CN108988726A - 一种永磁同步电机的mtpa控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永磁同步电机的MTPA控制方法，属于电机控制技术领域。首先建立电磁转矩模型，根据实验数据计算出PMSM永磁体磁链及d‑q轴电感差值；然后推导出d‑q轴电流与电磁转矩间的关系；再对电磁转矩及d‑q轴电流进行仿真。本发明提供的趋近控制算法能够使电机输出的转速w能够快速逼近给定的理想转速w_d，在电机工作满足MTPA控制作用的同时，能够实现电机按理想转速进行输出。

Description

一种永磁同步电机的MTPA控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种永磁同步电机的MTPA控制方法。

背景技术

在面临环境污染和能源危机的挑战下，新能源电动汽车成为各国的研究热点。与传统汽车相比较，新能源汽车新颖之处以电机作为汽车的驱动装置。为实现新能源汽车在行驶中具有较高的动力性、操稳性以及效率，驱动电机应具有高转矩密度、可靠的容错性、宽调速范围等特点。

通常，驱动电机分为直流电机、交流电机两类。交流电机又可分为异步电机、开关磁阻电机、永磁同步电机等。就直流电机而言，尽管其运行过程中控制过程的实现较为简单，然而其稳定性较差、价格昂贵且维护较为困难；开关磁阻电机转矩脉动较大、异步电机功率较低。因此，这三类电机在电动汽车驱动系统中的使用受到限制。

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM)凭借其结构紧凑、传动效率高、功率密度大等优点，在汽车、航空航天、工业等领域得到广泛应用。最大转矩转矩电流控制(Maximum Torque Per Ampere,简称MTPA)通过合理分配d-q轴电流值或控制电流矢量的角度，使单位电流产生的电磁转矩最大或单位转矩需求的电流最小，实现最小铜损，转矩输出能力最优，提高能效，适用于对电磁转矩最大值要求较高的场合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种永磁同步电机的MTPA控制方法，在电机工作满足MTPA控制作用的同时，能够实现电机按理想转速进行输出。

为解决上述技术问题，本发明提供一种永磁同步电机的MTPA控制方法，包括：

建立电磁转矩模型，根据实验数据计算出PMSM永磁体磁链及d-q轴电感差值；

推导出d-q轴电流与电磁转矩间的关系；

对电磁转矩及d-q轴电流进行仿真。

可选的，在建立电磁转矩模型之前，先基于以下假设建立PMSM数学模型：

忽略磁滞损耗、磁路饱和、涡流的负面作用；

永磁体内部磁导率与空气相同；

电机输入为对称三相电流，不含高次谐波。

可选的，建立电磁转矩模型的具体步骤为：

PMSM在d-q坐标系下，根据电学原理得到d-q轴下定子电压方程：

其中，

电磁转矩方程为：

机械运动方程为：

其中，u_d是d轴电压，u_q是q轴电压，i_d是d轴电流，i_q是q轴电流，L_d是d轴电感，L_q是q轴电感，w_s是转子电角速度，R_s是定子电阻，是永磁体磁链，T_e是电磁转矩，p是电机极对数，J是电机转子转动惯量，B是电子转子粘性阻尼系数，是微分算子，即对i_d、i_q进行求导，w是电机转子机械角速度，T_p是外界负载转矩。

可选的，推导出d-q轴电流与电磁转矩间的关系的具体步骤如下：

根据三角函数关系可得，定子电流I_s、d轴电流i_d、q轴电流i_q与电流矢量角θ间的关系为：

i_d＝-I_ssinθ (5)

i_q＝I_scosθ (6)

将式(5)和式(6)代入式(3)中可得电磁转矩T_e与定子电流I_s及电流矢量角θ之间的关系：

对式(7)求导后得到一阶偏导

使经计算得：

将式(10)代入式(5)，可得到PMSM运行在MTPA条件下d轴电流：

在得知电机输出电磁转矩T_e后，便可得到满足最大转矩最小电流比的d-q轴电流i_d，而电磁转矩T_e通过传感器接收到的电机转速信号进行计算。

可选的，L_d＜L_q。

在本发明中提供了一种永磁同步电机的MTPA控制方法，首先建立电磁转矩模型，根据实验数据计算出PMSM永磁体磁链及d-q轴电感差值；然后推导出d-q轴电流与电磁转矩间的关系；再对电磁转矩及d-q轴电流进行仿真。本发明提供的趋近控制算法能够使电机输出的转速w能够快速逼近给定的理想转速w_d，在电机工作满足MTPA控制作用的同时，能够实现电机按理想转速进行输出。

附图说明

图1是本发明提供的永磁同步电机的MTPA控制方法的流程示意图；

图2是PMSM在d-q坐标下的稳态等效电路示意图；

图3是MTPA控制电流模型的结构示意图；

图4是电磁转矩与电流仿真曲线示意图；

图5是定子电流、d轴电流和q轴电流之间的关系示意图；

图6是转速趋近控制系统模型的结构示意图；

图7是转速估计仿真曲线示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种永磁同步电机的MTPA控制方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

