基于MATLAB/GUI的內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)MTPA離線計(jì)算系統(tǒng)*

劉海斌，張海強(qiáng)，王 毅，包西平，詹凱良

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221005）

0 引言

內(nèi)置式永磁同步電機(jī)以其高效率、高功率密度、低噪聲、高轉(zhuǎn)矩電流比、強(qiáng)魯棒性等優(yōu)點(diǎn)[1]，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。根據(jù)IPMSM交/直軸電感不相等的特性，為了充分利用IPMSM的磁阻轉(zhuǎn)矩，在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)常采用最大轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩輸出，并且提高母線電壓利用率。

為實(shí)現(xiàn)新能源汽車內(nèi)置式永磁同步電機(jī)（IPMSM）在低速區(qū)的最優(yōu)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(shí)際臺(tái)架標(biāo)定可以尋找到全扭矩范圍內(nèi)的最優(yōu)id/iq，并由此產(chǎn)生由扭矩指令生成的id/iqMAP電流表，但其需要很長(zhǎng)的標(biāo)定周期，嚴(yán)重影響新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期；若能夠離線計(jì)算出在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不同扭矩指令下對(duì)應(yīng)的最優(yōu)id/iq，這些id/iq的點(diǎn)集便組成了一張電流MAP表，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，并且實(shí)際扭矩Te精度也能滿足控制需求。

圖1 電機(jī)最優(yōu)控制曲線圖

基于上述要求，本文設(shè)計(jì)了基于MATLAB 2017/GUI的離線計(jì)算的id/iq—MAP表，使電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)四象限安全可靠的運(yùn)行且同時(shí)能夠滿足具體的技術(shù)輸出需求[5]，如扭矩精度、最大功率輸出、最大扭矩輸出、電機(jī)效率、電壓利用率等。系統(tǒng)平臺(tái)特點(diǎn)：扭矩精度滿足設(shè)定需求；縮短IPMSM新電機(jī)的標(biāo)定周期；該算法能夠適用所有IPMSM。

1 系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)與界面設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)

內(nèi)置式永磁同步電機(jī)（IPMSM）最大轉(zhuǎn)矩電流比離線計(jì)算電流分配表控制算法包含3個(gè)子系統(tǒng)[6]。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)

（1）曲線擬合模塊。根據(jù)電機(jī)仿真參數(shù)擬合出電感參數(shù)Ld/Lq、永磁體磁鏈ψf隨電流變化的規(guī)律。

（2）MTPA計(jì)算模塊。根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩電流比原理，在全轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，且扭矩步長(zhǎng)為1 N·m，尋找出一張最優(yōu)的id/iq電流MAP表。

（3）數(shù)據(jù)處理模塊。將吻合算法需求的id/iq寫(xiě)入.CSV文件并保存起來(lái)，以MTPA-id/iq.CSV格式輸出。最終將.CSV格式的文件轉(zhuǎn)化為.C的文件輸出。

1.2 系統(tǒng)界面

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件界面如圖3所示。界面由標(biāo)題、曲線擬合類型選擇列表、數(shù)據(jù)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(yùn)行”按鈕用于對(duì)擬合出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀??；“數(shù)據(jù)處理”該按鈕用于將id/iq數(shù)據(jù)寫(xiě)入.CSV文件。各控制按鈕詳細(xì)的使用說(shuō)明可以點(diǎn)擊“用戶指導(dǎo)手冊(cè)”按鈕進(jìn)行參考，點(diǎn)擊“退出系統(tǒng)”按鈕則退出并關(guān)閉系統(tǒng)的運(yùn)行[7-8]。

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1與圖2所示的子系統(tǒng)組成模塊結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)平臺(tái)界面，采用MATLAB2017/GUI進(jìn)行各系統(tǒng)模塊的界面操作設(shè)計(jì)，通過(guò)編寫(xiě)GUI回調(diào)函數(shù)來(lái)對(duì)操作進(jìn)行響應(yīng)。用戶通過(guò)控制按鈕進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。下面介紹幾個(gè)關(guān)鍵控制模塊。

2.1 打開(kāi)數(shù)據(jù)文件

“打開(kāi)數(shù)據(jù)文件”按鈕選擇需要加載的.CSV文件，該文件主要是電機(jī)仿真參數(shù)；若用戶沒(méi)有選擇任何文件，則系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)如圖4所示的提示界面。

圖4 錯(cuò)誤提示

加載.CSV文件與出錯(cuò)報(bào)警部分關(guān)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(diǎn)擊“d軸電感Ld曲線擬合”選項(xiàng)，則進(jìn)行d軸電感隨電流變化的擬合工作。若選定一組電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，已通過(guò)Open File文件打開(kāi)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(guī)律。

圖5 Ld與id-iq的關(guān)系曲線

點(diǎn)擊“q軸電感Lq曲線擬合”選項(xiàng)，則進(jìn)行q軸電感隨電流變化的擬合工作，若選定一組電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，已通過(guò)Open File文件打開(kāi)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(nèi)在式永磁同步電機(jī)交直軸電流客觀規(guī)律。

圖6 Lq與id-iq的關(guān)系曲線

點(diǎn)擊“永磁體磁鏈曲線擬合”選項(xiàng)則進(jìn)行永磁體磁鏈隨電流變化的擬合工作，若選定一組電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，已通過(guò)Open File文件打開(kāi)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(guān)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(yùn)行

點(diǎn)擊“首先運(yùn)行”按鈕就開(kāi)始對(duì)擬合出來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并進(jìn)行MTPA算法的運(yùn)算，在數(shù)據(jù)讀取的過(guò)程中會(huì)彈出如下對(duì)話框，讀完之后且MTPA算法部分處理完成之后該對(duì)話框自動(dòng)關(guān)閉，如圖8所示。

圖8 首先運(yùn)行按鈕

首先運(yùn)行按鈕關(guān)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(tǒng)分析與測(cè)試

根據(jù)MTPA控制原理，點(diǎn)擊“繪制圖形”按鈕，此時(shí)系統(tǒng)軟件會(huì)繪制整個(gè)過(guò)程中的圖像，并保存起來(lái)，以直觀的形式呈現(xiàn)出來(lái)便于用戶進(jìn)行分析整個(gè)過(guò)程的可靠性，圖9所示為MTPA控制id/iq與轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線。iq＞0，id＜0，內(nèi)置式永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)入了弱磁工作狀態(tài)。

圖9 MTPA控制id/iq與轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線

圖10 id與控制轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線

圖10 所示為不同轉(zhuǎn)速情況下直軸電流id的一簇曲線。id＜0，顯示內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)此時(shí)進(jìn)入了弱磁的工作狀態(tài)，圖10表明直軸電流id數(shù)值絕對(duì)量越大，控制轉(zhuǎn)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(shí)最大電流曲線。由圖中可以看出，定子總電流變大，也符合內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行變化規(guī)律。

圖11 MTPA控制時(shí)最大電流曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)永磁同步電機(jī)弱磁控制原理的分析，基于MABLAB/GUI自動(dòng)解算出高效的（id，iq）工作點(diǎn)，并生成電流參考指令表滿足MTPA曲線控制，同時(shí)減少開(kāi)發(fā)人員的電機(jī)標(biāo)定的工作量。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已在實(shí)際系統(tǒng)中得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電機(jī)的輸出特性均滿足實(shí)際的需求，滿足產(chǎn)品的升級(jí)開(kāi)發(fā)，對(duì)永磁同步電機(jī)高性能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。