車用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)線性化損耗最小控制

林立，唐宏偉，邱雄邇，王躍球

（邵陽學(xué)院 電氣工程系，湖南 邵陽 422004）

1 引言

由于環(huán)境污染、能源緊缺等問題日益突出，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中新能源電動(dòng)汽車成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)（interior permanent magnet synchronous motor，IPMSM）具有高功率密度、高轉(zhuǎn)矩慣量比、恒功率寬調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)成為理想的車用電機(jī)。一次充電續(xù)行里程是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此提高車用IPMSM的運(yùn)行效率越來越受到關(guān)注［1－2］。從目前研究情況看，文獻(xiàn)［3－5］采用最大轉(zhuǎn)矩比電流（maximum torque per ampere，MTPA）策略控制IPMSM，即在電機(jī)輸出力矩滿足要求的條件下定子電流最小，該方式減小了電機(jī)銅耗，有利于逆變器開關(guān)器件的工作，但這種控制策略是在忽略電機(jī)鐵損耗的情況下進(jìn)行的，因此并不是使IPMSM系統(tǒng)效率最高的控制方式；文獻(xiàn)［6－8］針對(duì)IPMSM，提出了一種基于在線輸入功率最小的黃金分割搜索算法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)包括逆變器和IPMSM電機(jī)在內(nèi)的傳動(dòng)系統(tǒng)的全局效率最優(yōu)，而且不涉及電機(jī)的損耗模型和參數(shù)，但它需要檢測(cè)輸入功率，同時(shí)由于存在尋優(yōu)過程，實(shí)時(shí)性難以保證。文獻(xiàn)［9－10］針對(duì)PMSM，建立了考慮鐵損時(shí)PMSM電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下變速、變轉(zhuǎn)矩時(shí)使電機(jī)功率損耗最小的方法，該方法能夠降低PMSM的損耗，但該文獻(xiàn)為了研究問題的簡(jiǎn)單，只研究表貼式永磁同步電機(jī)（SPM）的損耗最小控制，尚未對(duì)IPMSM的損耗最小控制進(jìn)行深入研究。因此，本文針對(duì)IPMSM電機(jī)的損耗問題，在分析電機(jī)損耗模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合IPMSM電機(jī)的矢量控制方案，依據(jù)考慮鐵損耗的IPMSM數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出損耗最小控制條件，考慮到實(shí)時(shí)性控制要求，得到最小損耗時(shí)的最優(yōu)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)IPMSM的損耗最小控制。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的MTPA控制相比，該控制方案可以有效減小電機(jī)損耗、提高電機(jī)的運(yùn)行效率，從而達(dá)到節(jié)約能源，提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)行里程的目的。

2 IPMSM狀態(tài)反饋線性化結(jié)構(gòu)

IPMSM狀態(tài)反饋精確線性化的基本原理就是根據(jù)微分幾何理論、利用非線性狀態(tài)反饋和解耦控制，將勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)速進(jìn)行動(dòng)態(tài)解耦，從而達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)速和電流獨(dú)立控制的目的。狀態(tài)反饋線性化解耦原理框圖如圖1所示。它包括解耦器、解耦矩陣、PARK變換和逆變換、Clarke變換、SVPWM單元和MTPA控制等?？刂葡到y(tǒng)檢測(cè)電機(jī)兩相電流和逆變器直流側(cè)母線電壓，進(jìn)行Clarke、Park變換及逆變換，通過速度和位置檢測(cè)經(jīng)非線性狀態(tài)反饋線性化解耦和SVPWM控制逆變器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)車用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)。

圖1 狀態(tài)反饋線性化原理框圖Fig.1 Block diagram of state feedback linearization

3 IPMSM損耗模型

圖2為包含鐵損耗在內(nèi)的IPMSM等效電路。電樞電流id和iq分別為等效在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的d－q軸的2個(gè)直流分量，它們可分別等效分解為鐵損耗電流icd和icq、力矩電流iod和ioq。

