一種永磁同步電機最大轉矩電流比控制方法及控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種永磁同步電機最大轉矩電流比控制方法及控制系統，該方法包括：基于Ansoft軟件建立永磁同步電機的模型，對模型的各參數進行賦值；對模型進行求解，得到電磁場的各物理量；對模型的合理性進行驗證，分析永磁同步電機的磁路結構是否合理；對參數變化瞬態進行仿真，得到輸出轉矩的波形圖。該系統包括：電機模型建立單元、模型求解單元、模型合理性驗證單元以及輸出轉矩波形仿真單元。本發明的永磁同步電機最大轉矩電流比控制方法及控制系統，能夠實現永磁同步電機輸入電流與輸出轉矩的快速分析，無需進行復雜運算，便于工程應用。
【專利說明】
-種永磁同步電機最大轉矩電流比控制方法及控制系統
技術領域
[0001] 本發明設及電機矢量控制技術領域，特別設及一種永磁同步電機最大轉矩電流比 控制方法及控制系統。
【背景技術】
[0002] 傳統汽車尾氣的大量排放迫使人們追求更加清潔的能源，電動汽車W其清潔環保 的特點，受到世界各國的關注。但電動汽車獨有的運行方式，要求電動汽車發動機的轉矩必 須具有良好的平穩性，如果轉矩的波動較大就會在實際的駕駛過程之中發生抖動，影響駕 駛的體驗，也不利于電機的穩定運行。
[0003] 永磁同步電機的調速系統是保證電機良好運行的重要方面，與永磁同步電機轉矩 密切相關，在永磁同步電機調速系統中，電機定子電流是一個矢量，其幅值決定電流矢量的 大小，相位決定電流矢量的方向，而調速控制中，主要是對電機定子電流的幅值和相位進行 控制，也就是所謂的矢量控制。由永磁同步電機的數學模型可知，在d、q軸旋轉坐標系下，永 磁同步電機的電磁轉矩可W表示為
[0004]
C 1 )
[000引式中：P為極對數，恥為永磁體磁鏈，id、id為d、q軸電流，Ld、Lq為d、q軸等效電感。從 式（1)可W看出，在PMSM的模型參數如交直軸電感和永磁磁鏈已知的基礎上，控制id、iq便可 W控制電機的轉矩，而id、iq又是由定子電流的空間矢量is的幅值和相位決定的，即
[0006]
( 2 )
[0007]其中Is為定子電流幅值，丫為定子磁鏈與永磁體產生的氣隙磁場間的空間電角 度。
[000引一般來說，電機應用的場合不同，所要求的控制精度和系統性能也會有較大差異， 運時就應根據各種不同的電流矢量控制方式的特點，選擇合適的方法，最大轉矩電流比 (MTPA)控制是常見的矢量控制方法。對于內置式永磁同步電機，由于其轉子磁路結構不對 稱性，使得交直軸電感不相等，且一般來說Ld<Lq。由式（1)可知，如果合理的控制id的大小便 可利用磁阻轉矩提高電機的功率密度W及過載能力。為此，常采用的一種控制方法就是最 大轉矩/電流控制，即W最小的定子電流，產生最大的輸出轉矩。
[0009] 要實現最大轉矩電流比控制，電機的電流矢量應滿足
[0010]
( 3 )
[0011]
(4)
[001^ 在實際控制中，一般將各矢量標么化，所W將上式進行標么化，并代入恒轉矩公式 表達式的標么化結男
可W得到電磁轉矩用d、q軸電流分量的標么值表示為
[0013] (5)
[0014] ( 6 )
[001引反過來，此時用電磁轉矩的函數式/(0和/:(0可W表示出定子電流分量存和 存。根據函數式乂(7；)和./;(?：)，在轉矩給定已知的情況下，可W求出最小的交直軸電流， W此結果作為電流給定，即可實現電動機的MTPA控制，運種控制方式具有減小電機損耗，提 高系統工作效率等優點，但由于計算公式復雜而不便于工程應用。所W，如何實現有效可 行且各項性能較好的最大轉矩電流比控制方式，是目前研究的熱點。
【發明內容】
[0016] 本發明針對上述現有技術中存在的問題，提出一種永磁同步電機最大轉矩電流比 控制方法及控制系統，能夠實現永磁同步電機輸入電流與輸出轉矩的快速分析，無需進行 復雜運算，便于工程應用。