本发明提供了一种永磁同步电机的MTPA控制方法，如图1所示。所述永磁同步电机的MTPA控制方法包括如下步骤：

步骤S11：建立电磁转矩模型，根据实验数据计算出PMSM永磁体磁链及d-q轴电感差值；

步骤S12：推导出d-q轴电流与电磁转矩间的关系；

步骤S13：对电磁转矩及d-q轴电流进行仿真。

具体的，由于受复杂电磁关系、各分量耦合以及系统非线性等影响，首先对PMSM做下基本假设：

(1)忽略磁滞损耗、磁路饱和、涡流的负面作用；

(2)永磁体内部磁导率与空气相同；

(3)电机输入为对称三相电流，不含高次谐波。

PMSM在d-q坐标下的稳态等效电路如图2所示。根据电学原理得到d-q轴下定子电压方程：

其中，电磁转矩方程为：

机械运动方程为：

在式(1)～式(4)中，u_d是d轴电压，u_q是q轴电压，i_d是d轴电流，i_q是q轴电流，L_d是d轴电感，L_q是q轴电感，w_s是转子电角速度，R_s是定子电阻，是永磁体磁链，T_e是电磁转矩，p是电机极对数，J是电机转子转动惯量，B是电子转子粘性阻尼系数，是微分算子，即对i_d、i_q进行求导，w是电机转子机械角速度，T_p是外界负载转矩。

由于PMSM在生产制造过程中存在差异，导致每台电机的永磁体磁链d-q轴电感L_d，L_q不同。在此通过对PMSM的电磁转矩进行建模，其特点在于结合任意两组实验数据即可计算出永磁体磁链及电感差值，电磁转矩模型如图3所示。将实验数据代入模型中计算可得，永磁体磁链d-q轴电感差值L_d-L_q＝-0.000166H。

最大转矩转矩电流控制(Maximum Torque Per Ampere,简称MTPA)，在相同的定子电流下通过改变d-q轴电流夹角θ使得输出转矩最大。换言之，即在相同输出转矩的情况下，寻找PMSM定子输入的最小电流。

对PMSM而言，由于电机结构特性，必然有L_d＜L_q。由式(3)可知，要使得输出转矩最大，则有控制系统在i_d＜0、i_q＞0的范围内才能取得MTPA点，如图4所示，定子电流I_s与q轴夹角称为电流矢量角θ，如图5所示；

根据三角函数关系可得，定子电流I_s、d轴电流i_d、q轴电流i_q与电流矢量角θ间的关系为：

i_d＝-I_ssinθ (5)

i_q＝I_scosθ (6)

将式(5)和式(6)代入式(3)中可得电磁转矩T_e与定子电流I_s及电流矢量角θ之间的关系：

对式(7)求导后得到一阶偏导

根据MTPA原理，在电机运行过程中通过最小电流获得最大转矩，转换为数学思想便为求极值问题，即使经计算得：

将式(10)代入式(5)，可得到PMSM运行在MTPA条件下d轴电流：

综上所述，在得知电机输出电磁转矩后，便可得到满足最大转矩最小电流比的d-q轴电流，而电磁转矩通过传感器接收到的电机转速信号进行计算。

综合上述步骤，在MATLAB/Simulink环境下搭建PMSM控制系统模型，如图6所示。电机极对数为4，定子电阻为24.6mΩ，电机转动惯量为0.01kg·m²，转动阻尼系数为0.2N·m/(rad/s)。系统转矩输入为-150～150Nm，负载转矩为20Nm，仿真步长0.1s，总时间为20s，仿真结果如图7所示。

由图7的仿真曲线可以看出，本发明提供的趋近控制算法能够使电机输出的转速w能够快速逼近给定的理想转速w_d。在电机实现MTPA控制算法原理的同时，验证了本发明的可行性。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (5)

1.一种永磁同步电机的MTPA控制方法，其特征在于，包括：

建立电磁转矩模型，根据实验数据计算出PMSM永磁体磁链及d-q轴电感差值；

推导出d-q轴电流与电磁转矩间的关系；

对电磁转矩及d-q轴电流进行仿真。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机的MTPA控制方法，其特征在于，在建立电磁转矩模型之前，先基于以下假设建立PMSM数学模型：

忽略磁滞损耗、磁路饱和、涡流的负面作用；

永磁体内部磁导率与空气相同；

电机输入为对称三相电流，不含高次谐波。

3.如权利要求1所述的永磁同步电机的MTPA控制方法，其特征在于，建立电磁转矩模型的具体步骤为：

PMSM在d-q坐标系下，根据电学原理得到d-q轴下定子电压方程：

其中，

电磁转矩方程为：

机械运动方程为：

其中，u_d是d轴电压，u_q是q轴电压，i_d是d轴电流，i_q是q轴电流，L_d是d轴电感，L_q是q轴电感，w_s是转子电角速度，R_s是定子电阻，是永磁体磁链，T_e是电磁转矩，p是电机极对数，J是电机转子转动惯量，B是电子转子粘性阻尼系数，是微分算子，即对i_d、i_q进行求导，w是电机转子机械角速度，T_p是外界负载转矩。

4.如权利要求1所述的永磁同步电机的MTPA控制方法，其特征在于，推导出d-q轴电流与电磁转矩间的关系的具体步骤如下：

根据三角函数关系可得，定子电流I_s、d轴电流i_d、q轴电流i_q与电流矢量角θ间的关系为：

i_d＝-I_ssinθ (5)

i_q＝I_scosθ (6)

将式(5)和式(6)代入式(3)中可得电磁转矩T_e与定子电流I_s及电流矢量角θ之间的关系：

对式(7)求导后得到一阶偏导

使经计算得：

将式(10)代入式(5)，可得到PMSM运行在MTPA条件下d轴电流：

在得知电机输出电磁转矩T_e后，便可得到满足最大转矩最小电流比的d-q轴电流i_d，而电磁转矩T_e通过传感器接收到的电机转速信号进行计算。

5.如权利要求3或4所述的永磁同步电机的MTPA控制方法，其特征在于，L_d＜L_q。