[0001] 本发明涉及永磁同步电机控制技术的技术领域，尤其涉及一种内置式永磁同步电机最大效率转矩比控制方法。

[0002] 电动汽车续航里程与电机效率密切相关，如何尽大限度的提升电机效率，对提高新能源汽车续航里程、降低百公里能耗具有重大意义。

[0003] 转矩控制精度是衡量电动汽车运行性能的关键指标。转矩控制精度一方面影响百公里加速时间，另一方面也会影响行车安全水平。而d、q轴电流参考值的设定则是影响内置式永磁同步电机运行效率和转矩控制精度的内在因素。因此，兼顾效率和转矩控制精度的内置式永磁同步电机d、q轴电流参考值的设定对电动汽车的高效高可靠运行具有重大意义。

[0004] 目前的d、q轴电流参考值分配策略有两大类：一类是最大转矩电流比控制(MTPA)，一类是基于铁耗数学模型的最小损耗控制(LMC)。

[0005] 对于MTPA控制，根据约束条件的不同，可以分为：以电流幅值为约束条件的MTPA和以输出转矩为约束条件的MTPA。根据实现方法的不同，则可以细分为：解析法、搜索法、查表法以及信号注入法。虽然MTPA控制方法可以一定程度上提升内置式永磁同步电机(IPMSM)的效率。但是该方法并未考虑铁耗的影响，而铁耗也是影响电机效率和转矩输出的关键因素。因此，MTPA控制并不能实现IPMSM的最大效率输出和最准确的转矩控制。

[0006] 同样地，根据约束条件的不同，LMC可以分为两种，一种是以电流幅值为约束条件，目前广泛称之为最大效率电流比控制(MEPA)。另外一种是以转矩为约束条件。为了与MEPA进行区分，本文将以转矩为约束条件的LMC称之为最大效率转矩比控制(MEPT)。根据实现方法的不同，LMC则可以细分为：模型法、搜索法和伪搜索法。模型法是通过建立包含电机铁耗的数学模型，并通过近似化处理，来推导能够使损耗最小时的d、q轴电流参考值。然而模型法具有较好的快速性，但是电流参考值解析解的准确求解困难，近似化的处理会带来一定的误差。搜索法是则是通过扫描电流矢量角，在线搜索最小电流参考或者最小母线输入功率，从而实现损耗最小控制，然而此类方法则需要对输入功率进行检测，需要额外的硬件电路。伪搜索法是一种将电机损耗模型和搜素法相结合的一种方法。相比于模型法，该方法加入了最优d轴电流参考值迭代搜索的过程，避免了电流参考值的复杂求解；相比于搜索法，该方法不需要对输入功率进行检测。鉴于这些优点，伪搜索法受到了众多学者的广泛关注。

[0007] 文献[C.Cavallaro,A.O.Di Tommaso,R.Miceli,A.Raciti,G.R.Galluzzo and M.Trapanese,“Efficiency enhancement of permanent‑magnet synchronous motor drives by online loss minimization approaches,”IEEE Trans.Ind.Electron.,vol.52,no.4,pp.1153‑1160,Aug.2005]利用二分法和所建立的电机损耗数学模型，实现了满足损耗最小约束的电流矢量角的在线搜索。文献[M.Sreejeth,M.Singh and P.Kumar,“Particle swarm optimisation in efficiency improvement of vector controlled surface mounted permanent magnet synchronous motor drive,”IET Power Electronics.,vol.8,no.5,pp.760‑769,2015.]通过蚁群算法搜索到电机效率最高时的d轴电流。文献[R.Ni,D.Xu,G.Wang,L.Ding,G.Zhang,and L.Qu,“Maximum efficiency per ampere control of permanent‑magnet synchronous machines,”IEEE Trans.Ind.Electron.,vol.62,no.4,pp.2135‑2143,April 2015.]通过扫描电流矢量角，利用所建立的电机损耗模型在线计算所产生的电机损耗进而得到满足损耗最小约束的电流矢量角。文献[M.Li,S.Huang,X.Wu,K.Liu,X.Peng,and G.Liang,“A virtual HF signal injection based maximum efficiency per ampere tracking control for IPMSM drive,”IEEE Trans.Power Electron.,vol.35,no.6,pp.6102‑6113,Jun.2020.]通过虚拟方波信号注入的形式，计算得到信号注入前后的电机损耗，进而提取得到效率关于电流矢量角的导数信息，最后利用提取的导数信息实现了d轴电流参考值的设定。然而现有的伪搜索法仅针对于最大效率电流比控制(MEPA)控制，而无法应用于以转矩为约束条件的控制。
因此兼顾电机效率最优和转矩控制精度的伪搜索法有待进深入研究。综合上述分析，在需要内置式永磁同步电机(IPMSM)工作在转矩控制模式的应用场合，如何设定d、q轴电流参考值是一个非常有意义又极具挑战性的工作。

