基于MTPA的电动汽车用同步磁阻电机控制

高健

（浙江大学工程师学院，杭州 310015）

GAO Jian

(Polytechnic Institute,Zhejiang University,Hangzhou310015,China)

1 引言

随着环境污染的日益严峻，燃料能源日渐短缺，电动汽车由于其能耗低、污染小等优点已成为汽车工业发展的重要方向[1]。而电驱动系统作为电动汽车整车的核心部分，其硬件结构设计和控制理论方法的研究是提高电动汽车驱动性能的关键[2]。

同步磁阻电机（SynRM），是一种完全使用磁阻转矩的同步电机，其结构简单，制造成本低，安全性能良好，相比于感应电机，SynRM的功率密度和效率更高，此外，SynRM没有永磁体，能够更容易实现弱磁控制，适应高速运行，因此，SynRM可以满足电动汽车运行对驱动电机的苛刻要求[3]。

同步磁阻电机（SynRM）与永磁同步电机控制系统在硬件结构和控制原理上差异不大，常用的控制方法主要有以下四种[6]：最大转矩/电流比控制（MTPA）、最大功率因数控制、最大转矩变化率控制、恒定磁场电流控制。在能源利用要求高效率的应用场合，如电动汽车驱动，MTPA是较合理的一种控制方法，实际上也是应用最广泛的，也是本文采用的主要控制方法。NIAZI P等[7]给出了MTPA控制的系统框图，并详细介绍了基于PMa-SynRM数学模型的MTPA控制方法，通过在电机运行约束条件下求极值，推导出控制需要的d/q轴电流及最大转矩与电机相电流相位角之间的数值关系。杨超等[8]研究了实际电机运行中，电机定子电阻、磁场和电感会随着温度和气隙磁场的变化而发生改变，进而影响到MTPA控制效果，对电机进行实时的参数辨识能够让MTPA取得更好的控制效果。

本文对同步磁阻电机控制系统硬件模块进行设计，并采用MTPA矢量控制方法实现了对同步磁阻电机的控制，验证了该控制系统的可行性。

2 同步磁阻电机数学模型

同步磁阻电机转子结构比较特别，无需励磁，由于其交、直轴磁阻不等，在定子励磁的情况下，交、直轴的磁路将会产生磁阻差异，从而得到驱动电机的磁阻转矩[4]。一般将转子结构中磁导较大的轴定义为d轴，磁导较小的轴定义为q轴[5]。常规同步磁阻电机的dq方程是：

式中：Tem为电磁转矩；p为极对数；Be为电角速度摩擦阻尼系数；ωe为电角速度；J为系统转动惯量；TL为负载转矩；Ld和Lq分别为直轴、交轴电感；ud和uq分别为直轴、交轴电压。

转矩公式（3）可改写为：

式中：Im为电流矢量幅值；θ为电流矢量与d轴的夹角即为电流角。

忽略电机磁链饱和效应，由公式（3）的转矩方程可知，当电流角θ=45°，可得最大电磁转矩Tem。

最大转矩电流比控制（MTPA）转子磁场定向矢量控制如图1所示，通过转速、电流闭环得到给定电压值ud和uq。

图1 MTPA矢量控制框图

3 实验验证

实验平台如图2所示，档位开关控制电机的转向，油门与刹车控制电机的启停，测功机模拟实际的工况进行加载。

图2 所用实验平台

实验所用电机参数如表1所示，三相同步磁阻电机实验系统结构框图如图3所示。

表1 电机额定参数

图3 三相同步磁阻电机实验系统结构框图

图4 三相同步磁阻电机空载启动波形图

图4是三相同步磁阻电机空载启动过程波形图，从波形可以看出电机启动平稳，达到设定的转速1000rpm后，能稳定运行。

图5 三相同步磁阻电机加/减载波形图

图5是三相同步磁阻电机加/减载过程波形图，从波形可以看出，电机载加/减载过程中有着很好的动态性能，转速能够稳定在1000rpm，从实验波形可知，该电机控制器能够使同步磁阻电机良好的运行。

4 结论

①本文设计了适用于电动汽车的同步磁阻电机的控制器；

②采用MTPA矢量控制算法对同步磁阻电机进行控制，实验结果证明，软、硬件的设计能够较好地实现对同步磁阻电机的启动和运行；

③三相同步磁阻电机运行时，电机参数会随着电机温升和工况发生变化，无法在电流角θ=45°时实现MTPA控制，有必要进行实时的参数辨识。