崔皆凡 潘龙玉

（沈阳工业大学电气工程学院，沈阳 110870）

永磁同步直线电机最大效率控制研究

崔皆凡 潘龙玉

（沈阳工业大学电气工程学院，沈阳 110870）

针对电动机驱动系统效率问题,对永磁同步直线电机驱动系统最大效率控制进行了分析和研究。从分析永磁直线电机的电机损耗模型入手，建立考虑逆变器损耗时的系统损耗模型。利用拉格朗日优化算法，推导出永磁同步直线电机在矢量控制下稳态运行时效率最高的控制条件。基于损耗模型设计效率模糊控制器，使系统具有更好的鲁棒性。通过Matlab/simulink实验仿真验证所建立的模型在稳态下有较高的准确度，同时保证输出功率不变，实现最大效率控制。

永磁同步直线电机；损耗模型；最大效率；矢量控制

随着永磁材料的发展，永磁同步直线电机在诸多领域中日益得到广泛应用。但在实际应用中，由于电机产品容量的不连续性等因素，使得大部分的PMSLM 处于轻载运行状态，效率没有达到最大。因此，研究PMSLM的最大效率问题显得十分必要。

最大效率控制通常分为搜索控制法和损耗模型控制法[1]。对于搜索控制法，它是一种纯数学方法，效率寻优过程与电机内部参数无关。损耗模型控制法是建立电机的损耗模型，根据当前状态、控制要求推导效率最大时的推力电流与当前负载和速度的关系，从而实现最大效率控制。文献[2]采用了最大转矩电流比控制方法来提高永磁电机效率，此方法提高了系统的动态性能，但是电机损耗却没有明显的减少；文献[3]研究永磁同步电机的矢量控制原理的仿真模型，但该文献没有考虑到系统中逆变器的损耗。当前诸多研究存在着一定的局限性。针对以上这些，本文根据给定电机运行状态，以系统效率最大为目标，对PMSLM及其驱动系统的损耗进行综合分析，进行精确建模，实现最大效率控制。根据损耗模型特点，设计了效率模糊控制器，提高了系统的鲁棒性与系统响应的快速性。

1 系统损耗分析

PMSLM 驱动系统包括逆变器、检测电路、控制电路和电机本身。由于传感器和控制电路的损耗很小，所以主要考虑电机和逆变器的损耗。

1.1 电机损耗分析

考虑PMSLM系统效率，为了保证建立的损耗模型考虑的更全面，本文针对电机损耗Ploss1以整体考虑，通过测得电机的输入Pin和输出Pout，来进行建立电机损耗模型：

1.2 逆变器损耗分析

逆变器的损耗主要包括电力电子器件的驱动损耗以及电力电子器件本身的损耗。目前变频调速系统的电力电子器件以 IGBT为主，其驱动损耗非常小予以忽略。通过文献[4]综合分析对于一特定的逆变器而言，损耗主要由其集电极电流所决定，逆变器损耗近似为定子电流函数：

式中，k1、k2由对应的开关管IGBT和二极管各参量所决定的常系数，is为定子相电流。考虑逆变器损耗后变频驱动永磁同步直线电机系统损耗Ploss可表示为

2 PMSLM系统损耗模型

损耗模型法实现最大效率控制需要建立在特定应用场合下的电机损耗模型，该模型要求简单、准确并且实用。dq轴是以同步电角速度在空间旋转的正交轴系，PMSLM在dq坐标轴上的电压表示为

在电机等效电路中，通常将铁耗等效成纯电阻，对于PMSLM主要考虑初级铁耗。当考虑铁耗时，将PMSLM中的永磁体等效一个励磁线圈，并且与初级线圈具有相同的有效匝数，等效电流为 if，可产生与永磁体相同的基波励磁磁场，所以可得到如下关系式：

由于初级磁链的幅值是受控的，且 if基本保持不变，所以pψmd、pψmd很小，为简化数学模型可以忽略不计。将式（17）用等效电路表示出来，根据考虑铁耗时的等效电路图有

矢量控制中当采用id=0的控制策略时，可见损耗是关于交轴电流幅值 iq的函数。通过利用拉格朗日优化方法求得效率最大时的条件表达式为

3 基于模糊控制技术的PMSLM最大效率控制方法的研究

基于损耗模型的PMSLM最大效率控制方法虽然实时性好，但该方法容易受电机参数影响，控制效果取决于损耗模型的准确程度[8]。为了提高系统的鲁棒性与快速性，本文设计了一种新型的PMSLM效率模糊控制器：根据逆变器直流侧输入功率的偏差情况来决定是否将直流侧输入功率偏差变化率作为第三输入变量；搜索初值根据所建系统损耗模型进行选取；在线实时进行计算比例因子，解决控制不足或死区问题。

