【2023研电赛】华东赛区一等奖：电动叉车永磁同步电机MTPA及弱磁控制研究

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电动叉车永磁同步电机MTPA及弱磁控制研究

参赛单位：浙江工业大学
指导老师：吴春
参赛队员：成凤敏肖庆康李佳

作品简介

随着节能减排观念的深入，零排放、低振动、无污染的电动叉车越来越受到企业的青睐。永磁同步电机因具有转矩大、效率高、功率密度高和可靠性高等优点在电机叉车领域应用广泛，研究开发高性能电动叉车控制器是该领域的关键核心技术。本文针对电动叉车永磁同步电机高效率和宽转速范围运行问题，研究MTPA及弱磁控制，同时研究了一种旋转变压器双采样差分解码算法，实现旋转变压器高精度的位置解码，提高矢量控制性能。本文的主要工作和创新点总结如下：
（1）提出了一种旋转变压器双采样差分位置解码算法，可消除旋变输出正、余弦信号偏置，同时可提高采样信噪比，提高位置解码精度。所提位置解码方法无需专用解码芯片，具有成本低、易实现、精度高等优点。
（2）提出了考虑电机铁损影响和抗逆变器电压饱和的MTPA控制方法，提高了高转速下电机运行效率，解决了逆变器电压饱和导致电机失控等问题，实现了电动叉车宽转速范围高效及可靠运行。
（3）提出一种转速补偿超前角的弱磁控制方法，在不增加电压反馈环路的条件下，实现弱磁升速和MTPA控制的平滑过渡，并设计了空间脉宽调制过调制方法，提高母线电压的利用率，进一步提升了系统的效率和调速范围。
（4）设计电动叉车永磁同步电机控制器样机。首先根据系统需求，完成了控制器的元器件选型和控制器硬件设计，搭建了电动叉车加载平台，在所设计的控制器及加载平台上，验证了所设计的旋变解码、MTPA和弱磁控制策略等。
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作品全貌

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硬件设计

硬件电路AltiumDesigner工程文件：
链接：https://pan.baidu.com/s/1QQYI1nDwR5\\_mo8OR5HKu8w
提取码：m5wq
电机控制器硬件主要包括两部分，控制板和驱动板。控制板主要完成信号采集、数据处理、通信和控制算法的实现等。而驱动板主要实现电压调制。控制器需控制两台永磁同步电机，分别为油泵电机和行走电机，采用两快MCU分别控制，同时交互检测、通讯，以提高系统运行安全性。部分硬件电路图如下

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其中主控芯片使用的是STM32F429VET6，电机为内置式永磁同步电机。驱动芯片使用1EDI20N12AF隔离驱动芯片，输入输出隔离电压高达1200 V，驱动板6路开关管采用IPB065N15N3G型号MOS管，其耐压为150 V，通流能力为150 A，采用6管并联以增大通流能力。调制方式采用SVPWM调制方法。控制器采用80V电池包供电，采用反激电路、Buck电路和线性LDO电路输出所需的不同电压等级。电流采样选用电流霍尔传感器MLX91209LVA-CAA-000-CR，其采样范围可达-650~650 A，输出电压为0~5 V。控制器采用CAN与外界进行通信，采用的CAN收发器芯片为MAX3057ASA，并且采用ADUM121N0BRZ-RL7隔离芯片将控制器与外界CAN隔离。
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软件设计

软件设计主要包括所需外设的配置、通信协议以及核心的电机控制算法。在进行软件设计时，首先需设计整体框架，然后根据整体架构设计各个组成部分，对每个模块的功能进行测试通过后，将各个部分进行组合，然后进行整体测试。软件设计根据时序和优先级可分为主程序设计和中断服务程序设计。主程序设计包括外设初始化、以及对时序要求不高的模块，中断服务程序设计包括电机控制算法设计、软件保护设计、旋变软件解码设计以及其它对时序要求高的模块。

在电机上电后，先进行主控芯片初始化以及中断、定时器使能等操作，在完成这些步骤后，进入正常电机控制循环中，电机状态机运行，同时实时同外界进行通信。下图包括了上电后进行的初始化和使能流程，右侧部分为电机控制循环流程。主程序中while循环负责部分电机控制状态机运行以及外部通信，而核心的电机控制算法是放在中断中执行。在电流采样完成后，进行旋变解码，获取FOC控制所需转子位置，后进行故障检测，若无故障，则进行转速、电流双闭环控制，实现永磁同步电机FOC控制。在完成主程序和中断服务程序的设计后，还需设计软硬件保护功能。硬件保护首先会在硬件上自动关闭驱动桥PWM输出，同时主控芯片还会捕获硬件保护信号，在软件上也关闭PWM输出，提高系统保护可靠性。
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实验测试

电机参数
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1、旋转变压器单双采样位置解码
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2、考虑铁损的抗电压饱和MTPA控制
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3、电动叉车负载突变实际测试电流
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视频演示

链接：https://pan.baidu.com/s/1LHppQDRlnU3fWss77j5qxw
提取码：k3io

总结

电动叉车常采用内置式永磁同步电机作为驱动电机，为充分利用其磁阻转矩、提高电机运行效率，需采用MTPA控制方法。本文主要对电动叉车永磁同步电机MTPA和弱磁控制展开研究，并根据实际项目需求设计了电动叉车控制器，本文的主要工作和创新点总结如下。
1、针对旋转变压器位置解码芯片昂贵的问题，提出了一种旋转变压器双采样差分位置解码算法。实验结果表明，相比常规位置软解方案，所提方法可以消除了正、余弦信号偏置浮动对位置解调的影响，位置解调精度高，稳态时电机转速波动和电流幅值均有所减少，系统动静态控制性能得到提升。
2、针对传统公式法MTPA控制方法存在效率较低、无法抑制逆变器电压饱和问题，以及针对标定查表法MTPA存在耗时长、制表复杂、通用性差等问题，提出一种考虑永磁同步电机铁损的抗电压饱和MTPA控制方法，控制效率相对于公式法MTPA提高了2%。在转速达到3500 r/min左右时，输出转矩相比于公式法提高了3倍以上。
3、针对常规基于电压反馈型的弱磁控制方法存在进出弱磁点时容易导致系统不稳定的问题，提出一种转速补偿超前角的弱磁控制方法。在不增加电压反馈环路的条件下，实现弱磁升速。
4、设计电动叉车永磁同步电机控制器，首先根据系统需求设计控制器硬件系统，然后在控制器硬件平台基础上，针对电动叉车电机性能需求，验证了上述永磁同步电机MTPA和弱磁控制算法。最后，在测功机台架上进行测试。实验结果表明，电机带载能力达到120 N×m、最大转速4200 r/min、电机运行效率在90%~92%之间，达到系统设计目标。