[0054] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0055] 一种基于损耗判别标准获取的内置式永磁同步电机最大效率转矩比控制方法，如图1所示，包括步骤：

[0056] S1：基于考虑铁耗影响的IPMSM电机数学模型获取最大效率转矩比控制的间接判别标准方程F。如图5所示，为考虑铁耗影响的IPMSM电机数学模型，对应的稳态电压方程和转矩方程如下所示。

[0057] 稳态电压方程：

[0058]

[0059] 转矩方程：

[0060]

[0061] 其中，模型参数如下：ud、uq分别为定子绕组的d、q轴电压，idt、iqt分别为d、q轴电流中实际产生转矩的d、q轴电流转矩分量，Rs为定子绕组的电阻，RFe为铁耗电阻，ωe为电角速度，p为微分算子，Ld、Lq分别d、q轴电感，Te为电磁转矩，λf为永磁体磁链。

[0062] 其中，定子绕组的电阻Rs、铁耗电阻RFe、永磁体磁链λf、电机的极对数np和d、q轴电感Ld、Lq为电机参数。

[0063] 进一步，根据考虑铁耗影响的IPMSM电机数学模型获取d、q轴电流转矩分量idt、iqt和d、q轴电流id、iq之间的关系式A：

[0064]

[0065] 最大效率转矩比控制(MEPT)的极值求解方程和约束条件分别为：

[0066]

[0067] 式中损耗方程为：

[0068]

[0069] 其中，Ploss为总损耗，Pcu为铜耗，PFe为铁耗，s.t.表示约束条件。

[0070] 进一步，当IPMSM处于转矩控制模式时，要使实际输出转矩Te等于给定转矩Te_ref，根据式(5)可得，总损耗Ploss取得最小值的前提是转矩满足以下函数：

[0071]

[0072] 由式关系式A即(3)和损耗方程即式(6)可知，总损耗Ploss可以表示idt和iqt的函数，最大效率转矩比控制的极值求解方程和约束条件可以进一步表示为：

[0073]

[0074] 转矩Te一定时，iqt可以表示为d轴电流转矩分量idt的函数，总损耗的极值点在总损耗Ploss对d轴电流转矩分量idt的偏导为零时取得，损耗的极值求解方程全微分展开后可得全微分方程Ⅰ：

[0075]

[0076] 对函数 关于d轴电流转矩分量idt进行隐函数求导，可得全微分方程Ⅱ：

[0077]

[0078] 综合全微分方程Ⅰ即式(7)和全微分方程Ⅱ即式(8)得到最大效率转矩比控制的初步判别标准方程：

[0079]

[0080] 但是，上式不易于求解，由于总损耗Ploss为铜耗和铁耗之和，且铜耗表示为定子电流的函数形式最为简单，由此可对其进行如下化简，对最大效率转矩比控制的初步判别标准方程式(9)进行分步展开，将总损耗Ploss展开为铜耗与铁耗的函数，进一步得到和 全微分展开结果即全微分方程Ⅲ：

[0081]

[0082] 进一步，为了得到展开式中的导数信息，依据转矩方程即式(2)、关系式A即式(3)和损耗方程式即式(6)，可以得到如下稳态情况下电机的数学模表达式：

[0083]

[0084] 进一步，结合最大效率转矩比控制的初步判别标准方程即式(9)、全微分方程Ⅲ即式(10)和稳态情况下电机的数学模表达式即式(11)可得到满足最大效率转矩比控制的直接判别标准方程F0，具体公式如下：

[0085]

[0086] 进一步，为了一定程度上避免电机参数的影响(永磁体磁链λf和q轴电感Lq)，根据考虑铁耗影响的IPMSM电机数学模型的稳态电压方程得到如下电机参数相关的数学关系式：

[0087]

