基于MATLAB/GUI的內置式永磁同步電動機MTPA離線計算系統*

劉海斌，張海強，王 毅，包西平，詹凱良

（徐州工業職業技術學院，江蘇徐州 221005）

0 引言

內置式永磁同步電機以其高效率、高功率密度、低噪聲、高轉矩電流比、強魯棒性等優點[1]，在電動汽車領域得到了廣泛應用[2]。根據IPMSM交/直軸電感不相等的特性，為了充分利用IPMSM的磁阻轉矩，在恒轉矩區常采用最大轉矩電流比（Maximum Torque Per Ampere，MTPA）的控制策略，即利用最小的定子電流獲得最大的電磁轉矩輸出，并且提高母線電壓利用率。

為實現新能源汽車內置式永磁同步電機（IPMSM）在低速區的最優控制[3-4]，相同電流幅值下能夠出更大的扭矩即MTPA控制，如圖1所示。實際臺架標定可以尋找到全扭矩范圍內的最優id/iq，并由此產生由扭矩指令生成的id/iqMAP電流表，但其需要很長的標定周期，嚴重影響新產品的開發周期；若能夠離線計算出在低轉速范圍內不同扭矩指令下對應的最優id/iq，這些id/iq的點集便組成了一張電流MAP表，大大縮短了開發周期，并且實際扭矩Te精度也能滿足控制需求。

圖1 電機最優控制曲線圖

基于上述要求，本文設計了基于MATLAB 2017/GUI的離線計算的id/iq—MAP表，使電機能夠實現四象限安全可靠的運行且同時能夠滿足具體的技術輸出需求[5]，如扭矩精度、最大功率輸出、最大扭矩輸出、電機效率、電壓利用率等。系統平臺特點：扭矩精度滿足設定需求；縮短IPMSM新電機的標定周期；該算法能夠適用所有IPMSM。

1 系統平臺架構與界面設計

1.1 系統平臺架構

內置式永磁同步電機（IPMSM）最大轉矩電流比離線計算電流分配表控制算法包含3個子系統[6]。如圖2所示。

圖2 系統程序結構

（1）曲線擬合模塊。根據電機仿真參數擬合出電感參數Ld/Lq、永磁體磁鏈ψf隨電流變化的規律。

（2）MTPA計算模塊。根據最大轉矩電流比原理，在全轉矩范圍內，且扭矩步長為1 N·m，尋找出一張最優的id/iq電流MAP表。

（3）數據處理模塊。將吻合算法需求的id/iq寫入.CSV文件并保存起來，以MTPA-id/iq.CSV格式輸出。最終將.CSV格式的文件轉化為.C的文件輸出。

1.2 系統界面

根據系統架構，所設計的系統軟件界面如圖3所示。界面由標題、曲線擬合類型選擇列表、數據處理按鈕等操作按鈕組成。

圖3 主界面

曲線擬合類型選擇列表用于選擇擬合曲線的類型。“首先運行”按鈕用于對擬合出來的數據進行讀取；“數據處理”該按鈕用于將id/iq數據寫入.CSV文件。各控制按鈕詳細的使用說明可以點擊“用戶指導手冊”按鈕進行參考，點擊“退出系統”按鈕則退出并關閉系統的運行[7-8]。

2 系統功能模塊設計

根據圖1與圖2所示的子系統組成模塊結構、系統平臺界面，采用MATLAB2017/GUI進行各系統模塊的界面操作設計，通過編寫GUI回調函數來對操作進行響應。用戶通過控制按鈕進行系統的設計。下面介紹幾個關鍵控制模塊。

2.1 打開數據文件

“打開數據文件”按鈕選擇需要加載的.CSV文件，該文件主要是電機仿真參數；若用戶沒有選擇任何文件，則系統會出現如圖4所示的提示界面。

圖4 錯誤提示

加載.CSV文件與出錯報警部分關鍵代碼如下：

[filename， pathname]= uiputfile （{′*.csv′，′CSV files′}，′） ;

if isequal（filename，0） ||isequal（pathname，0）

return;

else

fpath=fullfile（pathname， filename）;

end

function edit56_Callback （hObject， eventdata， handles）

function edit56_Create Fcn （hObject， eventdata， handles）

if ispc&&isequal（get（hObject，′Background Color′），get（0，′default Uicontrol Background Color′）） set（hObject，′Background Color′，′white′） ;

end

2.2 曲線擬合類型選擇

選擇“曲線擬合類型選擇”下拉菜單，可以選擇Ld曲線擬合、Lq曲線擬合、永磁磁鏈擬合。點擊“d軸電感Ld曲線擬合”選項，則進行d軸電感隨電流變化的擬合工作。若選定一組電機的設計參數，已通過Open File文件打開了，則擬合的效果如圖5所示，由圖可知Ld與id/iq呈非線性變化，符合客觀規律。

