基于矢量控制的感应电机弱磁控制算法研究

变频调速控制系统要求电机具有宽范围的恒功率弱磁调速能力,并能输出较大的转矩。提出一种感应电动机弱磁状态下励磁电流和转矩电流轨迹控制的新方法。在满足电机和驱动器最大电压和电流约束条件的前提下,对电机励磁电流轨迹和转矩电流轨迹分别独立控制,实现全速度范围内的最大转矩输出。设计了该弱磁控制算法的实现策略,并在7.5 kW感应电机上进行实验研究,与传统弱磁控制方法相比,提出的弱磁控制方法可以输出更大的转矩,电流波动小,系统更稳定。     

感应电机弱磁区最大转矩输出的控制策略研究

针对感应电机采用传统弱磁方法不能实现最大转矩输出,提出了一种全速度范围实现最大转矩输出的电流优化分配控制策略。首先,以最大转矩输出为目标,对电压、电流进行合理分配,得出了理论的最优电流分配原则;然后,以电机运行的实际状态与理论分配相结合,提出了一种电流优化的控制策略;最终,将该方法用于矢量控制系统中,实现了全速度范围的最大转矩输出控制。通过仿真和实验结果证明,该方法可靠、有效且动态响应性能良好。     

感应电动机转子磁场定向下的弱磁控制算法

电动汽车、数控机床等应用领域要求感应电动机具有宽范围的恒功率弱磁调速能力。提出一种感应电动机弱磁状态下电压和电流轨迹控制的新方法。在满足电机和驱动器最大电压和电流约束条件的前提下,该方法可实现全速度范围内的最大转矩输出。此方法不需要查表运算,对电机参数的依赖性较低。通过对SVPWM方法中得到的零电压矢量作用时间的积分,可得到d轴电流的给定值,从而实现最大转矩电流比（maximum torque per ampere,MTPA）控制区与弱磁区之间的平滑过渡。在5.5 kW系统上对所提弱磁方法进行仿真和实验验证,实验结果证实了该方法的可行性。     

电动汽车电驱动系统高速区快响应控制策略

电动汽车电驱动系统要求宽调速范围内转矩响应迅速,同时要有较高的效率.本文首先结合汽车典型循环工况,分析了电动汽车行驶过程中电动机的工作特点,给出了一种基于损耗模型的感应电机效率优化方法,并探讨了其在基频以上的最优磁通选择限制;然后在分析优化运行对感应电机动态响应速度影响的基础上,提出一种适用于基频以上的快速转矩响应控制策略,根据动态过程中电压限制的偏移调整分配电机的励磁和转矩电流给定,突破了基于稳态分析的最大转矩控制策略在分析和解决动态过程转矩输出能力问题时的局限性;并以TMS320LF2407A DSP为控制核心组建了实验系统.仿真和实验结果表明,提出的控制策略可在动态中提供较大的转矩输出,减小了采用效率优化控制对电动汽车高速运行时动态响应速度的影响.     

感应电机宽范围调速时电流分配策略研究

为了实现感应电机的宽范围调速,针对弱磁控制的关键问题,依据电机在3个不同速度区段的电压、电流、转矩特性,通过严格的数学推导,提出了一种新的电流分配方法,该方法同时认定,励磁电流的参考值和转矩电流的限幅值只与恒转矩区的电流分配有关,无需电机参数,具有较高参数鲁棒性。在全数字感应电机交流主轴驱动系统上实现了算法。实验结果表明,该方法有效提高了弱磁区的电流调节性能,能够增大输出转矩,加快速度响应。     

内置式永磁同步电机MTPA和弱磁控制

永磁同步电机(PMSM)的矢量控制恒转矩控制常用两种控制方式:弱磁控制和最大转矩电流比(MTPA)控制。内嵌式永磁同步电机(IPMSM)输出的转矩包含部分磁阻转矩,在相同转矩输出情况下,MTPA控制所需定子电流小于弱磁控制的定子电流,这样就实现了最小铜损。当车速达到额定转速后,电机受到电池电压的限制,恒转矩控制策略无法实现电机转速的继续上升,此时电机进入恒功率运行区,通过弱磁控制策略实现在电压受限条件下的电机转速上升。提出了在低转速和无需足够大扭矩时使用MTPA控制;在转矩输出要求很大时,使用最大电流输出控制;超出额定转速后,使用最大功率输出控制,即最大电压转矩比(MTPV)控制。     

