基于MTPA的電動汽車用同步磁阻電機控制

高健

【摘 要】論文主要設(shè)計了同步磁阻電機（SynRM）控制器。整個控制器以TMS320F28066為控制核心，包含開關(guān)電源供模塊、以MOSFET作為主要部件的功率模塊、數(shù)字化輸入輸出接口和通訊模塊、電機電壓電流和速度檢測模塊等。軟件上采用基于SVPWM調(diào)制的MTPA矢量控制算法，具有過流保護功能。實驗表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對同步磁阻電機的良好控制。

【Abstract】This paper mainly designs a controller of synchronous reluctance motor （SynRM）. The whole controller takes TMS320F28066 as the control core， including switch power supply module， the power module with MOSFET as main component， digital input and output interface and communication module， motor voltage， current and speed detection module. The software adopts MTPA vector control algorithm based on SVPWM modulation， which has the function of overcurrent protection. Experiments show that the system can control the synchronous reluctance motor well.

【關(guān)鍵詞】同步磁阻電機;MTPA;矢量控制

【Keywords】synchronous reluctance motor; MTPA; vector control

【中圖分類號】U469.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）06-0191-03

1 引言

隨著環(huán)境污染的日益嚴峻，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（SynRM），是一種完全使用磁阻轉(zhuǎn)矩的同步電機，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，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)動電機的苛刻要求[3]。

同步磁阻電機（SynRM）與永磁同步電機控制系統(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，并詳細介紹了基于PMa-SynRM數(shù)學(xué)模型的MTPA控制方法，通過在電機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]研究了實際電機運行中，電機定子電阻、磁場和電感會隨著溫度和氣隙磁場的變化而發(fā)生改變，進而影響到MTPA控制效果，對電機進行實時的參數(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控制系統(tǒng)硬件模塊進行設(shè)計，并采用MTPA矢量控制方法實現(xiàn)了對同步磁阻電機的控制，驗證了該控制系統(tǒng)的可行性。

2 同步磁阻電機數(shù)學(xué)模型

同步磁阻電機轉(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)同步磁阻電機的dq方程是：

圖5是三相同步磁阻電機加/減載過程波形圖，從波形可以看出，電機載加/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，該電機控制器能夠使同步磁阻電機良好的運行。

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的控制器;

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

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

【參考文獻】

【1】吳迪.同步磁阻電機的無傳感器直接功率控制研究[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2019.

【2】姚丙雷，王鴻鵠.同步磁阻電機性能分析與研究[J].電機與控制應(yīng)用，2018，45（11）：61-65.

【3】楊丁貴，湯寧平，戴熠晨.同步磁阻電機定子電流最優(yōu)控制[J].電機與控制應(yīng)用，2017，44（08）：32-37.

【4】袁賽賽，蔡順，賀小克，等.同步磁阻電機最大轉(zhuǎn)矩電流比矢量控制[J].微電機，2017，50（04）：43-46+53.

【5】方磊，譚國俊，劉娜，等.永磁輔助式同步磁阻電機轉(zhuǎn)矩預(yù)測控制方法[J].電機與控制應(yīng)用，2018，45（05）：1-7.

【6】DE KOCK H W， KAMPER M J. Dynamic control of the permanent magnet-assisted reluctance synchronous machine [J]. Electric Power Applications， IET， 2007， 1（2）： 153-160.

【7】NIAZI P， TOLIYAT H A， CHEONG D H， et al. A low-cost and efficient permanent-magnet-assisted synchronous reluctance motor drive [J]. Industry Applications， IEEE Transactions on， 2007， 43（2）： 542-550.

【8】楊超，廖勇，盧權(quán)華，等.考慮磁路飽和同步磁阻電機的矢量控制[J].微電機，2013，46（11）：57-61+66.