内嵌式永磁同步电机MTPA曲线拟合方法及控制系统与流程

本发明属于电机控制技术领域，涉及内嵌式永磁同步电机的最大转矩电流比(maximumtorqueperampere，mtpa)曲线拟合方法，及内嵌式永磁同步电机的mtpa控制系统。本发明解决的问题是提出了一种计算简单，精度较高，又实用可靠的基于内嵌式永磁同步电机(interiorpermanentmagnetsynchronousmotor，ipmsm)的mtpa曲线拟合方法和控制系统。

背景技术：

近年来，随着社会各界对环保问题的重视，以高效节能、实用可靠、及强鲁棒性等特点的内嵌式永磁同步电机成为了各行各业关注的热点，更是在工业智能机器人、新能源电动汽车等领域得到了大力的推广。

永磁同步电机具有结构简单、功率密度高，输出效率高的特点，由其构成的高性能驱动控制系统得到了广泛的应用；与表贴式永磁同步电机不同，内嵌式永磁同步电机具有交、直轴电感不等，调速范围较宽，更适合于相对恶劣的环境下持续运转。

针对内嵌式永磁同步电机交、直轴电感不等的特性，通过控制电流，以追求单位电流输出最大转矩的控制，即最大转矩电流比(mtpa)控制，得到了业界的普遍运用；在一定的转矩需求时，只需要输入最小的定子电流，以降低电机及控制器的损耗，从而提高了系统效率。

现有技术方案：

内嵌式永磁同步电机的转矩，主要由永磁转矩和电感不等特性的磁阻转矩组成，mtpa控制主要在于磁阻转矩的调节利用。一般地，mtpa控制主要依据构成mtpa曲线的转矩及电流参数，而mtpa曲线的拟合主要有公式计算法、仿真分析法，实验测试法三种方法。

公式计算法较为简单，依据转矩计算公式进行条件求解，但对电机本体的参数依懒较强，拟合的曲线精度较差；仿真分析法较为容易，参考电机厂家根据电机设计模型给出的仿真数据，但与实际系统的真实数据存在偏差，拟合的曲线精度一般；实验测试法操作繁杂，且测试参数较多，需要依据电机各转速及电流状态下实测的参数和数据，拟合的曲线精度较高。

目前，较常使用且实用的方法是公式计算法和实验测试法；对精度要求不高的场合，使用公式计算法；反之，则大多使用实验测试法。不难发现，现有内嵌式永磁同步电机的mtpa曲线拟合方法，存在以下弊端：

现有的mtpa曲线拟合方法不能很好地同时兼顾计算和精度要求。

技术实现要素：

针对现有方案的不足，本发明提出了mtpa曲线的综合拟定法，它结合了公式计算法与实验测试法各自的优点，找到了一种计算简单，精度较高，又实用可靠的基于内嵌式永磁同步电机的mtpa曲线拟合方法和控制系统。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

⑴拟定内嵌式永磁同步电机mtpa曲线

根据实验测得的电机空载反电动势和转速，求取电机转子永磁磁链；

控制igbt(insulatedgatebipolartransistor)输出交、直轴电流，测得电机交轴电感与交轴电流，及直轴电感与直轴电流对应关系的实验数据；

依据满足mtpa条件的转矩与交轴电流的计算公式，通过给定交轴电流，得到数个等间隔的转矩数值，并按照符合mtpa条件的交、直轴电流关系，求得对应转矩下的直轴电流；

依据得到的零至最大转矩的数个等间隔转矩数值，拟定出转矩与交、直轴电流关系的mtpa曲线。

⑵依据mtpa曲线创建转矩控制系统

依照交、直轴电感与交、直轴电流，转矩与交、直轴电流关系的数据创建四个一维数组，通过数组查表、线性插值算法，及磁场定向的闭环矢量控制，建立符合mtpa控制策略的、计算简单、精度较高、实用可靠的转矩控制系统。

作为优选方式，极对数为4，额定转速为1600rpm，额定转矩为358nm，最大转矩为1200nm，额定功率为60kw，最大功率为90kw的内嵌式永磁同步电机的mtpa曲线拟合方法的具体步骤如下：

⑴依据内嵌式永磁同步电机转矩计算公式：

te＝1.5p[ψfiq+(ld－lq)idiq]

其中：te为电机转矩，p为电机极对数，ψf为电机转子永磁磁链，ld为直轴电感，lq为交轴电感，id为直轴电流，iq为交轴电流；当电机选定后，p为常量；在忽略温度等因素对转子磁链影响的情况下，ψf亦为常量；ld和lq具有电流饱和特性，并非常量，分别随id和iq的变化而变化，因此需要根据实验，对ld和lq的值进行测量；由此可见，te其实是ld、lq、id，及iq的函数。

