CN105978434B - 一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法及控制系统，该方法包括：基于Ansoft软件建立永磁同步电机的模型，对模型的各参数进行赋值；对模型进行求解，得到电磁场的各物理量；对模型的合理性进行验证，分析永磁同步电机的磁路结构是否合理；对参数变化瞬态进行仿真，得到输出转矩的波形图。该系统包括：电机模型建立单元、模型求解单元、模型合理性验证单元以及输出转矩波形仿真单元。本发明的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法及控制系统，能够实现永磁同步电机输入电流与输出转矩的快速分析，无需进行复杂运算，便于工程应用。
Description
技术领域
本发明涉及电机矢量控制技术领域，特别涉及一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法及控制系统。
背景技术
传统汽车尾气的大量排放迫使人们追求更加清洁的能源，电动汽车以其清洁环保的特点，受到世界各国的关注。但电动汽车独有的运行方式，要求电动汽车发动机的转矩必须具有良好的平稳性，如果转矩的波动较大就会在实际的驾驶过程之中发生抖动，影响驾驶的体验，也不利于电机的稳定运行。
永磁同步电机的调速系统是保证电机良好运行的重要方面，与永磁同步电机转矩密切相关，在永磁同步电机调速系统中，电机定子电流是一个矢量，其幅值决定电流矢量的大小，相位决定电流矢量的方向，而调速控制中，主要是对电机定子电流的幅值和相位进行控制，也就是所谓的矢量控制。由永磁同步电机的数学模型可知，在d、q轴旋转坐标系下，永磁同步电机的电磁转矩可以表示为
式中：P为极对数，ψf为永磁体磁链，id、id为d、q轴电流，Ld、Lq为d、q轴等效电感。从式(1)可以看出，在PMSM的模型参数如交直轴电感和永磁磁链已知的基础上，控制id、iq便可以控制电机的转矩，而id、iq又是由定子电流的空间矢量is的幅值和相位决定的，即
其中Is为定子电流幅值，γ为定子磁链与永磁体产生的气隙磁场间的空间电角度。
一般来说，电机应用的场合不同，所要求的控制精度和系统性能也会有较大差异，这时就应根据各种不同的电流矢量控制方式的特点，选择合适的方法，最大转矩电流比(MTPA)控制是常见的矢量控制方法。对于内置式永磁同步电机，由于其转子磁路结构不对称性，使得交直轴电感不相等，且一般来说Ld<Lq。由式(1)可知，如果合理的控制id的大小便可利用磁阻转矩提高电机的功率密度以及过载能力。为此，常采用的一种控制方法就是最大转矩/电流控制，即以最小的定子电流，产生最大的输出转矩。
要实现最大转矩电流比控制，电机的电流矢量应满足
在实际控制中，一般将各矢量标幺化，所以将上式进行标幺化，并代入恒转矩公式表达式的标幺化结果可以得到电磁转矩用d、q轴电流分量的标幺值表示为
反过来，此时用电磁转矩的函数式和可以表示出定子电流分量和根据函数式和在转矩给定已知的情况下，可以求出最小的交直轴电流，以此结果作为电流给定，即可实现电动机的MTPA控制，这种控制方式具有减小电机损耗，提高系统工作效率等优点，但由于计算公式复杂而不便于工程应用。所以，如何实现有效可行且各项性能较好的最大转矩电流比控制方式，是目前研究的热点。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法及控制系统，能够实现永磁同步电机输入电流与输出转矩的快速分析，无需进行复杂运算，便于工程应用。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其包括以下步骤：
S11：基于Ansoft软件建立永磁同步电机的模型，对所述模型的各参数进行赋值；
S12：对模型进行求解，得到电磁场的各物理量；
S13：对模型的合理性进行验证，分析所述永磁同步电机的磁路结构是否合理；
S14：对参数变化瞬态进行仿真，得到输出转矩的波形图。
较佳地，所述步骤S11具体包括以下步骤：
S111：建立永磁同步电机的几何物理模型；
S112：将所述永磁同步电机的各元件的特性参数赋值给所述模型；
S113：确定所述模型求解的边界条件；
S114：设置所述模型的网格剖分参数；
S115：设置所述模型的所述永磁同步电机的运动参数。
较佳地，所述步骤S12具体为：对模型进行求解，得到电磁场的电场强度和磁场强度。