[0017] 為解決上述技術問題，本發明是通過如下技術方案實現的：
[0018] 本發明提供一種永磁同步電機最大轉矩電流比控制方法，其包括W下步驟：
[0019] Sll:基于Ansoft軟件建立永磁同步電機的模型，對所述模型的各參數進行賦值；
[0020] S12:對模型進行求解，得到電磁場的各物理量；
[0021] S13:對模型的合理性進行驗證，分析所述永磁同步電機的磁路結構是否合理；
[0022] S14:對參數變化瞬態進行仿真，得到輸出轉矩的波形圖。
[0023] 較佳地，所述步驟Sll具體包括W下步驟：
[0024] Sl 11:建立永磁同步電機的幾何物理模型；
[0025] S112:將所述永磁同步電機的各元件的特性參數賦值給所述模型；
[00%] Sl 13:確定所述模型求解的邊界條件；
[0027] Sl 14:設置所述模型的網格剖分參數；
[0028] S115:設置所述模型的所述永磁同步電機的運動參數。
[0029] 較佳地，所述步驟S12具體為:對模型進行求解，得到電磁場的電場強度和磁場強 度。
[0030] 較佳地，所述步驟S13具體為:觀察空載時所述永磁同步電機的磁力線分布圖和磁 密分布圖，分析所述永磁同步電機的磁路結構，檢查所述永磁同步電機的分布是否合理； 能夠避免設計失誤，驗證了電機設計的合理性，為后續的參數變化瞬態仿真模塊的正確性 提供了保障。
[0031] 較佳地，所述步驟S14具體為:通過線性的改變輸入電流的幅值觀察不同輸入電流 激勵下輸出轉矩的波形圖。
[0032] 較佳地，所述步驟S13和步驟S14之間還包括：
[0033] S15:對額定轉矩進行分析，得到額定負載時所述永磁同步電機的轉矩曲線。轉矩 對于車用永磁同步電機的正常運行具有十分重大的意義，如果轉矩的波動較大就會在實際 的駕駛過程中發生抖動，通過額定轉矩分析驗證了永磁同步電機運行時的平穩性，為電動 汽車的運動優化奠定了基礎，具有一定的應用價值。
[0034] 本發明還提供一種永磁電機最大轉矩電流比控制系統，其依次包括：
[0035] 電機模型建立單元，用于基于Ansoft軟件建立永磁同步電機的模型，對所述模型 的各參數進行賦值；
[0036] 模型求解單元，用于對模型進行求解，得到電磁場的各物理量；
[0037] 模型合理性驗證單元，用于對模型的合理性進行驗證，分析所述永磁同步電機的 磁路結構是否合理；
[0038] 輸出轉矩波形仿真單元，用于對參數變化瞬態進行仿真，得到輸出轉矩的波形圖。
[0039] 較佳地，所述電機模型建立單元包括：
[0040] 模型建立單元，用于建立永磁同步電機的幾何物理模型；
[0041] 特性賦值單元，用于將所述永磁同步電機中的各元件的特性參數賦值給所述模 型；
[0042] 邊界條件確定單元，用于確定所述模型求解的邊界條件；
[0043] 網格剖分參數設置單元，用于設置所述模型的網格剖分參數；
[0044] 運動參數設置單元，用于設置所述模型的所述永磁同步電機的運動參數。
[0045] 較佳地，還包括:額定轉矩分析單元，其設置于所述模型求解單元和模型合理性驗 證單元之間，用于對額定轉矩進行分析，得到額定負載時所述永磁同步電機的轉矩曲線。
[0046] 相較于現有技術，本發明具有W下優點：
[0047] (1)本發明提供的永磁同步電機最大轉矩電流比控制方法及控制系統，基于 Ansoft軟件的參數變化瞬態仿真模塊，選取輸入電流為變量，分析不同幅值的電流作用下 的永磁同步電機輸出轉矩波形圖，能夠實現永磁同步電機輸入電流與輸出轉矩關系的快速 分析，無需進行復雜計算，便于工程應用，具有可行性；
[0048] (2)本發明利用曲線擬合的方法得出了永磁同步電機的輸出轉矩與輸入電流的關 系曲線圖W及其函數表達式，更加直觀，具有一定的工程使用價值；