圖2 考慮鐵損的IPMSM等效電路Fig.2 IPMSM equivalent circuit model considering iron loss

圖2中，Rs為定子繞組電阻；Rc為等效鐵損電阻；ω 為電角速度，ω＝npωr，np為電機(jī)極對(duì)數(shù)，ωr為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；Ψmag為永磁磁鏈；Vd，Vq為d，q軸上的定子電壓分量。

4 PMSM最小損耗控制原理

由圖2可得d－q軸坐標(biāo)系下的電壓方程為

其中

式中：ρ為凸極率。

電樞電流為

端電壓為

由式（7）知，忽略定子電阻壓降，則電壓極限橢圓方程為

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

銅耗為

鐵損耗為

機(jī)械損耗為

電損耗為

總損耗為

輸出功率為

效率為

車用電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，機(jī)械損耗不可控，而電損耗是可以控制的，式（13）表明電損耗為iod，ioq與速度ω的函數(shù)。由式（9）有

代入式（13）有

式（17）表明，電損耗PE是電磁轉(zhuǎn)矩Te、電角速度ω和力矩電流iod的函數(shù)，當(dāng)給定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩時(shí)，可以求得電損耗最小的力矩電流iod。即令

則有

由式（18）可以求得iod，然后將求得的iod代入式（9），則得ioq為

再由式（6）求得icd，icq，由式（5）求得id，iq，這樣就可以求得損耗最小控制策略下的最優(yōu)電流（id，iq）。

問題是，式（18）是一個(gè)復(fù)雜的高階非線性方程，不能得到最優(yōu)的力矩電流iod解析解。同時(shí)在實(shí)時(shí)控制中，實(shí)時(shí)獲得的最優(yōu)力矩電流iod成為損耗最小控制的關(guān)鍵。

為滿足實(shí)時(shí)控制的需要，采用以下策略：

1）在給定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下，由式（18）采用非線性龍倍格高階迭代法，求得滿足電壓極限橢圓式（8）和電流極限圓式（6）要求下最優(yōu)的iod；

2）由式（19）、式（6）、式（5）求得實(shí)時(shí)控制最優(yōu)的勵(lì)磁電流（id，iq）；

3）重復(fù)1），2）求得不同給定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下的（id，iq）。據(jù)此可以繪制得到損耗最小控制策略下最優(yōu)的（id，iq）軌跡，如圖3所示。

圖3 損耗最小控制LMC最優(yōu)（id，iq）軌跡曲線Fig.3 （id，iq）optimal trajectory curves based on loss minimun control

圖3損耗最小控制LMC最優(yōu)（id，iq）軌跡表明，在轉(zhuǎn)矩恒定時(shí)，隨著速度增加，LMC曲線從右向左移動(dòng)，如在轉(zhuǎn)矩為T5時(shí)，電流軌跡運(yùn)行在A→E→F→G上；在速度恒定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)矩增加，電流軌跡由下向上移動(dòng)，在速度為ω1時(shí)，隨著轉(zhuǎn)矩增加，電流軌跡運(yùn)行在D→C→B→A上。

5 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)上述原理，在Matlab仿真環(huán)境下建立基于損耗控制最小的車用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)FOC系統(tǒng)的仿真模型，并進(jìn)行了仿真。圖4為系統(tǒng)仿真原理圖。

圖4 系統(tǒng)仿真原理圖Fig.4 Simulation of system schematic diagram

仿真中內(nèi)置式永磁同步電機(jī)參數(shù)為：極對(duì)數(shù)4，定子電阻0.0065Ω，銅損電阻8Ω，永磁體磁鏈0.048Wb，d 軸電感0.102mH，q軸電感0.245 mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.0031kg·m2，摩擦系數(shù)0.00489，直流母線電壓150V。

圖5 速度響應(yīng)曲線Fig.5 Velocity response curves

圖6 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線Fig.6 Torque response curves

圖7 id－iq 響應(yīng)曲線Fig.7 id－iqresponse curves

圖8 銅耗曲線Fig.8 Copper loss curves

圖9 鐵耗曲線Fig.9 Iron loss curves

圖10 總電損耗曲線Fig.10 Total electric loss curves

圖11 效率曲線Fig.11 Efficiency curves

圖5～圖11為給定指令轉(zhuǎn)速n＊＝2300r／min，正負(fù)2倍、正負(fù)1倍額定負(fù)載以及空載情況下，基于狀態(tài)反饋精確線性化解耦時(shí)LMC與MTPA控制策略下的速度、id，iq、轉(zhuǎn)矩、損耗及效率曲線。

