机时，最常用的方法是d-q轴数学模型。如果忽略相绕组的漏电感，电机铁心的饱和、电机的涡流和磁滞损耗，电机的电流为对称的三相正弦电流，对于正弦波电流的三相永磁同步电机[6]，d-q坐标系下的等效电路如图1所示。

图1 d-q坐标系下的等效电路

则其电磁转矩方程如下：

（1）

式中Tem为转矩;id、iq为d-q轴电流;Ld和Lq为d-q轴电感;p 为电机转子极对数;ym为永磁体磁链。

转矩由两部分组成，第一部分是定转子相互作用产生的扭矩，即永磁扭矩;第二部分是由于转子磁路不对称所产生的扭矩，即磁阻扭矩。根据电磁转矩公式，将其用标么值表示有 Tem*=iq*（1-id*），式中电流的基值为ib=Ψf/（Lq-Ld），转矩的基值为Tb=pΨf ib。在d-q轴平面上画出恒转矩曲线如图2所示。

图2 电流扭矩特性图

对于Ld

当采用MTPA控制时，电动机的电流矢量应该满足如下公式：

（2）

（3）

可得：

（4）

式（4）表示的即为MTPA的控制轨迹。

采用MTPA控制方法可以使得电机在基速段以下充分合理的利用凸极永磁同步电机的磁阻转矩，在较小的电流下输出较大的转矩，从而提高电机的力矩输出，降低电机的铜耗，提高电机的效率。

3.系统设计

基于快速原型的永磁同步电机MTPA控制系统包括快速原型工具AutoBox、电机逆变器、被测电机和测功机台架四部分，图3为基于AutoBox底层硬件的电机控制系统连接框图。

图3 电机控制系统连接框图

首先将控制策略模型一键生成代码导入到AutoBox中，然后，AutoBox依照控制模型产生需要的6路PWM波形供给逆变器，逆变器产生三相交流电压供给被测电机。测功机是一个稳速的装置，工作在转速模式。

3.1 快速原型工具

快速原型工具可以实现在硬件没有设计完成时的并行开发，从而节约控制策略的开发时间，方便快捷。本文采用的快速原型工具是德国dSPACE公司的AutoBox产品。其具有强大的硬件库支持，涵盖了电机控制当中所有的硬件模块，该工具能够实时、准确、快速、同步采集电机三相电流、旋变的位置及温度信号，能够在PWM信号载波的起点处进行信号的连续AD采集，可以进行多次平均。另外，该工具基于MATLAB/Simulink软件进行模块化建模，可一键编译并下载模型，且能够方便地进行模型修改设计，可以快速验证不同的控制算法和策略。

3.2 MTPA控制策略架构设计

MTPA控制策略架构主要包括电流与位置信号采集、CLARK和PARK变换、电流参考查表、电流PI和SVPWM五部分组成。MTPA控制策略架构框图如图4所示，首先根据给定的电流矢量幅值和相位计算出dq轴电流指令，然后与反馈的实际dq轴电流进行PI调节，得到dq轴电压指令，最后通过SVPWM调制模块输出三相占空比，用于控制IGBT开关管，控制其通断，从而控制电机的三相电流。

图4 MTPA控制策略架构框图

图5 电流扭矩特性

4.实验结果

被测电机参数如下：转速0-12000rpm，峰值功率40kW，最大力矩280N·m，极对数为4。试验台架主要由测功机系统、被测电机、高压可调电源、功率分析仪、循环冷却水系统和安全保护系统六部分组成。

通过试验标定可以得到不同电流幅值下，随着电流相角增加，转矩与电流的关系曲线，如图5所示。这种方法克服了电机参数变化的影响，得到的结果更加准确可靠。

由图5可以看出，同一电流幅值在不同的电流角的情况下产生力矩不同，每个电流幅值下都存在一个相位值，使得电机产生的扭矩最大，将这些点连接起来便可以得到一个曲线，该曲线便为电机的MTPA曲线。

图6为id=0控制与MTPA控制的对比，从图6可以看出，在一定的电流幅值下，采用MTPA控制所产生的扭矩比采用id=0控制所产生的扭矩要大，反之要产生相同的需求扭矩，MTPA控制所需要的电流幅值要小。

图6 id=0控制与MTPA控制的对比

因此，采用MTPA控制可以减小电流幅值，因而可以降低电机的铜损耗，提高电机的效率，而且输出扭矩越大，降低的损耗越大。

5.结论

本文对MTPA控制方法进行了理论分析与描述，并且通过试验，对比和验证了MTPA控制方法与id=0控制方法的效率。采用MTPA控制方法，充分利用电机转子磁路的不对称性所产生的磁阻扭矩，在相同的电流下可以产生更大的扭矩，因此可以降低电机的铜损耗，提高电机的效率。同时，试验表明，使用快速原型进行电机控制策略的开发，接口配置灵活，开发速度快，可以大大缩短设计和验证的周期。

参考文献

[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]张源，于海生.基于dSPACE的异步电动机控制平台研究[J].青岛大学学报，2014，44（1）：1-3.

[6]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1997.