永磁同步电机宽范围最大转矩控制

提出一种永磁同步电机新的宽范围弱磁控制策略,根据电机在不同转速段运行时的转矩特性,考虑逆变器的输出电压能力及电机的电流约束条件,以输出最大转矩为目标,分析得出全速范围内的电流矢量控制算法。该方法将全速段分为四个运行区间,可实现恒转矩运行与弱磁控制的快速平滑过渡,使系统在额定转速以下具有恒转矩输出,在高速运行时实现恒功率特性。仿真及实验结果表明,提出的方法可有效拓宽电机的转速运行范围,具有较快的动态响应性能。     

内置式永磁同步电机牵引系统宽调速非线性控制器

针对内置式永磁同步电机(IPMSM)牵引系统机械参数时变、恒转矩区需高转矩输出、恒功率区需宽调速问题,运用非线性自适应控制理论,设计了一种电流滞环控制非线性自适应反步控制器。该非线性控制器在恒转矩区采用最大转矩比电流控制,提高转矩输出能力;在恒功率区采用弱磁控制策略,扩大调速范围;同时对电机参数摄动有较强的抑制能力,表现出较好的鲁棒性。仿真结果证明了IPMSM牵引系统非线性控制器的正确性和有效性。     

变工况下感应电机全速域效率优化控制研究

为了进一步降低感应电机在变工况运行条件下的电能损耗,提出了一种基于模型法的全速域节能运行控制策略。该策略在考虑漏感影响的损耗模型基础上,建立可控损耗受转速与电流影响的机理关系,并对感应电机在全速域范围运行的转速变化进行区域划分,利用库恩卡克条件确定在不同速度划分区域运行负载波动时的最优节能控制策略;在弱磁区利用电流轨迹图对励磁电流和转矩电流进行合理分配来提高感应电机最大转矩。仿真分析表明,所提出的节能控制策略能够有效提高感应电机的运行效率,并提高弱磁区的最大输出转矩,使系统达到最佳运行状态。     

PMSM最大转矩电流比全速控制策略及其仿真

在恒功率区,电机运行主要受电压极限椭圆的约束。基于永磁同步电机转子磁场定向数学模型,提出了在全速范围内实现最大转矩电流比的电流控制算法,并在MATLAB/Simulink环境下建模仿真。仿真结果表明,提出的永磁同步电机全速范围MTPA控制算法获得了电流、转矩的准确、快速响应,实现0～9 000 r/min的宽范围调速。采用SVPWM实现圆形磁场利于降低转矩波动。     

Practical Wide-speed-range Sensorless Control System for Permanent Magnet Reluctance Synchronous Motor Drives via Active Flux Model

This article introduces a control strategy to obtain near-maximum available torque in a wide speed range with sensorless operation via the active flux concept for permanent magnet-reluctance synchronous motor drives. A new torque dq current reference calculator is proposed, with reference torque limited by the torque/speed envelope and by maximum current constraint. This solution approximates the maximum torque per ampere below base speed and also in the flux-weakening region, where voltage limitations impose constraints on the allowable dq currents with less computational effort. Comprehensive digital simulation results (1–6000 rpm) and experimental results (50–3000 rpm at low inverter available DC voltage of 12 V_dc instead of 48 V_dc) demonstrate the effectiveness of the proposed sensorless control strategy in a wide speed range, with stable and reliable operations up to a speed equal to eight times the machine base speed (constant power speed range = 8).     

增程式电动车用永磁同步电机弱磁控制仿真研究

考虑到增程式电动车(EREV)电驱动系统的特点和特殊要求,在永磁同步电机数学模型的基础上,研究了永磁同步电机的弱磁控制原理及其控制策略。在基速以下,采用最大转矩/电流控制(MTPA),使电机运行于恒转矩区,以获得最大电磁转矩;当转速增至基速后,则采用弱磁控制策略,以拓宽电机的调速范围,实现高速恒功率运行。在Matlab/Simulink中,基于电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术对永磁同步电机弱磁控制系统进行了建模仿真,验证了该弱磁控制算法正确性。     

A novel analytical approach for a vector‐controlled,adjustable‐speed synchronous machine

