考虑参数不确定的永磁同步电机MTPA控制综述

内嵌式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronous motor,IPMSM)最大转矩电流比(maximum torque per ampere,MTPA)控制方法充分利用磁阻转矩,降低电枢电流,提升系统效率,成为现代电机驱动控制的重要发展方向。在实际运行过程中,电机参数不确定导致MTPA控制偏离最优解,因此提高MTPA控制的鲁棒性和实用性具有重要意义。该文着重介绍了考虑参数不确定的多种MTPA控制方法,归纳和总结了相关方法的关键技术和研究成果。重点阐述了高频信号注入法的理论核心,探讨了由信号注入法演化而来的其他方法的性能优势和应用局限,并提出一种改进的MTPA控制方案。最后,针对考虑参数不确定的内嵌式永磁同步电机MTPA控制方法目前亟需解决的问题和发展趋势进行分析和展望。     

自寻优最大转矩电流比矢量控制连载之二：同步磁阻电机虚拟双极性信号注入法控制

最大转矩电流比(MTPA)控制可以有效提升同步磁阻电机(SynRM)的效率。虚拟信号注入法是近年来实现MTPA控制的研究热点之一,现有的虚拟单极性方波信号注入法仍存在一定稳态误差,并且存在无效计算时间。提出一种虚拟双极性方波信号注入法,在单极性方波的基础上增加负极性信号,填补了单极性方波的无效计算时间,消除了单极性方波注入法存在的稳态固有误差,实现精准MTPA控制。通过理论仿真和硬件实验,将虚拟双极性方波注入法与现有的虚拟单极性方波注入法进行比对,验证了该方法具有更高的稳态精度,且具有良好的动态性能,能够实现SynRM的高性能MTPA控制。     

新型空间矢量信号注入MTPA控制策略

为了优化内置式永磁同步电机(IPMSM)驱动控制性能,提出了一种基于空间矢量信号注入的新型最大转矩电流比(MTPA)控制策略。新控制方案中,将高频信号直接注入到空间矢量中,然后通过定子磁链幅值和定子电流幅值的变化分析跟踪MTPA点。由于高频信号被注入到电压空间矢量中,故不需要根据速度闭环和电流闭环的带宽来选择注入信号的频率。新控制方案能够准确地跟踪MTPA点,与电机参数无关,具有较好的鲁棒性。最后,在IPMSM驱动试验平台上进行了若干试验,试验结果验证了新控制策略的效果。     

基于直接判据提取方式的直轴电流补偿型IPMSM最大转矩电流比控制算法

为实现内嵌式永磁同步电机（IPMSM）高性能运行，该文提出一种最大转矩电流比（MTPA）决策与控制算法，旨在简化控制结构、加快系统动态响应、增强系统鲁棒性。该算法根据dq轴电流直接计算电磁转矩的微分项，并以此作为MTPA状态的决策判据。根据判据值对d轴电流参考值进行补偿，实现对MTPA状态的在线追踪。所提算法无需实际或虚拟信号注入和解算环节，系统动态性能得以提高。d轴电流补偿控制解决了算法收敛速度对负载条件较敏感的问题，提升了控制系统的鲁棒性。理论分析、仿真计算和实验结果验证了该方法的有效性和优越性，与虚拟信号注入法相比，所提出的算法在不同负载下对MTPA状态的收敛时间降低为原来的1/5～1/2。     

改进虚拟信号注入永磁同步电机MTPA控制

虚拟信号注入最大转矩电流比(MTPA)控制能够自寻优到电机MTPA工作点,相比于传统的公式法受到电机参数变化的影响较小。但传统的虚拟信号注入控制策略需要经过复杂的坐标变换过程,从d-q坐标系转到极坐标系,再由极坐标系转回d-q坐标系进行解算,运算量较大。本文提出一种新的虚拟信号注入方法,可以避免原虚拟信号注入方法所需的复杂的坐标变换过程,简化了运算过程。并且新的虚拟信号注入方法可以避免原虚拟信号注入方法因忽略电磁转矩泰勒展开的高阶偏导项而引入的误差。在不同工况下对电机进行了仿真和实验,验证了所提虚拟信号注入MTPA控制策略的动静态性能。实验结果表明所提方法不影响控制精度,同时可以显著减少程序运算量,具有更好的实用价值。     