[0049] (3)本發明還對額定負載時永磁同步電機的輸出轉矩進行了分析，驗證了永磁同 步電機運行時的平穩性，為電動汽車的運動優化奠定了基礎，具有一定的應用價值。
[0050] 當然，實施本發明的任一產品并不一定需要同時達到W上所述的所有優點。
【附圖說明】
[0051 ]下面結合附圖對本發明的實施方式作進一步說明：
[0052] 圖1為本發明的一實施例的永磁同步電機最大轉矩電流比控制方法流程圖；
[0053] 圖2為本發明的一實施例的永磁同步電機模型的建立步驟圖；
[0054] 圖3為本發明的一實施例的不同輸入電流下永磁同步電機的輸出轉矩曲線圖；
[0055] 圖4為本發明的一實施例的輸出轉矩與輸入電流的擬合曲線圖；
[0056] 圖5為本發明的一實施例的額定負載時永磁同步電機的輸出轉矩波形圖。
【具體實施方式】
[0057]下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在W本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施 例。
[0化引實施例1:
[0059] 結合圖1-圖5,本實施例對本發明的永磁同步電機最大轉矩電流比控制方法進行 詳細描述，其流程圖如圖1所示，包括W下步驟：
[0060] Sll:基于Ansoft軟件建立永磁同步電機(PMSM)的模型，對模型的各參數進行賦 值；
[0061 ] S12:對模型進行求解，得到電磁場的各物理量；
[0062] S13:對模型的合理性進行驗證，分析PMSN磁路結構是否合理；
[0063] S14:對參數變化瞬態進行仿真，得到輸出轉矩的波形圖。
[0064] 其中，步驟Sll具體包括W下步驟：
[00化]Sl 11:建立永磁同步電機的幾何物理模型；
[0066] S112:將永磁同步電機中的各元件的特性參數賦值給模型；
[0067] S113:確定模型求解的邊界條件，可W設置主/從邊界，充分利用電機周期性的特 占. '?、、，
[0068] Sl 14:設置模型的網格剖分參數；
[0069] S115:設置模型的永磁同步電機的運動參數，將電機轉速設置為3000巧m。
[0070] 其步驟圖如圖2所示，根據永磁同步電機的設計尺寸進行二維幾何建模，完成繞組 歸并W及特性的設定，電機磁場作為非線性恒定磁場處理，建立了 PMSM二維有限元模型。由 于電磁存在對稱性，為節省仿真計算時間，并減少有限元個數，只需對PMSM的1/8區域進行 有限元分析，在此基礎上，對所繪制的幾何模型進行邊界條件的設定并進行網格剖分，網格 剖分的好壞將直接關系到計算結果的準確性。Ansoft軟件采用自適應網格剖分方法，通過 反復迭代自動修正網格大小，最終形成合理的網格劃分。
[0071] 本實施例W某電動汽車用的額定功率為7.5kW的PMSM作為仿真對象，電機基本參 數如表1所示。
[0072] 表 1 「00731
[0074]步驟S12具體為：網格剖分后，就需要對PMSM進行電磁計算。由電磁場理論可知，對 電磁場進行分析就是對Maxwell方程組進行求解，Maxwell方程組的微分方程形式可表示 為：
[0075]
巧）
[0076] 式中：B為磁感應強度;H為磁場強度;J為電流密度;E為電場強度;D為電通密度;P 為電荷密度。
[0077] 在靜態場中，電場和磁場不會隨時間發生變化，即有'^ = 0 ^ = O可將式(7) 重新寫為
[007引 巧）
[0079] 為了使待求解問題得到一定的簡化，從而方便數值求解，一般需要定義兩個量:矢 量磁位A和標量電位d)，來將電場變量和磁場變量分開。A和d)可由下列方程表示：
[0080] 餅
[0081] 式中：y是電場中定義的一個矢量函數；O為磁通量。在恒定磁場中，(!)=0,在靜 電場中，A^=O,則式(9)可簡化為：
[0082] (10)