本文设计的效率模糊控制器包涵结构如图1所示。

图1 效率模糊控制器组成

输入功率计算环节的任务是采样直流侧输入功率，可由检测到的直流测电压和电流计算得到。

比例因子计算环节的任务是实时在线计算输入输出变量的比例因子，将输入变量转换成标么值的形式，即将输入变量的基本论域标么化成[-1, 1]，这样同一个模糊规则就可以较好地适用于不同功率等级的永磁同步直线电机或同一永磁同步直线电机的不同工作状况，标么化后的输入变量将被用于进行模糊推理。

模糊控制环节是整个效率模糊控制器的核心，其输入变量分别为直流侧输入功率偏差ΔP、输入功率偏差变化率ΔP˙和上次电枢电流变化量 iq( k 1)Δ˙- ，模糊控制器的输出则是当前电枢电流变化量其中， ΔP˙要视ΔP大小决定是否作为输入变量，当ΔP较大时，以减小偏差为主，此时ΔP˙不起作用，系统为二维控制结构；而ΔP当较小时，为了使控制更加精细，以减小系统超调，同时加快搜索速度，此时将ΔP˙作为第三输入变量，系统变为三维控制结构。

效率模糊控制器的工作流程如下。

图2 效率模糊控制器的工作流程图

4 系统最大效率控制仿真研究

根据当前负载和速度，建立驱动系统的损耗模型，从而保证系统时时刻刻处于最大效率控制。本文采用的电机模型参数具体如下：额定电压 UN=380V，额定频率 fN=50Hz，额定功率 PN=3kW，磁极对数 PN=4，铁耗等效电阻 R=2.98Ω，极距τ=0.016M，永磁体ψf=0.4WB，每相绕组阻值 R=2.98Ω，dq轴电感Ld=Lq=0.0085H，转速v=3m/s，由逆变器开关器件决定的互相关系数k1=0.12、k2=2.5。

根据仿真实验，有以下常规矢量控制与最大效率控制下矢量控制数据对比，见图3至图5。

图3 推力波形

图4 速度波形

图5 效率波形

5 结论

本文通过对PMSLM系统最大效率控制的分析研究可以得出以下结论。

1）相比常规矢量控制，稳态时最大效率控制的推力波动更小了，常规矢量控制的波动范围是80～120N，最大效率控制时推力波动范围是90～110N，对比波幅缩减了10%；速度跟随预期效果更准确了，常规矢量控制时速度均值为2.53m/s，最大效率控制时速度均值为2.75m/s，相比控制更精确了；在保持输出功率不变的前提下，传统矢量控制的效率为59.8%，最大效率控制时系统效率为65.7%，系统效率由提高了5.9%。

2）相比常规矢量控制，最大效率控制在稳态给定速度和推力的情况下，能够使系统更快达到最大效率工作状态，并且最大效率控制的运行条件是已经计算出来的，与人为经验因素无关，便于应用。

[1] 徐占国. 电动车用感应电机矢量控制系统的研究[D].大连理工大学, 2010: 22-23.

[2] 郭庆鼎，陈启飞，刘春芳. 永磁同步电机效率优化的最大转矩电流比控制方法[J]. 沈阳工业大学学报,2008, 30(1): 1-5.

[3] 丁文，高林，梁得亮，等. 永磁同步电机矢量控制系统的建模与仿真[J]. 微电机, 2010, 43(12): 66-71.

[4] 刘建强. 直线电机轨道交通牵引传动统研究[D]. 北京交通大学, 2008: 95-97.

[5] 王成元，夏加宽，孙宜标. 现代电机制技术[M]. 北京：机械工业出版社, 2008: 128-129.

[6] 张颖. 永磁同步直线电机磁阻力分析控制策略研究[D]. 华中科技大学, 2008: 59-60.

[7] 刘晓. 空心式永磁直线电机伺服电机其驱动控制系统研究[D]. 浙江大学, 2008: 107-110.

Loss Model of the Permanent Magnet Synchronous Linear Motor under Efficiency Maximization

Cui Jiefan Pan Longyu
(School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870)

The efficiency maximization control condition for PMSLM vector control is studied and analyzed for the problem of efficiency of the motor drive system. The system loss model considering the inverter loss is established through analysis of the loss model of the permanent magnet synchronous linear motor (PMSLM). The efficiency maximization control condition for PMSLM vector control drive at steady state condition is derived using lagrange theorem. To make the system has better robustness,the fuzzy controller of efficiency based on the system loss model is designed. The experimental results show that the proposed model is accurate at steady state by Matlab/simulink.While keeping the output-power constantly, the purpose that rapidly reached the efficiency maximization can be achieved.

PMSLM; loss model; efficiency maximization; vector control

崔皆凡（1963-）女，沈阳工业大学电气工程学院，教授，博士，主要从事特种电机及其控制的研究。