⑵依据内嵌式永磁同步电机在空载运行下，有：

ψf＝e0/ω

其中：ψf为电机转子永磁磁链；e0为当前转速下的空载反电动势；ω为当前的电机转速。通过实验，测出各转速下对应的电机转子永磁磁链，并取算术平均值，求得当前电机的ψf为0.3814852wb。

⑶依据电机转子磁场定向求解交、直轴电感与交、直轴电流的关系

通过电机位置传感器，完成对电机转子的磁场定向，并锁定转子磁极位置，控制igbt分别施加iq和id，测出对应的随iq、id变化的lq、ld关系数据；依据电机的运转工况，可测试满足定子电流从零至峰值电流情况下的lq-iq、ld-id数据曲线。

为了减小单片机运算量，需要将测试的lq-iq、ld-id数据进行预处理，通过线性插值、算术平均，及最小二乘法等算法，求得id、iq等间隔电流数值下的ld与lq数据。

⑷依据满足mtpa条件的转矩、电流计算公式：

其中，p为常量，且通过前面的计算和测试，ψf、ld、lq均已成为已知量；考虑到ld-id、lq-iq的联动关系，设定ld为某一固定数值，并引入随设定iq动态变化的lq自动求解算法；由此，可求得等转矩间隔数值下的多组te-iq、lq关系数据。

⑸依据符合mtpa条件的id-iq关系：

在设定ld为固定数值时，由此计算公式可以根据动态的iq反推得到动态的id；即，可求得等转矩间隔数值下的多组te-iq、lq、id、ld关系数据。

但考虑到ld并非常量，因此，还需要通过迭代算法，将ld-id关系数据代入到前面设定ld为固定数值的关系中；在满足最大误差要求的条件下，经过多次迭代，可最终求得真正意义上的，符合mtpa控制策略的等转矩间隔数值下的多组te-iq、lq、id、ld关系数据。

⑹依据te-iq与te-id关系数据拟合mtpa曲线

由上可知，设定不同的iq，会对应不同的te-iq、lq、id、ld关系数据；考虑到电机运行的整个范围，我们通过设定iq，生成了从零转矩至最大转矩1200nm等转矩间隔数值的多组te-iq、lq、id、ld关系数据，最终由te-iq与te-id数据拟合出了mtpa曲线。

在极对数为4，额定转速为1600rpm，额定转矩为358nm，最大转矩为1200nm，额定功率为60kw，最大功率为90kw的内嵌式永磁同步电机的mtpa曲线拟合方法的基础上，依照交、直轴电感与交、直轴电流，转矩与交、直轴电流关系的数据创建四个一维数组，通过数组查表、线性插值算法，及磁场定向的闭环矢量控制，建立符合mtpa控制策略的、计算简单、精度较高、实用可靠的转矩控制系统。

作为优选方式，mtpa策略控制系统的创建过程为：

⑴创建lq-iq、ld-id一维数组

通过实验测试，并经过数据处理，依据等间隔电流数值的交、直轴电感与交、直轴电流的关系数据，分别创建lq-iq、ld-id的两个一维数组，用于单片机运算时的查表和插值运算。

⑵创建te-iq、te-id一维数组

依据经过运算处理得到的符合mtpa控制策略的等转矩间隔数值的te-iq与te-id关系数据，分别创建te-iq与te-id的两个一维数组，用于给定转矩情况下的iq和id查表和插值运算。

⑶创建te-ω电机外特性一维数组

依据电机设计的外特性曲线，拟定内嵌式永磁同步电机的恒转矩及恒功率的转速交变区域，并由此转速交变点创建te-ω电机外特性一维数组，用于给定转矩时，实际输出的转矩限幅。

⑷搭建基于转子磁场定向的闭环矢量控制

给定转矩te，经过电机外特性限幅、mtpa查表和线性插值输出交、直轴给定电流iq、id，与经过转子磁场定向和克拉克(clark)、派克(park)坐标变换的交、直轴反馈电流，lq、ld动态查表、及pi调节器，park、clark坐标反变换、空间矢量脉宽调制(spacevectorpulsewidthmodulation，svpwm)，最终由igbt控制ipmsm完成电机的电流和转矩闭环矢量控制。

本发明的有益效果是：

1)针对公式计算法精度不高，实验测试法操作繁杂、测试参数较多的问题，提出了一种能兼顾计算和精度要求的mtpa曲线综合拟定法；

2)提出了一种基于多自变量，存在交、直轴电流与交、直轴电感耦合联动情况时，依据mtpa计算公式求解转矩所需电感的迭代算法，简化了转矩求解的复杂程度，提高了转矩控制的精度；