较佳地，所述步骤S13具体为：观察空载时所述永磁同步电机的磁力线分布图和磁密分布图，分析所述永磁同步电机的磁路结构，检查所述永磁同步电机的分布是否合理；能够避免设计失误，验证了电机设计的合理性，为后续的参数变化瞬态仿真模块的正确性提供了保障。
较佳地，所述步骤S14具体为：通过线性的改变输入电流的幅值观察不同输入电流激励下输出转矩的波形图。
较佳地，所述步骤S13和步骤S14之间还包括：
S15：对额定转矩进行分析，得到额定负载时所述永磁同步电机的转矩曲线。转矩对于车用永磁同步电机的正常运行具有十分重大的意义，如果转矩的波动较大就会在实际的驾驶过程中发生抖动，通过额定转矩分析验证了永磁同步电机运行时的平稳性，为电动汽车的运动优化奠定了基础，具有一定的应用价值。
本发明还提供一种永磁电机最大转矩电流比控制系统，其依次包括：
电机模型建立单元，用于基于Ansoft软件建立永磁同步电机的模型，对所述模型的各参数进行赋值；
模型求解单元，用于对模型进行求解，得到电磁场的各物理量；
模型合理性验证单元，用于对模型的合理性进行验证，分析所述永磁同步电机的磁路结构是否合理；
输出转矩波形仿真单元，用于对参数变化瞬态进行仿真，得到输出转矩的波形图。
较佳地，所述电机模型建立单元包括：
模型建立单元，用于建立永磁同步电机的几何物理模型；
特性赋值单元，用于将所述永磁同步电机中的各元件的特性参数赋值给所述模型；
边界条件确定单元，用于确定所述模型求解的边界条件；
网格剖分参数设置单元，用于设置所述模型的网格剖分参数；
运动参数设置单元，用于设置所述模型的所述永磁同步电机的运动参数。
较佳地，还包括：额定转矩分析单元，其设置于所述模型求解单元和模型合理性验证单元之间，用于对额定转矩进行分析，得到额定负载时所述永磁同步电机的转矩曲线。
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法及控制系统，基于Ansoft软件的参数变化瞬态仿真模块，选取输入电流为变量，分析不同幅值的电流作用下的永磁同步电机输出转矩波形图，能够实现永磁同步电机输入电流与输出转矩关系的快速分析，无需进行复杂计算，便于工程应用，具有可行性；
(2)本发明利用曲线拟合的方法得出了永磁同步电机的输出转矩与输入电流的关系曲线图以及其函数表达式，更加直观，具有一定的工程使用价值；
(3)本发明还对额定负载时永磁同步电机的输出转矩进行了分析，验证了永磁同步电机运行时的平稳性，为电动汽车的运动优化奠定了基础，具有一定的应用价值。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为本发明的一实施例的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法流程图；
图2为本发明的一实施例的永磁同步电机模型的建立步骤图；
图3为本发明的一实施例的不同输入电流下永磁同步电机的输出转矩曲线图；
图4为本发明的一实施例的输出转矩与输入电流的拟合曲线图；
图5为本发明的一实施例的额定负载时永磁同步电机的输出转矩波形图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
结合图1-图5，本实施例对本发明的永磁同步电机最大转矩电流比控制方法进行详细描述，其流程图如图1所示，包括以下步骤：
S11：基于Ansoft软件建立永磁同步电机(PMSM)的模型，对模型的各参数进行赋值；
S12：对模型进行求解，得到电磁场的各物理量；
S13：对模型的合理性进行验证，分析PMSN磁路结构是否合理；
S14：对参数变化瞬态进行仿真，得到输出转矩的波形图。
其中，步骤S11具体包括以下步骤：
S111：建立永磁同步电机的几何物理模型；
S112：将永磁同步电机中的各元件的特性参数赋值给模型；
S113：确定模型求解的边界条件，可以设置主/从边界，充分利用电机周期性的特点；
S114：设置模型的网格剖分参数；
S115：设置模型的永磁同步电机的运动参数，将电机转速设置为3000rpm。
其步骤图如图2所示，根据永磁同步电机的设计尺寸进行二维几何建模，完成绕组归并以及特性的设定，电机磁场作为非线性恒定磁场处理，建立了PMSM二维有限元模型。由于电磁存在对称性，为节省仿真计算时间，并减少有限元个数，只需对PMSM的1/8区域进行有限元分析，在此基础上，对所绘制的几何模型进行边界条件的设定并进行网格剖分，网格剖分的好坏将直接关系到计算结果的准确性。Ansoft软件采用自适应网格剖分方法，通过反复迭代自动修正网格大小，最终形成合理的网格划分。
