優化電動馬達的實用方法 / MTPA 測試路線圖

介紹

最大扭力/安培 (MTPA) 是一種用於控制採用磁場定向控制 (FOC) 的馬達和驅動器的最佳化策略，尤其適用於電動車 (EV) 和工業自動化應用。 MTPA 的目標是在給定電流輸入的情況下，使馬達實現最大可能的扭力輸出。最大扭矩值對應於特定的電流幅值，可分解為正交軸和直軸分量。這些數據點隨後被組織成 MTPA 曲線或表格，並應用於驅動控制系統，以優化馬達在各種運行條件下的效率。
 

使用 FOC 取得 MTPA

FOC 是一種廣泛採用的馬達控制方法，尤其適用於永磁同步馬達 (PMSM) 和無刷直流馬達 (BLDC) 等同步馬達。它透過將定子電流解耦為兩個正交分量——直軸 (d 軸) 和交軸 (q 軸)，實現對馬達磁場和扭矩的精確控制。 d 軸電流分量 (Id) 控制磁場，而 q 軸電流分量 (Iq) 控制扭矩。

MTPA 與 FOC 直接相關，它透過優化電流分量的分配，在特定電流幅值下實現扭矩輸出最大化。 MTPA 可確保馬達高效運行，在不超過電流限值的情況下產生盡可能高的扭矩，並允許馬達以 Id 和 Iq 的最佳組合運行，從而在相同定子電流下實現更高的扭矩。
 

什麼是 MTPA 曲線？

最大扭矩測試可確定最佳工作點，然後將其繪製成 MTPA 曲線或製成表格，以便整合到馬達控制器中。 MTPA 曲線顯示了 Id 和 Iq 的最佳組合，該組合可最大化單位電流的扭矩，並最小化定子電流損耗，從而提高效率。 MTPA 曲線圖可以將 MTPA 曲線與恆定扭力曲線進行對比，後者表示馬達無論轉速如何都能保持穩定扭力輸出的點。恆定扭矩曲線著重於保持扭矩，而 MTPA 曲線則旨在以最小電流實現最大扭矩，從而提高馬達性能。
 

曲線生成

MTPA 曲線是透過一系列測試和測量產生的，這些測試和測量可以繪製出不同扭力需求下的最佳 Id 和 Iq 值。此過程首先在安全工作限值內改變 Id 和 Iq，並記錄相應的扭力輸出。這些數據（即電流幅值、扭矩、正交電流、直流電流）是在一系列轉速和扭矩運行條件下收集的，以確保獲得涵蓋馬達整個運行範圍的全面數據集。

收集的數據使用戶能夠確定每安培扭矩 (TPA) 值。接下來，他們選擇最高的 TPA 值，並確定相應的 Id 和 Iq 值，從而建立總電流幅值每一步的 MTPA 曲線。最後，將此 MTPA 曲線應用到馬達控制演算法中，持續監控每個參數，確保馬達在所有條件下達到最佳效能。
 

MTPA 測試與驗證

MTPA 測試和驗證需要一套可實現 FOC 方案的馬達驅動器（通常為 PWM 驅動器和 PMSM 馬達），以及一台能夠對大電流訊號進行精確交流功率測量並對擷取資料進行數學計算的功率分析儀。本應用筆記中的說明和數據均基於橫河馬達 WT5000 精密功率分析儀。 。

本例中，搭建了一個馬達測試台，其中的永磁同步馬達 (PMSM) 由磁滯煞車加載。馬達進行扭力控制，而煞車進行速度控制。馬達驅動器經過編程，輸出恆定電流幅值，並掃描與總幅值相符的 Id 和 Iq 值。電流幅值和速度的整個範圍都運轉完畢後，這些值會發生變化，以涵蓋馬達的整個工作範圍。
 

圖 1. 馬達和測力計示意圖
 

功率分析儀測量馬達驅動器三相交流訊號的功率。此外，還使用扭矩、速度和位置感測器來計算機械功率。利用位置值和電流幅值，功率分析儀可以計算正交和直流電流值。
 

圖2. MTPA計算公式
 

圖 3. 實現方程
 

接下來，記錄資料點的掃描輸出，以分析最大 TPA 值及其對應的 Id 和 Iq 值。

圖 4. Id 和 Iq 的測量掃描
 

確定電流幅度每一步的最大 TPA 值及其 Id 和 Iq 值，並且資料點會產生表格和曲線以供馬達控制器實施。

數據也可以以表格或圖形曲線的形式表達出來，如圖 5 和圖 6 所示。

圖 5. MTPA 資料表

圖 6. MTPA 曲線
 

收集到資料點後，可以將此最佳化整合到馬達驅動器的控制演算法中，馬達驅動器可以在運作過程中的各種負載期間參考此最佳化表。
 

結論

MTPA 是馬達控制中的一項基本策略，它利用 FOC 原理來優化給定電流下的扭力輸出。透過精心繪製和實施 MTPA 曲線，使用者可以顯著提高各種應用中馬達的效率、性能和使用壽命。無論用於電動車、工業自動化、再生能源系統或家用電器，MTPA 都能推動馬達控制技術的進步與創新。