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摘要：以效率优化作为内置式永磁同步电机（IPMSM）驱动系统控制目标，研究了IPMSM的最大转矩电流比控制（MTPA）系统，并分析了MTPA控制的不足。在传统效率优化控制算法基础上充分考虑分析铜耗、铁耗和杂散损耗影响，并考虑参数变化的二次补偿，提出新的损耗最小化控制策略，并对其实际应用进行了工程化简，兼顾了效率优化精度和工程实现性。
关键词：车用内置式永磁同步电机；效率优化；研究
内置式永磁同步电机（InteriorPermanentMagnetSynchronousMotor，IPMSM）驱动系统是一种新型的机电一体化电机调速装置，具有结构简单、可靠性高、功率密度较高和动态响应极快、优良的磁阻转矩性能等诸多优点。优异的性能使其成为电动汽车应用的研究重点。提高IPMSM的效率可以在一定程度上解决制约电动汽车发展的续航里程问题，是推广电动汽车应用的重要研究方向。本文提出了一种改进的损耗最小控制策略LMC，基于损耗模型的原理较为简单明了，建立了较为精确的损耗模型后就能通过计算保证在全速度范围内实现全局的效率最优化，相对于MTPA控制，LMC控制不仅提升了效率，还扩展了优化控制范围。
一、IPMSM损耗分析
由于机械损耗与电机的电流和磁链大小无关，在给定转矩和转速的情况下不可控，故在本研究中不作考虑。在本文研究的电机系统损耗包括铜耗PCu、铁损PFe和杂散损耗Pstr三大部分，在d、q坐标系下，电机的总损耗可表示如式（1）所示：
为了提升电机运行效率，，即减小损耗功率，在各类损耗中，铜损和杂散损耗都是主要由定子电流的大小来决定的，所以在转矩及转速一定时减小定子电流幅值能减小铜耗与杂散损耗；但铁损取决于频率和磁密等因素。因此在IPMSM系统中考虑效率优化时，要综合考虑各种损耗因素的影响，确定最佳的id、iq电流组合，从而使总的损耗最小，才能提高系统整体的效率。
二、LMC策略
本质上损耗最小化问题是一个约束优化问题。即在该损耗功率模型框架下，于电压限制椭圆和电流限制圆内寻找交－直轴电流i*d、i*q组合而达到指令的转矩和速度的输出，符合转矩转速指令的组合有无数种情况，然而需要找到且使得式（2）的Pt（id，iq）取到最小值的只有一个最优解。
一个四阶方程的求解是很复杂且难以实现的，下面将对该高阶方程进行近似化简，包括两个步骤：（1）考虑到高速IPMSM电感值很小从而式（5）中高次项系数A、B很小，经实际计算发现系数A、B在10－14数量级，而系数C为10－9数量级，D为10－7数量级，E为10－4数量级，所以相比之下可以忽略A、B，从而通过对多项式进行降阶至解二阶方程Ci2d+Did+E=0，求得近似解id1、iq1：
LMC的核心算法取指令转速和指令转矩为输入变量，经过式（8）和式（9）计算得到优化解组合（id2，iq2），直接输出（id2，iq2）作为参考指令电流（i*d，i*q）。输出参考电流指令i*d、i*q为dq旋转坐标系下的值，需经过坐标转换再作为SVPWM生成模块的输入来产生逆变器控制信号。
三、仿真结果及效率优化分析仿真
在MATLAB/Simulink环境下搭建，所用的电机为三相三对极IPMSM，具体参数如表1所示
选取IPMSM在2600r/min的给定转速下空载起动，待电机转速达到稳定值后，在第0．3s突加额定133N·m的负载，观察电机在LMC控制策略下，系统运行的静态和动态响应性能，证实LMC策略的效果。可知，起动时电机保持较大转矩输出，保证了在起动阶段较大的加速度，加速到指定转速后，输出电磁转矩准确跟踪负载转矩指令值，验证了驱动系统良好的转矩输出能力。同时在系统稳定后IPMSM的输入输出功率也趋于稳定，损耗功率约为3000W，效率在90%以上。另选取IPMSM在高速6000r/min的指令转速下空载起动，待电机转速稳定值后，在第0．3s突加20N·m的负载转矩，观察电机运行的动态性能，此外LMC系统在转速特别高的恒功率运行区间同样具有良好性能。且在系统稳定后IPMSM的损耗功率也趋于稳定，此时损耗功率为200W左右。
对比相关数据可知，LMC算法求得的i*d比MTPA算法求得的i*d绝对值偏大，即磁阻转矩利用得更多，而系统的总损耗要略小，系统效率相较提高了0．03～2个百分点。分析不同转矩下的数据更可以发现，转矩越大的情况下指令电流的差别越明显，而在小负载时两者差别甚微，这是因为在靠近dq轴坐标原点附近MTPA轨迹曲线与LMC轨迹很近。不同的是转矩达到140N·m以及更大后MTPA控制系统会出现振荡失稳，即LMC策略中电压限制椭圆边界解的点在MTPA中是无法达到的。即说明LMC算法相较于MTPA算法有更广的效率优化控制区间，这是也是LMC第二点优势所在。
总之，本文即依托IPMSM于电动汽车应用的背景，从减小总的损耗功率角度出发，提出一种改进的损耗最小控制策略（LMC），对计算得到的优化解析解进行化简使其适用于工程实际，同时保证简化后的控制精度仍保持较高。通过MATLAB/Simulink仿真工具对LMC
算法进行了理论验证，结果表明，LMC算法不仅对IPMSM损耗功率的抑制具有明显的效果，系统效率得到了提高，而且拓展了效率优化的控制区间，补偿了参数变化的影响。
参考文献
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论文作者:杨旭东
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/7
标签：转矩论文; 永磁论文; 效率论文; 转速论文; 电流论文; 系统论文; 电机论文; 《建筑学研究前沿》2018年第17期论文;