[0083] A和d)自動滿足Maxwell方程組中的電磁感應定律和磁通連續定律，然后根據全電 流定律和高斯定律，可分別得到下列磁場和電場方程：
[0084] (H)
[0085] 式中:y和e分別為介質的磁導率和介電常數;D =巧，B = EH
[0086] 對式（11)進行數值求解即可得出A和d)，再將其代入(10)可求出B和E，進而得到電 磁場的各物理量。
[0087] 步驟S13具體為:在完成網格剖分后，通過對各節點進行有限元計算，得到各求解 區域的近似解并形成求解區域內的磁場分布，最終經過Ansoft軟件強大的后處理功能輸出 PMSM空載磁力線分布圖和磁密分布圖，PMSM在空載的情況下，定子S相繞組中因為沒有通 入=相電流所W定子不產生磁場，空載的磁場完全是由轉子的永磁磁極所產生的，分析空 載磁場也就是分析轉子永磁磁極與定轉子磁路相互作用的磁場，娃鋼片靠近永磁體附近高 度飽和，運些飽和是由永磁體造成的。通過電磁分析驗證了該電機設計的合理性，為接下來 的參數變化瞬態仿真模塊的正確性提供了保障。
[0088] 步驟S14具體為:在該電機模型中，通入定子電流為幅值相等，相位互差120度的= 相交流電。在參數庫中設置電流幅值為Imax,便于進一步將其作為變量進而生成參數變化 瞬態仿真模塊，該模塊通過線性的改變電流的幅值可W觀察不同電流激勵下輸出轉矩的波 形圖，得出電機輸出轉矩與所加電流幅值的關系。具體步驟如下：在Ansoft中建立一個參 數變化瞬態仿真，設置通入電流從IOA到500A，間隔10A。該參數變化瞬態仿真模塊可W在無 需重新設置參數的情況下分析不同激勵下電機轉矩的波動曲線，效率高，可實現性好，得出 一系列轉矩波形圖，如圖3所示。
[0089] 在實際的車用永磁同步電機中，對于一定的輸出轉矩，總有固定的電流值與之相 對應，若求出輸出轉矩與電流幅值的函數表達式，則可W根據實際運行中需要的轉矩值選 取恰當的電流幅值進行電機的設計。為此，本發明利用曲線擬合的方法，得出了 PMSM輸出轉 矩與輸入電流幅值的關系曲線圖，如圖4所示，從圖中很容易看出，轉矩與電流幅值大小呈 非線性關系，曲線擬合法得出轉矩與電流的函數表達式為T = pil2+P2l+P3。
[0090] 較佳實施例中，步驟S13和S14之間還包括：
[0091] S15:對額定轉矩進行分析，得到額定負載時PMSM的轉矩曲線。轉矩對于電動汽車 PMSM的正常運行具有十分重大的意義。如果轉矩的波動較大就會在實際的駕駛過程之中發 生抖動，影響駕駛的體驗。PMSM額定負載時的轉矩曲線如圖5所示，從圖5中可W看到：最低 點接近157N.m，最高的點接近188N.m，轉矩均值約為173N.m，轉矩的波動不超過10%，在可 控的范圍之內，能夠保持PMSM運行時的平穩性，驗證了電機運行滿足平穩性要求。最后通過 設置不同電流激勵，觀察電機輸出轉矩的變化，為該電動汽車PMSM的運行優化奠定了基礎， 具有一定的應用價值。
[0092] 實施例2:
[0093] 本實施例詳細描述本發明的永磁同步電機最大轉矩電流比控制系統，其是用于實 現上述實施例的控制方法，其依次包括：電機模型建立單元，用于基于Ansoft軟件建立PMSM 模型，對模型的各參數進行賦值;模型求解單元，用于對模型進行求解，得到電磁場的各物 理量；模型合理性驗證單元，用于對模型的合理性進行驗證，分析PMSM的磁路結構是否合 理;輸出轉矩波形仿真單元，用于對參數變化瞬態進行仿真，得到輸出轉矩的波形圖。
[0094] 本實施例中，電機模型建立單元包括:模型建立單元，用于建立PMSM的幾何物理模 型;特性賦值單元，用于將PMSM中的各元件的特性參數賦值給模型;邊界條件確定單元，用 于確定模型求解的邊界條件；網格剖分參數設置單元，用于設置模型的網格剖分參數;運動 參數設置單元，用于設置模型的PMSM的運動參數。
[00M]較佳實施例中，模型求解單元和模型合理性驗證單元之間還包括:額定轉矩分析 單元，用于對額定轉矩進行分析，得到額定負載時PMSM轉矩曲線。
