基于MTPA的電動汽車用同步磁阻電機(jī)控制

高健

（浙江大學(xué)工程師學(xué)院，杭州 310015）

GAO Jian

(Polytechnic Institute,Zhejiang University,Hangzhou310015,China)

1 引言

隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)峻，燃料能源日漸短缺，電動汽車由于其能耗低、污染小等優(yōu)點已成為汽車工業(yè)發(fā)展的重要方向[1]。而電驅(qū)動系統(tǒng)作為電動汽車整車的核心部分，其硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制理論方法的研究是提高電動汽車驅(qū)動性能的關(guān)鍵[2]。

同步磁阻電機(jī)（SynRM），是一種完全使用磁阻轉(zhuǎn)矩的同步電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，安全性能良好，相比于感應(yīng)電機(jī)，SynRM的功率密度和效率更高，此外，SynRM沒有永磁體，能夠更容易實現(xiàn)弱磁控制，適應(yīng)高速運行，因此，SynRM可以滿足電動汽車運行對驅(qū)動電機(jī)的苛刻要求[3]。

同步磁阻電機(jī)（SynRM）與永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)和控制原理上差異不大，常用的控制方法主要有以下四種[6]：最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制（MTPA）、最大功率因數(shù)控制、最大轉(zhuǎn)矩變化率控制、恒定磁場電流控制。在能源利用要求高效率的應(yīng)用場合，如電動汽車驅(qū)動，MTPA是較合理的一種控制方法，實際上也是應(yīng)用最廣泛的，也是本文采用的主要控制方法。NIAZI P等[7]給出了MTPA控制的系統(tǒng)框圖，并詳細(xì)介紹了基于PMa-SynRM數(shù)學(xué)模型的MTPA控制方法，通過在電機(jī)運行約束條件下求極值，推導(dǎo)出控制需要的d/q軸電流及最大轉(zhuǎn)矩與電機(jī)相電流相位角之間的數(shù)值關(guān)系。楊超等[8]研究了實際電機(jī)運行中，電機(jī)定子電阻、磁場和電感會隨著溫度和氣隙磁場的變化而發(fā)生改變，進(jìn)而影響到MTPA控制效果，對電機(jī)進(jìn)行實時的參數(shù)辨識能夠讓MTPA取得更好的控制效果。

本文對同步磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)硬件模塊進(jìn)行設(shè)計，并采用MTPA矢量控制方法實現(xiàn)了對同步磁阻電機(jī)的控制，驗證了該控制系統(tǒng)的可行性。

2 同步磁阻電機(jī)數(shù)學(xué)模型

同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較特別，無需勵磁，由于其交、直軸磁阻不等，在定子勵磁的情況下，交、直軸的磁路將會產(chǎn)生磁阻差異，從而得到驅(qū)動電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩[4]。一般將轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中磁導(dǎo)較大的軸定義為d軸，磁導(dǎo)較小的軸定義為q軸[5]。常規(guī)同步磁阻電機(jī)的dq方程是：

式中：Tem為電磁轉(zhuǎn)矩；p為極對數(shù)；Be為電角速度摩擦阻尼系數(shù)；ωe為電角速度；J為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；Ld和Lq分別為直軸、交軸電感；ud和uq分別為直軸、交軸電壓。

轉(zhuǎn)矩公式（3）可改寫為：

式中：Im為電流矢量幅值；θ為電流矢量與d軸的夾角即為電流角。

忽略電機(jī)磁鏈飽和效應(yīng)，由公式（3）的轉(zhuǎn)矩方程可知，當(dāng)電流角θ=45°，可得最大電磁轉(zhuǎn)矩Tem。

最大轉(zhuǎn)矩電流比控制（MTPA）轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制如圖1所示，通過轉(zhuǎn)速、電流閉環(huán)得到給定電壓值ud和uq。

圖1 MTPA矢量控制框圖

3 實驗驗證

實驗平臺如圖2所示，檔位開關(guān)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，油門與剎車控制電機(jī)的啟停，測功機(jī)模擬實際的工況進(jìn)行加載。

圖2 所用實驗平臺

實驗所用電機(jī)參數(shù)如表1所示，三相同步磁阻電機(jī)實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

表1 電機(jī)額定參數(shù)

圖3 三相同步磁阻電機(jī)實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖4 三相同步磁阻電機(jī)空載啟動波形圖

圖4是三相同步磁阻電機(jī)空載啟動過程波形圖，從波形可以看出電機(jī)啟動平穩(wěn)，達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)速1000rpm后，能穩(wěn)定運行。

圖5 三相同步磁阻電機(jī)加/減載波形圖

圖5是三相同步磁阻電機(jī)加/減載過程波形圖，從波形可以看出，電機(jī)載加/減載過程中有著很好的動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速能夠穩(wěn)定在1000rpm，從實驗波形可知，該電機(jī)控制器能夠使同步磁阻電機(jī)良好的運行。

4 結(jié)論

①本文設(shè)計了適用于電動汽車的同步磁阻電機(jī)的控制器；

②采用MTPA矢量控制算法對同步磁阻電機(jī)進(jìn)行控制，實驗結(jié)果證明，軟、硬件的設(shè)計能夠較好地實現(xiàn)對同步磁阻電機(jī)的啟動和運行；

③三相同步磁阻電機(jī)運行時，電機(jī)參數(shù)會隨著電機(jī)溫升和工況發(fā)生變化，無法在電流角θ=45°時實現(xiàn)MTPA控制，有必要進(jìn)行實時的參數(shù)辨識。