基于改進多虛擬信號注入的永磁同步電機MTPA控制

邱建琪，宋 攀，史涔溦

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，杭州 310027)

0 引 言

永磁同步電機由于其具有體積小、重量輕、功率密度高、效率高等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子中的放置方法的不同，永磁同步電機又可分為表貼式永磁同步電機和內(nèi)置式永磁同步電機。內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁路不對稱，能夠產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩對于提高永磁同步電機的過載能力和功率密度有利。為了充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，內(nèi)置式永磁同步電機一般采用MTPA控制[1-3]。

最基本的MTPA控制策略包含直接公式計算法和查表法。直接公式計算法根據(jù)PMSM數(shù)學(xué)模型可以推導(dǎo)得到MTPA電流角的計算公式，但由于電機參數(shù)會在電機運行中發(fā)生變化，故公式計算得到的MTPA電流角存在誤差。查表法是事先通過大量測試得到一個電機不同運行狀態(tài)下電機參數(shù)和MTPA電流角的表格，優(yōu)點是可以避免參數(shù)變化帶來的實驗誤差，缺點是前期測試需要花費大量時間，并且得到表格不能在不同電機上遷移使用[4]。

為了避免電機參數(shù)變化帶來的誤差，一些研究者將直接公式計算法和模型參考自適應(yīng)、擴展卡爾曼濾波、最小二乘法等參數(shù)辨識方法結(jié)合了起來，提高了MTPA控制精度，但同時也增加了計算量[5]。文獻[6]通過注入諧波電流，根據(jù)測量的電機諧波轉(zhuǎn)速計算得到電機磁鏈與d-q軸電感差的比值，代入公式計算，提高了公式法的控制精度。文獻[7]引入前饋解耦補償環(huán)節(jié)，通過公式推導(dǎo)得到電機參數(shù)誤差量，代入計算，得到準確MTPA工作點。

近年來，一些研究者提出高頻信號注入MTPA控制，通過向永磁同步電機電流角注入一個正弦小信號，檢測電機輸入功率等信號波動并進行公式推導(dǎo)來獲得電磁轉(zhuǎn)矩對電流角偏導(dǎo)數(shù)，積分得到MTPA電流角[8-9]。

為了避免注入高頻信號帶來的轉(zhuǎn)矩脈動，額外損耗等問題。文獻[10]提出一種虛擬信號注入策略，虛擬信號注入僅用于計算得到MTPA工作點，并不實際注入到電路中。文獻[11]提出一種多虛擬信號注入策略，通過注入多路虛擬高頻信號，避免了原虛擬信號注入策略濾波器的使用，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能。

本文對虛擬信號注入策略和多虛擬信號注入策略進行研究，提出一種新的多虛擬信號注入策略，相比于原虛擬信號注入策略，將虛擬信號的四路注入減少到兩路，極大減少了計算量，具有一定的實用意義。

1 PMSM數(shù)學(xué)模型及MTPA控制

為了便于分析研究永磁同步電機，我們忽略電機鐵芯飽和、渦流和磁滯損耗等因素影響[12]。可以建立永磁同步電機d-q坐標系數(shù)學(xué)模型：

(1)

式中,ud、uq分別為電機d-q軸電壓，id、iq分別為電機d-q軸電流，Rs為電機定子電阻，ωe為電機電角速度，Ld、Lq分別為電機直軸電感和交軸電感，ψf為電機定子磁鏈。

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

(2)

式中，Te為電機電磁轉(zhuǎn)矩，p為電機極對數(shù)，is為電機定子電流矢量，β為電機電流角，即is與d軸之間夾角。

圖1 定子電流一定時，電磁轉(zhuǎn)矩與電流角關(guān)系

如圖2所示，電機恒轉(zhuǎn)矩曲線與電流圓相切的點即為MTPA工作點，這些工作點組合起來即是MTPA曲線。只有在MTPA工作點處才滿足?Te/?β=0,當β<βMTPA時，?Te/?β>0，當β>βMTPA時，?Te/?β<0。

圖2 MTPA曲線

2 多虛擬信號注入MTPA控制

2.1 傳統(tǒng)多虛擬信號注入MTPA控制

根據(jù)式(1)中電機d-q坐標系數(shù)學(xué)模型，我們可以得到：

(3)

將式(3)代入到電磁轉(zhuǎn)矩式(2)可以得到：

(4)

圖3 虛擬信號注入

(5)

代入式可以得到注入之后的電磁轉(zhuǎn)矩：

(6)

(7)

圖4 傳統(tǒng)多虛擬信號注入MTPA控制框圖

(8)

(9)