内置式永磁同步电机精确参数的MTPA控制

内置式永磁同步电机（IPMSM）由于转子磁路不对称,最大转矩电流比（MTPA）控制可充分利用该特性提高电机带载能力。在实际控制中,IPMSM的电气参数会因磁饱和、温度变化而发生波动,导致实际MTPA控制偏离预定轨迹,无法实现精确控制。针对参数变化,在电动汽车中MTPA控制多采用查表法,但制作查询表格过程复杂且耗时。针对上述问题,文中采用遗忘因子递推最小二乘法对电机参数进行在线辨识,并将得到的实时参数用于MTPA控制,提高了鲁棒性和准确性;运用MTPA控制下定子电流与交、直轴电流的关系得到交、直轴电流给定值,该控制策略原理简单,易于实现。通过MATLAB/Simulink搭建控制系统模型进行了仿真研究,其结果验证了所提方法的准确性和有效性。     

永磁同步电机虚拟信号注入MTPA控制方法

提出了一种虚拟信号注入(VSIC)来实现最大转矩电流比(MTPA)的方法。该方法通过在反馈电流信号中叠加小幅值的高频正弦分量,并以泰勒级数展开的方式分析出电磁转矩与电流矢量角之间的内在联系,进而配置合理的低通、带通滤波器截止频率,即可提取出MTPA电流对应的角度信息。整个过程无需任何永磁同步电机(PMSM)参数,同时有效避免了传统高频信号注入方法存在的转矩脉动、高频噪音、附加损耗等弊端。基于25 kW的双PMSM对拖平台完成系统样机实验,验证了VSIC效率优化方法的可行性和高效性。     

混合动力汽车IPMSM鲁棒自调节效率优化控制

针对传统混合动力汽车(HEV)系统效率优化控制方法存在的参数依赖性问题,提出了一种IPMSM电机鲁捧自调节最大转矩电流比(MTPA)优化方法。该方法通过在定子电流矢量角上叠加一个高频正弦小信号,通过数字信号处理提取出反映转矩变化规律的功率信号,并采用PI调节器锁定出最优矢量角。此外,设计了高频电流控制器进行内环电流调节器动态补偿,从而提高鲁棒MTPA控制的动态响应性能。最后,搭建了一台22 kW的永磁同步电机HEV系统实验样机,对所提鲁棒MTPA方法的动、稳态性能进行了实验验证,结果表明该方法下HEV系统具备较强的鲁棒性和高效性。     

基于改进多虚拟信号注入的永磁同步电机MTPA控制

内置式永磁同步电机为充分利用磁阻转矩,常采用MTPA控制策略,直接公式计算MTPA控制策略易受参数变化影响,一些研究者提出了虚拟信号注入MTPA控制策略。传统多虚拟信号注入MTPA控制需要四路虚拟信号注入,计算量较大。文章提出一种新的多虚拟信号注入MTPA控制策略,将传统四路虚拟信号注入减少到两路,极大减少了运算量,同时不影响MTPA控制精度。仿真结果与实验结果验证了该方法的有效性,在不影响MTPA控制精度的条件下,显著减少了计算量,具有更好的应用价值。     

基于虚拟信号和高频脉振信号注入的无位置传感器内置式永磁同步电机MTPA控制

为了降低传统内置式永磁同步电机(IPMSM)低速无位置传感器控制系统中的铜耗,该文提出一种基于虚拟信号和高频脉振信号注入的最大转矩电流比(MTPA)无位置控制技术,以提高电机的转矩输出能力和系统效率.为避免两种控制算法相互干扰,与传统虚拟信号注入MTPA控制策略不同,该文提出的方法在估计的dq轴上注入直流信号,通过功率计算来跟踪MTPA工作点.该MTPA策略不会引起额外的损耗且不依赖于电机参数.与此同时,由于注入信号为直流信号,无位置传感器控制精度并不会受到影响.实验结果表明,所提方法在不同负载转矩、不同转速等工况下,能够在准确追踪MTPA工作点的同时准确地在线估计转子位置.     

