電動汽車六相永磁同步電機的控制策略研究

曾華娟

摘 要：空間矢量解耦模型的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)電機的完全解耦控制。依據(jù)Simulink中的電機控制模型，比較了和最大扭矩電流比（MTPA）這兩種控制策略的進行仿真對比分析。的控制方法雖然簡單易行，但是電機運行期間熱損失較大，而且無法充分利用磁阻扭矩，電機效率低下。MTPA控制下的電機能充分利用磁阻扭矩部分，具有較高的扭矩輸出特性，熱損失較小，是控制凸極電機的首選方法。

關(guān)鍵詞：六相永磁同步電機 空間矢量解耦 磁阻扭矩 最大扭矩電流比

1 引言

六相永磁同步電機具有扭矩輸出能力高、轉(zhuǎn)矩脈動小、效率高、可靠性高等優(yōu)點，但因其價格較高，結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，還未得到大范圍的推廣。因此本文對六相永磁同步電機控制策略進行研究，為六相永磁同步電機在電動汽車領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用有很大的意義。

2 矢量空間解耦（VSD）下的電機模型

矢量空間解耦（VSD）下的電機模型方法是將兩個三相繞組視為一個整體，然后將電機的各個變量根據(jù)不同的諧波頻率映射到不同的坐標(biāo)系中。這種建模方法稱為矢量空間解耦[1]。

電機電磁扭矩公式如下所示

為了建立電機的數(shù)學(xué)模型，還必須考慮扭矩平衡，扭矩平衡方程

這里表示電機的轉(zhuǎn)動慣量，表示電機負(fù)載扭矩，表示電機的機械角速度，P表示電機極數(shù)。

VSD電機模型是將六相永磁同步電機視為一個整體，不同頻率的諧波分量被映射到不同的子空間中，從而使基波與諧波完全分離，使得電機扭矩輸出和磁場控制完全解耦。這種解耦特性使得VSD變換成為實現(xiàn)六相永磁同步電機電機控制器的設(shè)計和對諧波電流補償?shù)氖走x方案[2]。利用Matlab/Simulink建立六相永磁同步電機模型[3]，如圖1所示。

3 六相永磁同步電機id=0的控制策略

永磁同步電機的磁場定向中，忽略磁阻效應(yīng)，即控制是電機控制中最簡單的一種控制方法[4]。永磁同步電機相當(dāng)于一個他勵直流電機，發(fā)動機定子電流只有q軸分量，沒有對軸弱磁分量。電機的定子磁鏈?zhǔn)噶亢陀来糯沛準(zhǔn)噶吭诳臻g上相互正交。

根據(jù)公式1-1，發(fā)動機的電磁轉(zhuǎn)矩與q軸電流成正比，即

為了保持電機的轉(zhuǎn)速，必須控制發(fā)動機產(chǎn)生的瞬時扭矩。在的情況下，電機扭矩只與q軸的電流相關(guān)，因此可以通過轉(zhuǎn)速環(huán)直接獲得相應(yīng)的q軸電流。相應(yīng)的在Simulink中建立了電機控制流程圖１如下所示。

Simulink中電機在額定轉(zhuǎn)速和額定負(fù)載下進行仿真，電機參數(shù)設(shè)置如表1所示。

在的控制下，轉(zhuǎn)速n， d-q軸電流和以及扭矩的模擬結(jié)果如圖4所示

如圖3a 所示，在第一階段啟動時電機處于加速階段，轉(zhuǎn)速持續(xù)上升，此時電機扭矩輸出最大，（圖3c）。q軸上的電流值也達到電機所允許的最大電流值，（圖3b）第二階段，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速達到給定速度時，速度保持在3000/min，此時=0A，=236A，=236A。通過比較圖3b中的和圖3c中的電磁轉(zhuǎn)矩的曲線，直觀地表現(xiàn)了電機電磁轉(zhuǎn)矩與成正比的關(guān)系。這里使用的永磁同步電機參數(shù)，即電機有磁阻效應(yīng)。在使用=0控制策略的情況下，并不能利用到這一部分的磁阻扭矩，因此=0的控制不是內(nèi)置式永磁同步電機（）的最佳控制策略。

4 最大電流扭矩比（MTPA）六相永磁同步電機的控制策略

當(dāng)電機轉(zhuǎn)速較低時，電機功率的損失主要集中在定子的銅損上。銅損耗通常與電機電流的平方成正比，逆變器的開關(guān)損耗和渦流損耗也隨著電流的增大而增大。因此，為了提高電機效率，在給定扭矩下，電流應(yīng)盡可能小[5]。根據(jù)電機電磁扭矩公式1-1與借助拉格朗日乘子，則得到函數(shù)公式

其中p代指電機的極對數(shù)，作為拉格朗日乘子。

對電流和求偏導(dǎo)，

由上述兩個公式，則得到和之間的關(guān)系，即

將公式3-3代入到扭矩公式1-1，則q軸電流和扭矩之間的關(guān)系如下

根據(jù)扭矩直接求出最優(yōu)的q軸電流值。再將帶入到公式3-3中，得到在任一扭矩下的最大電流分配方案。最大扭矩電流比（MTPA）控制的流程圖如圖4所示

電機在參數(shù)表1下使用MTPA控制理論也進行相應(yīng)的仿真模擬，如圖6所示。

與的控制策略類似，電機首先加速到指定的速度n=3000/min，然后電機保持這個轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。在電機穩(wěn)定運行時，，，總電流。在控制下，總電流。對比發(fā)現(xiàn)，MTPA控制下的電流值流較小。同時在加速過程中，MTPA的最大電磁轉(zhuǎn)矩可達到758 Nm，這與控制時的748 Nm相比，也有所增加。

圖6展示了MTPA和控制的電流矢量曲線。由圖中的電流曲線也能明顯的觀察到，在恒定扭矩下，MTPA控制下的電流值要小于控制。

在電機控制中，控制是一種最簡單的控制方法。該方法將永磁交流電機等效成一個他勵直流電機，電機控制算法簡單不存在弱磁控制環(huán)節(jié)，易于實現(xiàn)。但是其主要缺點是無法有效利用電機的磁阻扭矩，導(dǎo)致相同的扭矩輸出下電流值較大，相應(yīng)的熱損失升高，電機的整體效率降低。但對于隱極式永磁同步電機，其，不存在磁阻效應(yīng)，此時的控制與MTPA控制方法效果相同。

與相比，凸極永磁同步電機（）在MTPA控制下，可以在相同的扭矩輸出下實現(xiàn)最小的相電流。較小的電流值能夠有效減少電機的銅損和逆變器功率開關(guān)器件的開關(guān)和導(dǎo)通損耗，熱損失也相對較小，提高了電機的整體效率。這些特性使MTPA成為控制凸極電機的首選方法。因此，MTPA控制能充分利用磁阻扭矩部分，具有較高的扭矩輸出能力，對于具有磁阻效應(yīng)的永磁同步電機，MTPA是一種更具優(yōu)勢的控制方法。

參考文獻：

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[3]李風(fēng)輝.電動汽車用多相容錯永磁同步電機的研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2017.05.

[4]徐宏達.雙三相永磁同步電機控制策略研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.06.

[5]趙博. 基于弱磁控制的純電動車用PMSM調(diào)速系統(tǒng)研究[J].長安大學(xué)， 2020.04.