[0088] 进一步，将电机参数相关的数学关系式(13)代入最大效率转矩比控制的直接判别标准方程F0即式(12)得到最终满足最大效率转矩比控制的间接判别标准方程F：

[0089]

[0090] 简化后的最大效率转矩比控制的间接判别标准中仅存在电机参数d轴电感Ld、定子绕组的电阻Rs和铁耗电阻RFe，减少了永磁体磁链λf和q轴电感Lq，从而减小了间接判别标准方程F对电机参数的依赖。

[0091] 间接判别标准方程F具有过零点且零点与总损耗最低点对应的特点。反映了内置式永磁同步电机(IPMSM)的损耗情况，如图3所示，为某一恒定转矩下，间接判别标准方程F和总损耗随d轴电流变化的变化趋势图。从图中可以看出，随着d轴电流变化，间接判别标准方程F的数值呈一次线性函数变化，且当电机总损耗最小时，间接判别标准方程F的数值为零。因此，间接判别标准方程F可以作为反映内置式永磁同步电机的总损耗情况的判别标准，可以间接判别标准方程F设计电流参考值的给定方法，实现内置式永磁同步电机的效率的最优化。

[0092] S2：利用积分器对最大效率转矩比控制的间接判别标准方程F进行积分累加，当积分器输出为零时，输出值作为d轴电流参考值。

[0093] d轴电流参考值的设定方式：如图2所示，实时获取内置式永磁同步电机的d、q轴电压ud、uq；d、q轴电流id、iq；并将电机参数(包括定子绕组的电阻Rs、铁耗电阻RFe和d轴电感Ld)代入最大效率转矩比控制的间接判别标准公式，本实施例中通过在DSP中利用积分器进行实时运算实现，当F≠0时，在积分器的作用下，d轴电流参考值会逐渐调节，直到F＝0，此时即达到效率最优控制下的d轴电流参考值点。

[0094] S3：根据考虑铁耗影响的IPMSM电机数学模型设定q轴电流参考值。

[0095] q轴电流参考值的设定方式：为了保证转矩输出精度，根据考虑铁耗影响的IPMSM电机数学模型中的转矩方程，q轴电流参考值设定公式Ⅰ为：

[0096]

[0097] 其中，iqFe为引起铁耗的q轴电流分量，Te_ref为IPMSM处于转矩控制模式下输出转矩的给定值。

[0098] 由转矩方程即式(2)可知，式(15)的分母项为转矩对q轴电流转矩分量的导数，因此q轴电流参考值设定公式Ⅱ为：

[0099]

[0100] 式中iqFe为q轴电流的铁耗分量：

[0101]

[0102] 进一步，考虑铁耗影响的IPMSM电机数学模型中的转矩方程结合电机参数相关的数学关系式(13)，q轴电流参考值设定公式(16)中的转矩对q轴电流转矩分量的导数 可以进一步表示为转矩对q轴电流转矩分量的导数表达式：

[0103]

[0104] 如图2所示，实时获取内置式永磁同步电机的d、q轴电压ud、uq；d、q轴电流id、iq；并将电机参数(包括定子绕组的电阻Rs、铁耗电阻RFe)代入转矩对q轴电流转矩分量的导数表达式即式(18)，利用q轴电流参考值设定公式Ⅱ即式(16)实现q轴电流参考值的在线设定，本实施例通过在DSP中实时运算实现。

[0105] 如图4所示，通过对d轴电流参考值和q轴电流参考值的设定，实现了对内置式永磁同步电机最大效率转矩比控制。为了方便说明如何实现内置式永磁同步电机最大效率转矩比控制，以下进行了过程简要说明。

[0106] 1、电机端采样abc三相电流ia、ib、ic电角速度ωe，进而通过Clark、park变换和PI控制器得到d、q轴电压电流，其中用到的d、q轴电压需要考虑数字控制延时和逆变器非线性电压的影响需要进行补偿；

[0107] 2、将d、q轴电压电流和定子电阻、铁耗电阻代入间接判别标准F通过积分器在DSP中实现d轴电流参考值设定，q轴电流参考值由式(16)得到，从而实现内置式永磁同步电机最小损耗下d轴电流参考值和q轴电流参考值的在线设定；

[0108] 3、d、q电流参考值经过PI控制器得到d、q轴电压，经过反park变换后输入空间矢量脉宽调制(SVPWM)，产生作用于逆变器的控制信号，该调制信号通过控制逆变器产生的三相电压进而控制电机。