本实施例以某电动汽车用的额定功率为7.5kW的PMSM作为仿真对象，电机基本参数如表1所示。
表1
| 功率 | 7.5kW | 极对数 | 8 |
| 定子内径 | 162mm | 定子外径 | 269mm |
| 转子内径 | 110mm | 转子外径 | 160mm |
| 定子槽数 | 48 | 永磁体个数 | 16 |
步骤S12具体为：网格剖分后，就需要对PMSM进行电磁计算。由电磁场理论可知，对电磁场进行分析就是对Maxwell方程组进行求解，Maxwell方程组的微分方程形式可表示为：
式中：B为磁感应强度；H为磁场强度；J为电流密度；E为电场强度；D为电通密度；ρ为电荷密度。
在静态场中，电场和磁场不会随时间发生变化，即有可将式(7)重新写为
为了使待求解问题得到一定的简化，从而方便数值求解，一般需要定义两个量：矢量磁位A和标量电位φ，来将电场变量和磁场变量分开。A和φ可由下列方程表示：
式中：A′是电场中定义的一个矢量函数；Φ为磁通量。在恒定磁场中，φ＝0，在静电场中，A′＝0，则式(9)可简化为：
A和φ自动满足Maxwell方程组中的电磁感应定律和磁通连续定律，然后根据全电流定律和高斯定律，可分别得到下列磁场和电场方程：
式中：μ和ε分别为介质的磁导率和介电常数；D＝εE，B＝εH
对式(11)进行数值求解即可得出A和φ，再将其代入(10)可求出B和E，进而得到电磁场的各物理量。
步骤S13具体为：在完成网格剖分后，通过对各节点进行有限元计算，得到各求解区域的近似解并形成求解区域内的磁场分布，最终经过Ansoft软件强大的后处理功能输出PMSM空载磁力线分布图和磁密分布图，PMSM在空载的情况下，定子三相绕组中因为没有通入三相电流所以定子不产生磁场，空载的磁场完全是由转子的永磁磁极所产生的，分析空载磁场也就是分析转子永磁磁极与定转子磁路相互作用的磁场，硅钢片靠近永磁体附近高度饱和，这些饱和是由永磁体造成的。通过电磁分析验证了该电机设计的合理性，为接下来的参数变化瞬态仿真模块的正确性提供了保障。
步骤S14具体为：在该电机模型中，通入定子电流为幅值相等，相位互差120度的三相交流电。在参数库中设置电流幅值为Imax，便于进一步将其作为变量进而生成参数变化瞬态仿真模块，该模块通过线性的改变电流的幅值可以观察不同电流激励下输出转矩的波形图，得出电机输出转矩与所加电流幅值的关系。具体步骤如下：在Ansoft中建立一个参数变化瞬态仿真，设置通入电流从10A到500A，间隔10A。该参数变化瞬态仿真模块可以在无需重新设置参数的情况下分析不同激励下电机转矩的波动曲线，效率高，可实现性好，得出一系列转矩波形图，如图3所示。
在实际的车用永磁同步电机中，对于一定的输出转矩，总有固定的电流值与之相对应，若求出输出转矩与电流幅值的函数表达式，则可以根据实际运行中需要的转矩值选取恰当的电流幅值进行电机的设计。为此，本发明利用曲线拟合的方法，得出了PMSM输出转矩与输入电流幅值的关系曲线图，如图4所示，从图中很容易看出，转矩与电流幅值大小呈非线性关系，曲线拟合法得出转矩与电流的函数表达式为T＝p1I2+p2I+p3。
较佳实施例中，步骤S13和S14之间还包括：
S15：对额定转矩进行分析，得到额定负载时PMSM的转矩曲线。转矩对于电动汽车PMSM的正常运行具有十分重大的意义。如果转矩的波动较大就会在实际的驾驶过程之中发生抖动，影响驾驶的体验。PMSM额定负载时的转矩曲线如图5所示，从图5中可以看到：最低点接近157N.m，最高的点接近188N.m，转矩均值约为173N.m，转矩的波动不超过10％，在可控的范围之内，能够保持PMSM运行时的平稳性，验证了电机运行满足平稳性要求。最后通过设置不同电流激励，观察电机输出转矩的变化，为该电动汽车PMSM的运行优化奠定了基础，具有一定的应用价值。
实施例2：
本实施例详细描述本发明的永磁同步电机最大转矩电流比控制系统，其是用于实现上述实施例的控制方法，其依次包括：电机模型建立单元，用于基于Ansoft软件建立PMSM模型，对模型的各参数进行赋值；模型求解单元，用于对模型进行求解，得到电磁场的各物理量；模型合理性验证单元，用于对模型的合理性进行验证，分析PMSM的磁路结构是否合理；输出转矩波形仿真单元，用于对参数变化瞬态进行仿真，得到输出转矩的波形图。