A novel approach for operation analysis of a vector control synchronous machine has been described. To draw the vector diagram under adjustable speed operation, the concept of normalized voltage has been introduced. It is to divide the voltage value by angular frequency of the machine, then the voltage vectors, which contain angular frequency immanently, will not change their length under adjustable speed operation, and the vector diagram will keep its size unchanged for the whole speed range. Also, reactance drop locus and its accompanying yardstick circle for determining current phase angle, in corresponding to the variation of the given armature current vector, were deduced. Then, the operation of the machine for the whole adjustable speed range can be represented in single diagram. As the accompanying matters, the methods for calculating the operating characteristics of maximum torque control and 100% power factor control were shown. © 2002 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 141(2): 48–56, 2002; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.10058     

Selection of the flux reference for induction machine drives in thefield weakening region

In a conventional rotor flux-oriented (RFO) induction machine drive, the flux reference is usually made proportional to the inverse of the rotor speed for field-weakening operation. It is indicated in this paper, however, that such a variation cannot maintain optimal (maximum) torque capability of the machine over the entire speed range. It is further indicated that a nearly optimal torque capability can be achieved in a stator flux-oriented (SFO) system when the stator flux reference is varied as the inverse of the rotor speed     

宽转速范围永磁同步发电机电流矢量控制

为了实现永磁同步发电机(PMSG)在宽转速范围内和变负载条件下的高性能稳压控制,提出一种基于PWM整流器的PMSG电流矢量控制策略。PMSG输出的不稳定交流电经过PWM整流器变换成稳定的直流电,这样的直流发电系统具有高功率密度、高效率和能量、可双向流动等优点。所述的电流矢量控制策略,具体是在PMSG低速时采用最大转矩/电流比(MTPA)控制,中高速时通过一个电压外环实时补偿d轴弱磁电流,使得PMSG系统能够根据转速和负载变化及时地分配和控制d、q轴电流。仿真和实验结果验证了该控制策略的正确性和有效性,实现系统在宽转速范围的高性能稳压输出。     

凸极式无刷直流电机全速段复合矢量控制策略

针对非理想正弦型气隙磁密的凸极式(IPM-Type)永磁无刷直流电机(BLDCM),在传统方波电流控制下难以实现全速度范围的最大转矩比(MTPA)控制及换相转矩脉动抑制,提出一种基于机电能量转换理论和转子同步运动相结合,并考虑复杂参数项的复合矢量控制策略,可以直接提取并控制电机定子电流的转矩分量来同时实现这2个控制目标。首先,在不同转速区间选择近似或实际MTPA模式控制电机。其次,考虑到实际运行过程中电机参数容易随着复杂工况而变化,采用简化的可变参数等效辨识及最优分配方案完成矢量控制。所提策略不仅可以使电机在任意速度区间匹配到最优电流参考点,而且提高了闭环动态响应。实验结果验证了方案的有效性和可行性。     

PWM-CSI induction motor drive with phase angle control

The authors describe a pulse-width-modulated current-source inverter drive system using an induction motor. Its dominant feature is that it provides adequate control of either torque or speed over a wide range without requiring a shaft position or speed sensor. The capacitor-loaded current-source invertor system has the advantages of simplicity, low switching frequency, four-quadrant operation, overcurrent protection, and low harmonic content in the motor current and voltage. The choice of maximum value for the capacitor depends on the degree of nonlinearity that can be tolerated in the torque-stator current relation, whereas its minimum value depends on the need for a low impedance path for inverter current harmonics. The control strategy is based on the concept of controlling the stator phase angle of the induction motor. The stator voltage is sensed, and the current-source inverter is used to inject current into the motor with the desired phase angle     

一种无速度传感器感应电机鲁棒滑模控制策略

设计了一种在同步旋转坐标系下的无速度传感器感应电机滑模速度和磁通控制方案,并设计了一种收敛速率可调的闭环滑模磁通观测器。Lyapunov稳定性理论推导和仿真结果均证明了该控制策略和磁通观测器对参数摄动和不确定因素有很强的鲁棒性。为了削弱变结构控制中的抖振现象,采用饱和函数来代替符号函数。在转速观测器中加入在线估计负载转矩环节,使得转速观测器对负载转矩变化具有良好的鲁棒性。在电机参数和负载发生剧烈变化的情况下,分别利用该控制策略和精确反馈线性化控制方法进行了对比仿真。仿真结果验证了该控制策略与观测器的有效性。