3)以mtpa曲线综合拟定法为基础，创建电流与电感、转矩与电流的一维数组，通过查表和插值算法，并结合电机外特性转矩限幅处理，实现了一种计算简单、精度较高、实用可靠的基于mtpa策略的转矩闭环矢量控制系统。

附图说明

图1为内嵌式永磁同步电机的mtpa曲线拟合方法的流程图；

图2为内嵌式永磁同步电机的mtpa策略控制系统结构框图；

图3为一种内嵌式永磁同步电机的mtpa拟合曲线。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

⑴拟定内嵌式永磁同步电机mtpa曲线

根据实验测得的电机空载反电动势和转速，求取电机转子永磁磁链；

控制igbt输出交、直轴电流，测得电机交轴电感与交轴电流，及直轴电感与直轴电流对应关系的实验数据；

依据满足mtpa条件的转矩与交轴电流的计算公式，通过给定交轴电流，得到数个等间隔的转矩数值，并按照符合mtpa条件的交、直轴电流关系，求得对应转矩下的直轴电流；

依据得到的零至最大转矩的数个等间隔转矩数值，拟定出转矩与交、直轴电流关系的mtpa曲线。

⑵依据mtpa曲线创建转矩控制系统

依照交、直轴电感与交、直轴电流，转矩与交、直轴电流关系的数据创建四个一维数组，通过数组查表、线性插值算法，及磁场定向的闭环矢量控制，建立符合mtpa控制策略的、计算简单、精度较高、实用可靠的转矩控制系统。

通过转矩给定，并根据当前电机实时转速，得到经电机外特性限幅的输出转矩；将限幅后的输出转矩作为mtpa查表的转矩输入，依据创建的转矩与交、直轴电流关系数组，可以获得到此转矩下对应的交、直轴电流给定；在电机转子位置，即转子磁场定向的基础上，给定与反馈的交、直轴电流偏差经独自的pi调节器可输出交、直轴的电压分量；经park、clark坐标反变换和svpwm后，得到可以控制igbt输出的六路电压空间矢量pwm，在igbt的控制下，ipmsm依据当前给定的转矩运行；同时，通过反馈的ipmsm相电流及电机转子位置，最终形成基于转子磁场定向的转矩闭环控制系统。

在一个优选实施例中，下面结合图1所示的内嵌式永磁同步电机的mtpa曲线拟合方法的流程图，及图2所示的内嵌式永磁同步电机的mtpa策略控制系统结构框图，以一个极对数为4，额定转速为1600rpm，额定转矩为358nm，最大转矩为1200nm，额定功率为60kw，最大功率为90kw的内嵌式永磁同步电机为例，阐述一种内嵌式永磁同步电机的mtpa曲线拟合方法及控制系统的原理和步骤：

⑴依据内嵌式永磁同步电机转矩计算公式：

te＝1.5p[ψfiq+(ld－lq)idiq]

其中：te为电机转矩，p为电机极对数，ψf为电机转子永磁磁链，ld为直轴电感，lq为交轴电感，id为直轴电流，iq为交轴电流；当电机选定后，p为常量；在忽略温度等因素对转子磁链影响的情况下，ψf亦为常量；ld和lq具有电流饱和特性，并非常量，分别随id和iq的变化而变化，因此需要根据实验，对ld和lq的值进行测量；由此可见，te其实是ld、lq、id，及iq的函数。

⑵依据内嵌式永磁同步电机在空载运行下，有：

ψf＝e0/ω

其中：ψf为电机转子永磁磁链；e0为当前转速下的空载反电动势；ω为当前的电机转速。通过实验，测出各转速下对应的电机转子永磁磁链，并取算术平均值，求得当前电机的ψf为0.3814852wb。

⑶依据电机转子磁场定向求解交、直轴电感与交、直轴电流的关系

通过电机位置传感器，完成对电机转子的磁场定向，并锁定转子磁极位置，控制igbt分别施加iq和id，测出对应的随iq、id变化的lq、ld关系数据；依据电机的运转工况，可测试满足定子电流从零至峰值电流情况下的lq-iq、ld-id数据曲线。

为了减小单片机运算量，需要将测试的lq-iq、ld-id数据进行预处理，通过线性插值、算术平均，及最小二乘法等算法，求得id、iq等间隔电流数值下的ld与lq数据。

⑷依据满足mtpa条件的转矩、电流计算公式：

其中，p为常量，且通过前面的计算和测试，ψf、ld、lq均已成为已知量；考虑到ld-id、lq-iq的联动关系，设定ld为某一固定数值，并引入随设定iq动态变化的lq自动求解算法；由此，可求得等转矩间隔数值下的多组te-iq、lq关系数据。