[0109] 以上过程非本发明的重点，仅作过程的简要说明。

[0110] 为了验证所提方法的可行性，搭建了实验系统。内置式永磁同步电机参数如表1所示。实验系统中，控制单元采用TMS320F28335。控制系统的采样频率为10kHz，控制周期为100μs，死区时间设置为2.6μs。实验过程中，被测电机处于转矩控制模式，对拖电机处于转速控制模式。

[0111] 被测电机输入功率由集成高灵敏度电压探头和高精度电流钳以及MDA805A电驱动分析仪测量得到，输出功率由扭矩传感器测量得到。

[0112] 表.1内置式永磁同步电机参数

[0113]

[0114] 为了避免电机参数的影响，本实施例对于铁耗电阻RFe测量得到的被试电机铁耗电阻随转速ω的变化曲线，如图6所示。定子绕组的电阻Rs通过电机内置的热敏电阻以及热敏电阻阻值与温度之间的关系得到。具体关系如下：

[0115] Rs＝Rs0(1+k(T‑T0))；

[0116] 其中，k为温度系数，Rs0为温度在T0时的定子绕组电阻值，T为当前电机温度。d轴电感Ld通过对有限元分析得到的数值进行曲线拟合获取。

[0117] 为了验证所提方法的效率优化效果，首先在电机转矩为2Nm、4Nm、6Nm、8Nm，转速为1000r/min、1500r/min以及2000r/min时，通过功率分析仪测量得到效率最优值以及所对应的d轴电流值。

[0118] 然后在相同工况下，利用MTPA控制方法、文献A[Z.Xinghua and C.Pengfei,“Efficiency optimization of direct torque controlled interior permanent magnetmotor considering iron losses,”IEEE 19th Int.Conf.Elect.Mach.Syst.,pp.1–5,2016.]提出的最大效率电流比算法和本发明提出方法对电机进行控制，记录不同控制方法下的电机效率、d轴电流值以及相关波形，表2为不同方法的效率对比，表3为不同方法得到的d轴电流参考值。

[0119] 图7为电机处于1000r/min不同转矩下，不同方法得到的效率折线图；图8为电机处于1500r/min不同转矩下，不同方法得到的效率折线图；图9为电机处于2000r/min不同转矩下，不同方法得到的效率折线图，由图7、图8和图9可以看出本发明的方法相比于其他方法，可以得到较高的效率。

[0120] 图10为电机处于1000r/min给定转矩2Nm、4Nm、6Nm、8Nm下提出的方法的d、q轴电流和相电流。(a)最大转矩电流比MTPA方法；(b)最大效率电流比方法；(c)本发明提出方法。

[0121] 结合表三可以看出在1000r/min给定转矩2Nm、4Nm、6Nm、8Nm下相较于最大转矩电流比和)最大效率电流比对比算法，提出算法能够更准确追踪到最大效率点对应的d轴电流，结合表二可以得到提出算法相较于对比算法电机效率更高。

[0122] 图11由上至下依次为给定转矩2Nm、4Nm、6Nm、8Nm下提出的方法的d、q轴电流，间接判别标F，相电流。(a)1000r/min；(b)1500r/min；(c)2000r/min。

[0123] 结合表三可以看出在不同转速1000r/min、1500r/min、2000r/min给定转矩2Nm、4Nm、6Nm、8Nm下提出算法能够准确追踪到最大效率点对应的d轴电流，结合表二可以得到提出算法能够在不同工况下更准确追踪到电机的最大效率点。

[0124] 表2

[0125]

[0126] 表3

[0127]

[0128] MTPA控制下相电流最小但电机效率并非最优，原因在于MTPA控制忽略了铁耗的影响。此外，所述文献A提出的方法得到的效率偏离电机的最大效率点，原因在于该方法虽然考虑了电机铁耗，但求解最大效率下的d轴电流采用了简化后的计算公式。而本发明提出的方法考虑了电机铁耗的影响，利用反映内置式永磁同步电机的损耗情况的判别标准，实现了d轴电流参考值的设定，同时方法不仅避免了内置式永磁同步电机的效率优化中高阶非线方程的复杂求解过程，也避免了效率最优的d轴电流参考值求解的近似简化，提高了电流参考值设定的准确性，因此本发明提出的方法具有良好的效率优化效果。

[0129] 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，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。