论文总字数：19830字

摘 要

内置式永磁同步电机有运行效率高、功率密度大、重量轻、体积小、功率因数大等特点，在工业领域广受欢迎。内置式永磁同步电机一般采用最大转矩电流比控制，以此增强内置式永磁同步电机在转矩输出方面的能力，从而提高能量转换效率。本文主要对内置式永磁同步电机的最大转矩电流比（MTPA）控制策略进行了研究。

为了实现良好的PMSM控制，不少学者将先进控制理论应用于交流伺服系统，取得了良好的控制效果。另一方面，动态性能的提高最终要受到电机转矩输出能力的限制。为了提高PMSM驱动系统的动态性能，本文在矢量控制坐标变换的基础上，针对内置式永磁同步电机（IPMSM）d,q轴电感不相等的特性，深入研究了IPMSM的MTPA控制方法，详细阐述了几种MTPA控制的具体实现方案。采用MTPA方法对IPMSM进行控制，并与PMSM控制常用的零直轴电流控制进行了比较。理论分析与仿真结果均表明，MTPA控制方法不仅可以提高系统的转矩输出能力，进而改善电机的转矩动态响应性能，而且可以有效提高电机的运行效率。

关键词：永磁同步电机 最大转矩电流比 转矩输出 转速控制

ABSTRACT

Interior permanent magnet synchronous motor is characterized by high operation 

efficiency, large power density, light weight, small size, great power factor, etc, thereby being widely popular in the industrial field. The interior permanent magnet synchronous motor 

generally adopts the maximum torque per ampere control, in view of enhancing the torque output capability of the motor and improving the energy conversion efficiency. The paper studies the maximum torque per ampere (MTPA) control strategy of the interior permanent magnet 

synchronous motor.

To achieve sound PMSM control, many scholars have applied advanced control theory to the AC servo system and achieved good control results. On the other hand, the improvement of dynamic performance is ultimately subject to the motor torque output capability. To 

improve the dynamic performance of the PMSM drive system, the paper, based on the vector control coordinate transformation, further studies the MTPA control method of IPMSM 

targeting the characteristics of the unequal d and q axis inductance of IPMSM. In addition, the paper also discusses several specific implementation schemes of MTPA control in detail. 

Then the MTPA method is applied to control IPMSM, which is compared with the commonly used PMSM control. According to the theoretical analysis and simulation results, it can be 

concluded that the MTPA control method can not only improve the torque output capability of the system, and thus improve the motor’s torque dynamic response performance, but 

also effectively improve the motor’s operation efficiency.
Keywords: Interior permanent magnet synchronous motor; maximum torque per ampere; 

torque output; speed control

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 MTPA控制的国内外研究现状 2

1.3 论文主要研究内容及章节安排 3

第二章 IPMSM的矢量控制 5

2.1 引言 5

2.2 永磁同步电机的状态方程模型 5

2.2.1 PMSM在三相静止坐标系下的数学模型 5

2.2.2 PMSM在两相静止坐标系下的数学模型 6

2.2.3 PMSM在两相旋转坐标系下的数学模型 7

2.3 永磁同步电机的矢量控制 8

2.3.1 零直轴电流控制 8

2.3.2 最大转矩电流比控制 9

2.3.3 弱磁控制 10

2.4 本章小结 12

第三章 IPMSM的MTPA控制及其实现 13

3.1 IPMSM的MTPA控制系统 12

3.2 MTPA控制策略分析 12

3.2.1 公式法的MTPA控制 12

3.2.2 工程简化法的MTPA控制 13

第四章 MTPA控制仿真与结果分析 16

4.1 MATLAB/SIMULINK工具简介 16

4.2 永磁同步电机最大转矩电流比控制仿真模型 16

4.3 仿真结果分析 18

第五章 总结与展望 24

参考文献 25

致谢 27

绪论

课题的研究背景

当前不断紧缺的资源，使得节能减排不仅仅是我们国家这个阶段的主要关注点，也是全球各地保障可持续发展的前提条件之一。其中，电动机在各个领域都普及了，有着大规模的使用，电动机的工作原理是把电能转变为机械能，所以，电机在这个时代是耗电的一个大头。比如在我国，仅工业用电就占用了全国总电耗的大概80%左右，而电动机的耗能又占用了工业耗电的70%。由此可以看出电动机在人类的社会发展中起到的重大作用。电机虽然耗能巨大，但是电机产业节能的潜力也不可预估。2008年国际电工委员会提到，节能这一大工程的重要举措之一就是提高电动机的效率。通过对电动机系统进行改善，节能减排比例可以高达30%-50%。由此，研究如何通过提高电机的效率来降低能耗成为了当代国内外众多学者的研究方向。

近年来，为了实现电机工作效率的提高，国内外学者进行了许多相关方面的研究工作。总而言之，对于电机控制系统来讲，其效率的优化可以采用如下两种方法。其一是功率测量法。该方法的原理为在确保电机转矩不发生改变的前提条件下，不断对电机电流的变化进行调整，使电机的输入功率为最小值。关于电动机的参数，尽管该方法具有较强的鲁棒性，然而为确保这一方法是有效的，因此要求电机必须是稳态的。其二是模型损耗法，这种方法的原理是先建立电机的损耗模型，然后在运行电机，在这个过程中根据对电机模型的计算，得到最优的轴电流，通过这种方式使损耗变为最小，这种方式虽然说动态性能相对而言比较好，但是他的局限性在于比较依赖电机参数，而电机参数又容易受到环境影响而发生较大改变，所以准确性较低^[1]。

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