內(nèi)插式永磁同步電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩電流比仿真研究

呂康飛　孫高

摘要：本文以內(nèi)插式永磁同步電機(jī)即d、q軸電感不相等的低壓大功率永磁同步電機(jī)為控制對(duì)象，對(duì)其控制系統(tǒng)展開研究與設(shè)計(jì)，根據(jù)極值定律求得對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩的電流表達(dá)式。在MATLAB/Simulink中搭建了PMSM矢量控制系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)模型，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該控制策略的有效性和工程實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)了在突加負(fù)載以及突變轉(zhuǎn)速指令等情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速都能很快的跟隨上指令信號(hào)，控制效果良好。

關(guān)鍵詞：PMSM；MTPA；最優(yōu)矢量角

0 引言

永磁同步電機(jī)以高動(dòng)態(tài)性能、高效率和輕量化等特點(diǎn)著稱，它與電力電子技術(shù)和微電子控制技術(shù)相結(jié)合，可以設(shè)計(jì)制造出性能優(yōu)異的機(jī)電一體化產(chǎn)品，代表著21世紀(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展方向之一[1]提高PMSM的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)而在需要更高性能的場(chǎng)合進(jìn)行應(yīng)用，就必須要精準(zhǔn)控制永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩[2]相比與id=0的控制方法，MTPA更好的運(yùn)用了磁阻轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)了利用最小的定子電流獲得最大的轉(zhuǎn)矩輸出[2]。

1 PMSM數(shù)學(xué)模型

根據(jù)恒功率變換得到PMSM在d-q軸坐標(biāo)系下的電壓方程為[3]

其中Ud、Uq、id、iq、ψd、ψq分別為d-q軸的電壓分量、電流分量和磁鏈分量，R為定子電阻，ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，p為微分算子。

電磁轉(zhuǎn)矩方程[4] （2）

電磁轉(zhuǎn)矩第一部分Tem=pnψfissinθ是永磁轉(zhuǎn)矩，它是由PMSM中三相定子電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)和永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用形成的轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩額第二部分 ，對(duì)應(yīng)的是磁阻轉(zhuǎn)矩。對(duì)于面裝式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的PMSM來說，由于永磁體內(nèi)部的磁導(dǎo)率接近空氣，因此氣隙是均勻的，有Ld=Lq，故磁阻轉(zhuǎn)矩為0。對(duì)于內(nèi)插式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的PMSM，電動(dòng)機(jī)的氣隙不再是均勻的，在相同幅值的is作用下，d軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)比q軸電樞反應(yīng)磁場(chǎng)弱，有Ld

內(nèi)插式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的PMSM能產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩從而提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩利用提高電機(jī)的運(yùn)行效率于一定容量的逆變器來說，合理的選擇id和iq的比值使得在輸出相同的電磁轉(zhuǎn)矩的時(shí)候定子電流能最小，相比于id=0的控制方式，顯著提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性[5，6].

2 仿真研究

仿真中的電機(jī)參數(shù)如表1所示：

上圖中上半部分給出的是轉(zhuǎn)速指令以及對(duì)應(yīng)的真實(shí)轉(zhuǎn)速，下半部分給出了對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩波形。從中可以看出，在突加負(fù)載以及突變轉(zhuǎn)速指令等情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速都能很快的跟隨上指令信號(hào)，控制效果良好。

上圖中從上至下依次給出了q軸電流指令、q軸電流以及d軸電流指令、d軸電流?？梢钥闯?，在MTPA控制模式下，d軸的電流指令與q軸的電流指令呈現(xiàn)出如式所示的關(guān)系。在突加負(fù)載及突變轉(zhuǎn)速指令等情況下，dq軸的電流都能很好地跟隨上指令。

3 結(jié)論

本文介紹了采用直接公式法實(shí)現(xiàn)MTPA控制的計(jì)算推導(dǎo)過程，得到了id-ref和iq-ref的公式表達(dá)式。相比于id=0的控制方式，MTPA最大化的利用了定子電流，即在產(chǎn)生相同電磁轉(zhuǎn)矩的時(shí)候定子電流最小，實(shí)現(xiàn)了最佳利用逆變器的容量，可以使電機(jī)的熱損耗下降，減小了開關(guān)管所需要的耐流要求，具有良好的工程應(yīng)用性。

參考文獻(xiàn)：

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[3]張幸浩.永磁同步電機(jī)的低成本控制系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2015.

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[5]劉剛，肖燁然，孫慶文.基于改進(jìn)反電勢(shì)積分的永磁同步電機(jī)位置檢測(cè)[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2016，（02）：36-42.

[6]王成元，夏加寬，楊俊友，孫宜標(biāo).電機(jī)現(xiàn)代控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：81-99.

本文為淮安市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃：“新能源汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)及能量?jī)?chǔ)存變換相關(guān)技術(shù)研究（HAG201607）”研究成果.