圖5 Ld與id-iq的關系曲線

點擊“q軸電感Lq曲線擬合”選項，則進行q軸電感隨電流變化的擬合工作，若選定一組電機的設計參數，已通過Open File文件打開了，則擬合的效果如圖6所示，由圖中可知Lq與id/iq呈非線性變化，符合內在式永磁同步電機交直軸電流客觀規律。

圖6 Lq與id-iq的關系曲線

點擊“永磁體磁鏈曲線擬合”選項則進行永磁體磁鏈隨電流變化的擬合工作，若選定一組電機的設計參數，已通過Open File文件打開了，則擬合的效果如圖7所示。

圖7 永磁體磁鏈曲線擬合

曲線擬合類型選擇部分關鍵代碼如下：

list=get（handles.FB，′String′） ;

val1=get（handles.FB，′value′）;

selectedval=list{val1};

if（qy==1） trans_ratio=str2num （get（handles.transformer，′String′）） ;

Lr=str2num （get（handles.Lr，′String′））;Lf=str2num（get（handles.Lf，′String′）） ;

C=str2num（get（handles.C ，′String′））;

RL=str2num（get（handles.RL ，′String′））;

Vin=str2num（get（handles.Vin ，′String′））;

A=（trans_ratio*Vin）/（Lf*C）;

B1=（2* （trans_ratio^2） *Lr*fre/Lf） +1/（RL*C）;B2=（2*（trans_ratio^2）*Lr*fre/Lf）*1/（RL*C）+1/（Lf*C）;

num=[A];

den=[1，B1，B2];

Gvd=tf（num，den）;

%elseif（TFB==1）

elseif（qy==2）

trans_ratio=str2num （get （handles.transformer ，′String′）） ;

Lf=str2num（get（handles.Lf，′String′））;

C=str2num（get（handles.C ，′String′））;

RL=str2num（get（handles.RL ，′String′））;

Vin=str2num（get（handles.Vin ，′String′））;

A=（trans_ratio）*Vin;

B1=Lf*C;

B2=Lf/RL;

num=[A];

den=[B1，B2，1];

Gvd=tf（num，den）;

end;

elseif（qy==2） trans_ratio=str2num （get（handles.transformer，′String′）） ;

Lf=str2num（get（handles.Lf，′String′））;

C=str2num（get（handles.C ，′String′））;

RL=str2num（get（handles.RL ，′String′））;

Vin=str2num（get（handles.Vin ，′String′））;

A=（trans_ratio）*Vin;

B1=Lf*C;

Gvd=tf（num，den）;end;

2.3 首先運行

點擊“首先運行”按鈕就開始對擬合出來的數據進行讀取，并進行MTPA算法的運算，在數據讀取的過程中會彈出如下對話框，讀完之后且MTPA算法部分處理完成之后該對話框自動關閉，如圖8所示。

圖8 首先運行按鈕

首先運行按鈕關鍵代碼如下：

function Wp_Callback（hObject， eventdata， handles）

if ispc&&isequal（get（hObject，′Background Color′），get（0，′default Uicontrol Background Color′））

set（hObject，′Background Color′，′white′） ;

if CONNECTED～=1

msgbox（′′） ;

if ispc&&isequal（get（hObject，′Background Color′），

get（0，′default Uicontrol Background Color′））

set（hObject，′Background Color′，′white′） ;

Max Voltage=uint16 （str2num （get （handles.edit1，′String′）））; MinVoltage=uint16（str2num（get（handles.edit2，′String′）））; Multiply_Cof=uint16（str2num （get（handles.edit3，′String′） ） ）; Addition_Cof=uint16（str2num（get（handles.edit4，′String′）））;

end

3 系統分析與測試

根據MTPA控制原理，點擊“繪制圖形”按鈕，此時系統軟件會繪制整個過程中的圖像，并保存起來，以直觀的形式呈現出來便于用戶進行分析整個過程的可靠性，圖9所示為MTPA控制id/iq與轉矩關系曲線。iq＞0，id＜0，內置式永磁同步電機控制系統進入了弱磁工作狀態。

圖9 MTPA控制id/iq與轉矩關系曲線

圖10 id與控制轉矩關系曲線

圖10 所示為不同轉速情況下直軸電流id的一簇曲線。id＜0，顯示內置式永磁同步電動機此時進入了弱磁的工作狀態，圖10表明直軸電流id數值絕對量越大，控制轉矩也越大，與理論分析保持一致。圖11所示為基于MTPA的控制策略時最大電流曲線。由圖中可以看出，定子總電流變大，也符合內置式永磁同步電動機運行變化規律。

圖11 MTPA控制時最大電流曲線

4 結束語

本文通過對永磁同步電機弱磁控制原理的分析，基于MABLAB/GUI自動解算出高效的（id，iq）工作點，并生成電流參考指令表滿足MTPA曲線控制，同時減少開發人員的電機標定的工作量。設計的系統已在實際系統中得到了實驗驗證，電機的輸出特性均滿足實際的需求，滿足產品的升級開發，對永磁同步電機高性能控制系統的設計有一定的指導意義。