⑸依据符合mtpa条件的id-iq关系：

在设定ld为固定数值时，由此计算公式可以根据动态的iq反推得到动态的id；即，可求得等转矩间隔数值下的多组te-iq、lq、id、ld关系数据。

但考虑到ld并非常量，因此，还需要通过迭代算法，将ld-id关系数据代入到前面设定ld为固定数值的关系中；在满足最大误差要求的条件下，经过多次迭代，可最终求得真正意义上的，符合mtpa控制策略的等转矩间隔数值下的多组te-iq、lq、id、ld关系数据。

⑹依据te-iq与te-id关系数据拟合mtpa曲线

由上可知，设定不同的iq，会对应不同的te-iq、lq、id、ld关系数据；考虑到电机运行的整个范围，我们通过设定iq，生成了从零转矩至最大转矩1200nm等转矩间隔数值的多组te-iq、lq、id、ld关系数据，最终由te-iq与te-id数据拟合出了mtpa曲线。

按照以上步骤，依据本实施例拟定的内嵌式永磁同步电机的mtpa拟合曲线，如图3所示。

mtpa策略控制系统的创建过程为：

⑴创建lq-iq、ld-id一维数组

通过实验测试，并经过数据处理，依据等间隔电流数值的交、直轴电感与交、直轴电流的关系数据，分别创建lq-iq、ld-id的两个一维数组，用于单片机运算时的查表和插值运算。

⑵创建te-iq、te-id一维数组

依据经过运算处理得到的符合mtpa控制策略的等转矩间隔数值的te-iq与te-id关系数据，分别创建te-iq与te-id的两个一维数组，用于给定转矩情况下的iq和id查表和插值运算。

⑶创建te-ω电机外特性一维数组

依据电机设计的外特性曲线，拟定内嵌式永磁同步电机的恒转矩及恒功率的转速交变区域，并由此转速交变点创建te-ω电机外特性一维数组，用于给定转矩时，实际输出的转矩限幅。

⑷搭建基于转子磁场定向的闭环矢量控制

给定转矩te，经过电机外特性限幅、mtpa查表和线性插值输出交、直轴给定电流iq、id，与经过转子磁场定向和clark、park坐标变换的交、直轴反馈电流，lq、ld动态查表、及pi调节器，park、clark坐标反变换、svpwm调制，最终由igbt控制ipmsm完成电机的电流和转矩闭环矢量控制。

控制系统的转矩控制精度，与ψf电机转子永磁磁链、ld直轴电感、lq交轴电感，及电机转子磁场定向的实时位置角度密切相关；除此之外，电机温度、低速时的定子电阻压降等也会对转矩精度产生一定的影响。

通过转矩转速传感器测试验证，以mtpa曲线综合拟定法为基础，搭建的该控制系统的转矩测试精度能达到满量程的1﹪至2﹪，在电机转子磁场定向较好、实验参数测量较准的情况下，可以达到满量程1﹪以内的控制精度；同时，也验证了该控制系统是一个计算简单、精度较高、实用可靠的符合mtpa策略的转矩闭环矢量控制系统。

本发明关键点和保护点是：

1)本发明提出了一种计算简单，精度较高，又实用可靠的基于内嵌式永磁同步电机的mtpa曲线拟合方法和控制系统。其特征在于针对现有方法的不足，提出了能兼顾计算和精度要求的mtpa曲线综合拟定法；并以此为基础，实现了一种计算简单、精度较高、实用可靠的基于内嵌式永磁同步电机mtpa策略的转矩闭环矢量控制系统。

2)本发明提出了一种依据等电流数值间隔的交、直轴电感与交、直轴电流关系进行数据查表和插值的算法，简化了求取电感的计算量和单片机实时的运算量，提高了系统的运行效率。

3)本发明提出了一种依据等转矩数值间隔的转矩与交轴电流，及转矩与直轴电流关系进行数据查表和插值的算法，简化了求取转矩的计算量和单片机实时的运算量，提高了系统的运行效率。

4)本发明提出了一种基于多自变量，存在交、直轴电流与交、直轴电感耦合联动情况时，依据mtpa计算公式求解转矩的电感迭代算法，简化了转矩计算的复杂程度，提高了转矩控制的精度。

5)本发明提出了一种在给定转矩至mtpa查表过程之间，增加电机外特性转矩限幅的处理，最大限度地避免了控制中容易出现过流故障的潜在风险，为基于转子磁场定向的闭环矢量控制和igbt正常运行提供了双重保护，提高了控制系统的可靠性、安全性和鲁棒性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。