內(nèi)插式永磁同步電機最大轉(zhuǎn)矩電流比仿真研究

呂康飛　孫高

摘要：本文以內(nèi)插式永磁同步電機即d、q軸電感不相等的低壓大功率永磁同步電機為控制對象，對其控制系統(tǒng)展開研究與設(shè)計，根據(jù)極值定律求得對應最大轉(zhuǎn)矩的電流表達式。在MATLAB/Simulink中搭建了PMSM矢量控制系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)模型，仿真和實驗結(jié)果驗證該控制策略的有效性和工程實用性，實現(xiàn)了在突加負載以及突變轉(zhuǎn)速指令等情況下，電機的轉(zhuǎn)速都能很快的跟隨上指令信號，控制效果良好。

關(guān)鍵詞：PMSM；MTPA；最優(yōu)矢量角

0 引言

永磁同步電機以高動態(tài)性能、高效率和輕量化等特點著稱，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)計制造出性能優(yōu)異的機電一體化產(chǎn)品，代表著21世紀電機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展方向之一[1]提高PMSM的動態(tài)性能進而在需要更高性能的場合進行應用，就必須要精準控制永磁同步電機的電磁轉(zhuǎn)矩[2]相比與id=0的控制方法，MTPA更好的運用了磁阻轉(zhuǎn)矩，實現(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)學模型

根據(jù)恒功率變換得到PMSM在d-q軸坐標系下的電壓方程為[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)生的磁場和永磁體產(chǎn)生的磁場相互作用形成的轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩額第二部分 ，對應的是磁阻轉(zhuǎn)矩。對于面裝式轉(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。對于內(nèi)插式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的PMSM，電動機的氣隙不再是均勻的，在相同幅值的is作用下，d軸電樞反應磁場比q軸電樞反應磁場弱，有Ld

內(nèi)插式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的PMSM能產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩從而提高電機的轉(zhuǎn)矩利用提高電機的運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)的動態(tài)特性[5，6].

2 仿真研究

仿真中的電機參數(shù)如表1所示：

上圖中上半部分給出的是轉(zhuǎn)速指令以及對應的真實轉(zhuǎn)速，下半部分給出了對應的轉(zhuǎn)矩波形。從中可以看出，在突加負載以及突變轉(zhuǎn)速指令等情況下，電機的轉(zhuǎn)速都能很快的跟隨上指令信號，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。可以看出，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現(xiàn)MTPA控制的計算推導過程，得到了id-ref和iq-ref的公式表達式。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)矩的時候定子電流最小，實現(xiàn)了最佳利用逆變器的容量，可以使電機的熱損耗下降，減小了開關(guān)管所需要的耐流要求，具有良好的工程應用性。

參考文獻：

[1]陳傳清.低壓大功率永磁同步電機控制器研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學，2017.

[2]李長紅，陳明俊，吳小役.PMSM調(diào)速系統(tǒng)中最大轉(zhuǎn)矩電流比控制方法的研究[J].中國電機工程學報，2005，25（21）：169-174.

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

[4]Zhang Y， Xu L， Mustafa K G， et al. Experimental verification of deep field weakening operation of a 50-kW IPM machine by using single current regulator[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2011， 47（1）： 128-133.

[5]劉剛，肖燁然，孫慶文.基于改進反電勢積分的永磁同步電機位置檢測[J].電機與控制學報，2016，（02）：36-42.

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

本文為淮安市重點研發(fā)計劃：“新能源汽車動力控制系統(tǒng)及能量儲存變換相關(guān)技術(shù)研究（HAG201607）”研究成果.