[0096]此處公開的僅為本發明的優選實施例，本說明書選取并具體描述運些實施例，是 為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，并不是對本發明的限定。任何本領域技術人員 在說明書范圍內所做的修改和變化，均應落在本發明所保護的范圍內。
【主權項】
1. 一種永磁同步電機最大轉矩電流比控制方法，其特征在于，包括以下步驟： S11:基于Ansoft軟件建立永磁同步電機的模型，對所述模型的各參數進行賦值； S12:對模型進行求解，得到電磁場的各物理量； S13:對模型的合理性進行驗證，分析所述永磁同步電機的磁路結構是否合理； S14:對參數變化瞬態進行仿真，得到輸出轉矩的波形圖。2. 根據權利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步驟SI 1具體包括以下步驟： S111:建立永磁同步電機的幾何物理模型； S112:將所述永磁同步電機的各元件的特性參數賦值給所述模型； S113:確定所述模型求解的邊界條件； S114:設置所述模型的網格剖分參數； S115:設置所述模型的所述永磁同步電機的運動參數。3. 根據權利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步驟S12具體為：對模型進行求 解，得到電磁場的電場強度和磁場強度。4. 根據權利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步驟S13具體為:觀察空載時所述 永磁同步電機的磁力線分布圖和磁密分布圖，分析所述永磁同步電機的磁路結構，檢查所 述永磁同步電機的分布是否合理。5. 根據權利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步驟S14具體為:通過線性的改變 輸入電流的幅值觀察不同輸入電流激勵下輸出轉矩的波形圖。6. 根據權利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步驟S13和步驟S14之間還包括： S15:對額定轉矩進行分析，得到額定負載時所述永磁同步電機的轉矩曲線。7. -種永磁同步電機最大轉矩電流比控制系統，其特征在于，依次包括： 電機模型建立單元，用于基于Ansoft軟件建立永磁同步電機的模型，得到所述模型的 各參數； 模型求解單元，用于對模型進行求解，得到電磁場的各物理量； 模型合理性驗證單元，用于對模型的合理性進行驗證，分析所述永磁同步電機的磁路 結構是否合理； 輸出轉矩波形仿真單元，用于對參數變化瞬態進行仿真，得到輸出轉矩的波形圖。8. 根據權利要求7所述的控制系統，其特征在于，所述電機模型建立單元包括： 模型建立單元，用于建立永磁同步電機的幾何物理模型； 特性賦值單元，用于將所述永磁同步電機中的各元件的特性參數賦值給所述模型； 邊界條件確定單元，用于確定所述模型求解的邊界條件； 網格剖分參數設置單元，用于設置所述模型的網格剖分參數； 運動參數設置單元，用于設置所述模型的所述永磁同步電機的運動參數。9. 根據權利要求7所述的控制系統，其特征在于，還包括:額定轉矩分析單元，其設置于 所述模型求解單元和模型合理性驗證單元之間，用于對額定轉矩進行分析，得到額定負載 時所述永磁同步電機的轉矩曲線。
【文檔編號】H02P21/22GK105978434SQ201610506562
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月30日
【發明人】王昕 , 鄭益慧, 李立學, 王玲玲, 張昕, 楊穎 , 徐清山
【申請人】上海交通大學, 國家電網公司, 國網吉林省電力有限公司延邊供電公司