圖5速度響應(yīng)曲線表明，與MTPA控制相比，非線性狀態(tài)反饋線性化LMC控制，有較快的速度響應(yīng)，啟動(dòng)無震蕩。

圖6的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線表明，LMC控制比MTPA控制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。圖7的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流響應(yīng)曲線表明，LMC控制與MTPA控制相比，電流響應(yīng)無震蕩，電流脈動(dòng)小。

圖8的銅耗曲線表明，MTPA控制比LMC控制小，但圖9鐵損曲線表明，LMC控制比MTPA控制小，圖10總電損耗曲線表明，總電損耗LMC控制比MTPA控制小，圖11的效率曲線表明，LMC控制比MTPA控制效率有較大的提高，這有利于節(jié)省電能，提高車用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的一次充電續(xù)行里程。

6 結(jié)論

本文首先簡(jiǎn)述了車用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)狀態(tài)反饋精確線性化解耦控制，在分析永磁同步電機(jī)損耗模型的基礎(chǔ)上，給出IPMSM損耗最小控制下的最優(yōu)電流控制軌跡（id，iq）。該控制方法同時(shí)考慮了電機(jī)的銅損耗和鐵損耗，與狀態(tài)反饋精確線性化解耦控制相結(jié)合，控制時(shí)動(dòng)態(tài)地改變電機(jī)最優(yōu)電流（id，iq），以使電機(jī)損耗最小，同時(shí)在Matlab仿真環(huán)境下建立了該系統(tǒng)的仿真模型。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的MTPA控制系統(tǒng)相比，該種控制方法在保持線性化解耦控制快響應(yīng)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，明顯減小了電機(jī)的總損耗，提高了運(yùn)行效率，達(dá)到了節(jié)能、提高電動(dòng)汽車一次充電續(xù)行里程的目的，因而具有較好的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

［1］許家群，朱建光，邢偉，等.電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)效率優(yōu)化控制研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，19（7）：81－89.

［2］宋科，劉衛(wèi)國(guó)，駱光照，等.航空電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率優(yōu)化控制研究［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2009，1（4）：471－476.

［3］陳丹亞，賈要勤，楊仲慶.電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)用IPM永磁同步電動(dòng)機(jī)控制方法綜述［J］.微特電機(jī)，2010，25（2）：22－26.

［4］盛義發(fā)，喻壽益，桂衛(wèi)華，等.軌道車輛用永磁同步電機(jī)系統(tǒng)弱磁控制策略［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（9）：74－79.

［5］CHEN Yang－sheng，HUANG Bi－xia，ZHU Zi－qiang，et al.Influence of Inaccuracies in Machine Parameters on Fieldweakening Performance of PM Brushless AC Drives［J］.2008，28（6）：92－98.

［6］Calogero Cavallaro，Antonino Oscar Di Tommaso，Rosario Miceli，et al.Efficiency Enhancement of Permanent－magnet Synchronous Motor Drives by Online Loss Minimization Approaches［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2005，52（4）：1153－1159.

［7］Cao Meifen.Online Loss Minimization Control of IPMSM for Electric Scooters［C］∥The 2010International Power Electronics Conference，2010：1387－1392.

［8］Junggi Lee，Kwanghee Nam，Seoho Choi.Online Efficiency Optimization of an IPMSM Drive Incorporating Loss Minimization Algorithm and an FLC as Speed Controller［C］∥IEEE International Symposium on Industrial Electronics，Seoul Olympic Parktel，Seoul，Korea July 5－8，2009：1023－1026.

［9］Junggi Lee，Kwanghee Nam，Seoho Choi.Loss－minimizing Control of PMSM with the Use of Polynomial Approximations［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24（4）：1071－1082.

［10］Christos Mademlis，Iordanis Kioskeridis，Nikos Margaris.Optimal Efficiency Control Strategy for Interior Permanent－magnet Synchronous Motor Drives［J］：2004，9（4）：154－157.