本实施例中，电机模型建立单元包括：模型建立单元，用于建立PMSM的几何物理模型；特性赋值单元，用于将PMSM中的各元件的特性参数赋值给模型；边界条件确定单元，用于确定模型求解的边界条件；网格剖分参数设置单元，用于设置模型的网格剖分参数；运动参数设置单元，用于设置模型的PMSM的运动参数。
较佳实施例中，模型求解单元和模型合理性验证单元之间还包括：额定转矩分析单元，用于对额定转矩进行分析，得到额定负载时PMSM转矩曲线。此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。
Claims (9)
1.一种永磁同步电机最大转矩电流比控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S11：基于Ansoft软件建立永磁同步电机的模型，对所述模型的各参数进行赋值；
S12：对模型进行求解，得到电磁场的各物理量；
S13：对模型的合理性进行验证，分析所述永磁同步电机的磁路结构是否合理；
S14：对参数变化瞬态进行仿真，曲线拟合得到输出转矩与输入电流幅值的关系曲线和函数表达式。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S11具体包括以下步骤：
S111：建立永磁同步电机的几何物理模型；
S112：将所述永磁同步电机的各元件的特性参数赋值给所述模型；
S113：确定所述模型求解的边界条件；
S114：设置所述模型的网格剖分参数；
S115：设置所述模型的所述永磁同步电机的运动参数。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S12具体为：对模型进行求解，得到电磁场的电场强度和磁场强度。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S13具体为：观察空载时所述永磁同步电机的磁力线分布图和磁密分布图，分析所述永磁同步电机的磁路结构，检查所述永磁同步电机的分布是否合理。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S14具体为：通过线性的改变输入电流的幅值观察不同输入电流激励下输出转矩的波形图。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S13和步骤S14之间还包括：
S15：对额定转矩进行分析，得到额定负载时所述永磁同步电机的转矩曲线。
7.一种永磁同步电机最大转矩电流比控制系统，其特征在于，依次包括：
电机模型建立单元，用于基于Ansoft软件建立永磁同步电机的模型，得到所述模型的各参数；
模型求解单元，用于对模型进行求解，得到电磁场的各物理量；
模型合理性验证单元，用于对模型的合理性进行验证，分析所述永磁同步电机的磁路结构是否合理；
输出转矩波形仿真单元，用于对参数变化瞬态进行仿真，曲线拟合得到输出转矩与输入电流幅值的关系曲线和函数表达式。
8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述电机模型建立单元包括：
模型建立单元，用于建立永磁同步电机的几何物理模型；
特性赋值单元，用于将所述永磁同步电机中的各元件的特性参数赋值给所述模型；
边界条件确定单元，用于确定所述模型求解的边界条件；
网格剖分参数设置单元，用于设置所述模型的网格剖分参数；
运动参数设置单元，用于设置所述模型的所述永磁同步电机的运动参数。
9.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，还包括：额定转矩分析单元，其设置于所述模型求解单元和模型合理性验证单元之间，用于对额定转矩进行分析，得到额定负载时所述永磁同步电机的转矩曲线。
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| CN105978434A (zh) | 2016-09-28 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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