2.2 本文提出的多虛擬信號注入MTPA控制

相對于原多路虛擬信號注入MTPA控制，本文提出了一種新的多路虛擬信號注入方法，將原四路注入減少到兩路注入，極大地減少了原方法的計算量，注入方法如式(10)、式(11)所示。

(10)

(11)

圖5 本文提出的多虛擬信號注入MTPA控制框圖

(12)

(13)

(14)

(15)

3 仿真驗證

為了驗證本文所提多虛擬信號注入MTPA控制策略的有效性，在Simulink中建立模型進行仿真分析，仿真用永磁同步電機參數(shù)如表1所示。

表1 永磁同步電機參數(shù)

為對比本文所提出的多虛擬信號注入MTPA控制策略與傳統(tǒng)多虛擬信號注入MTPA控制策略的控制精度。仿真先采用傳統(tǒng)多虛擬信號注入控制策略，4 s時將控制策略改變?yōu)楸疚奶岢龅亩嗵摂M信號注入控制策略，改變控制策略的同時也改變電流角的初值，以驗證本文所提多虛擬信號注入策略能否得到正確的MTPA電流角，仿真結(jié)果如圖6所示。可以看出本文所提出的多虛擬信號注入策略可以通過計算迅速獲得MTPA電流角，與傳統(tǒng)多虛擬信號注入策略得到的MTPA電流角對比，在極大減少計算量的情形下，控制精度并沒有受到影響。

為驗證本文所提方法的動態(tài)響應(yīng)性能，仿真在4 s時突然變載，結(jié)果如圖7所示。可以看出，面對負載轉(zhuǎn)矩突變，轉(zhuǎn)速、d-q軸電流、電流角等狀態(tài)量可以迅速恢復(fù)穩(wěn)定。

圖6 本文提出的多虛擬信號注入策略與傳統(tǒng)多虛擬信號注入策略對比仿真結(jié)果

圖7 突加負載仿真結(jié)果

4 實驗驗證

搭建實驗平臺如圖8所示，其中標號1為控制板，控制芯片采用STM32F407IG，標號2為電流傳感器電路、編碼器信號采集、處理電路及逆變器驅(qū)動電路板，標號3為直流穩(wěn)壓電源，電壓采用100 V，標號4為實驗用永磁同步電機，實驗電機參數(shù)與仿真參數(shù)一致，標號5為負載電機，提供負載轉(zhuǎn)矩。

圖8 實驗平臺

圖9為電機在負載為7 Nm下，采用方法Iid=0控制、方法II直接公式法控制、方法III傳統(tǒng)多虛擬信號注入、方法IV本文提出多虛擬信號注入等四種不同控制策略下電機轉(zhuǎn)速、id、iq、電流角等物理量。為了使兩種多虛擬信號注入策略切換的實驗效果更加明顯，控制策略由方法III向方法IV切換時，將電流角初值設(shè)為pi/2，以驗證本文所提多虛擬信號注入MTPA控制策略的有效性。

表2為電機在負載為7 Nm下，這四種不同控制方法電機各物理量數(shù)值。可以看出，相比于直接公式計算法，多虛擬信號注入MTPA控制效果要更優(yōu)異。同時，相比傳統(tǒng)多虛擬信號注入策略，本文提出多虛擬信號注入策略在大幅減少計算量的情形下，MTPA精度不受影響。

圖9 不同控制方法電機各物理量

表2 不同控制方法電機各物理量數(shù)值

圖10是多虛擬信號注入下電機突然加減載實驗結(jié)果，可以看出，本文提出的多虛擬信號注入控制策略下，運行狀態(tài)改變之后，電機能夠很快達到新的穩(wěn)定點，找到新的MTPA電流角，控制策略的動態(tài)性能良好。

表3 兩種控制策略計算量對比

圖10 負載突變情形下實驗結(jié)果

為具體對比本文所提多虛擬信號注入與傳統(tǒng)多虛擬信號注入得到MTPA工作點電流角的計算量大小。本文使用STM32F407IG控制芯片進行測試，為更加準確直觀呈現(xiàn)實驗測試結(jié)果，同樣運行兩段程序1000次，記錄下程序運行時間，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，相比傳統(tǒng)多虛擬信號注入MTPA控制，本文所提出的多虛擬信號注入策略將四路注入減少為兩路注入，極大減少了運算量，具有較大的實用價值。

5 結(jié) 論

本文對傳統(tǒng)多虛擬信號注入MTPA控制方法進行了分析，提出了新的多虛擬信號注入MTPA策略。相比原多虛擬信號注入策略，信號注入由四路減少到兩路，極大地減小了運算量。仿真和實驗結(jié)果驗證了新的多虛擬信號注入MTPA控制策略的動靜態(tài)性能，同時證明了該策略可以在不影響MTPA控制精度的情形下顯著減少計算量，具有更好的實用價值。