基于滑模锁相环永磁同步电机无传感器控制动态性能改进

高频信号注入法解决了永磁电机无速度传感控制在零速和低速运行时的许多难题,但是动态性能较慢也是一大不足。针对高频注入永磁同步电机(PMSM)无速度传感器控制动态响应问题,提出了一种基于变结构滑模控制改进的锁相环(PLL)结构。该结构在传统的PLL基础上,通过对高频信号调解后的PLL输入信号进行滑模控制从而提升PLL的动态性能。该方法比传统的PLL结构增强了系统的动态响应能力,且不需要电机参数,由于变结构滑模函数的引入,也增强了系统的鲁棒性能。仿真和试验结果证明,该方法缩短了电机动态响应时间,减小了动态响应过冲,证明了改进算法的可行性与有效性。     

Sensorless drive of surface-mounted permanent-magnet motor by high-frequency signal injection based on magnetic saliency

This paper presents a new sensorless control scheme of a surface-mounted permanent-magnet (SMPM) motor using high-frequency voltage signal injection method based on the high-frequency impedance difference. In the SMPM motor, due to the flux of the permanent magnet, the stator core around the q-axis winding is saturated. This makes the magnetic saliency in the motor. This magnetic saliency has the information about the rotor position. The high-frequency voltage signal is injected into the motor in order to detect the magnetic saliency and estimate the rotor position. In this paper, the relationship between the high-frequency voltages and high-frequency currents is developed using the voltage equations at the high frequency, and the high-frequency impedance characteristics are analyzed experimentally under various conditions. The proposed sensorless control scheme makes it possible to drive the SMPM motor in the low-speed region including zero speed, even under heavy load conditions. The experimental results verify the performance of the proposed sensorless algorithm.     

一种内嵌式永磁同步电机启动策略

针对基于高频电压信号注入法的内嵌式永磁同步电机低速无位置传感器控制系统无法估计转子初始位置导致电机启动运行困难的问题,提出了一种内嵌式永磁同步电机启动策略.该策略通过向d,q轴注入高频脉振三角波电压信号,利用连续信号的解调思想傅里叶分解高频响应电流进行信号调制,获取角度误差信息,采用Luenberger观测器代替单PI...     

纯延时滤波器提取高频注入响应在无位置传感器IPMSM系统中的应用

针对现有高频注入法估计永磁同步电机转子位置信号处理过程中信噪比低、相位滞后大等缺陷,提出一种用纯延时滤波器在静止坐标系下提取高频电流,在高频注入电压同步坐标系下提取负序高频电流,估计转子位置的设计方法,在此基础上,给出一种根据最小闭环谐振峰值设计准则设计锁相环参数的方法 ,且根据高频负序电流的幅值对位置误差信号进行标准化处理,克服了高频负序电流幅值变化对锁相环性能的影响。最后通过IPMSM无位置传感器矢量控制实验平台,验证了该方法的有效性和可行性。     

基于智能PI的永磁同步电动机近似最大转矩电流比控制

在永磁同步电动机数学模型和最大转矩电流比(MTPA)控制理论基础上,通过优化算法研究了一种近似最大转矩电流比控制,对转矩电流关系进行线性化,便于工程应用。为了改善传统PI调节系统的动态性能,采用一种智能PI调节器作为系统的转速外环控制器。仿真结果表明:近似最大转矩电流比控制性能接近最大转矩电流比控制,相同的负载扰动下智能PI控制系统的动态速降和恢复时间均小于传统PI控制系统。     

永磁型无轴承电机无径向位移传感器运行研究

在分析悬浮绕组电感与转子径向位移线性关系的基础上,针对永磁型无轴承电机无径向位移传感器运行的需要,分析了一种基于悬浮绕组高频信号注入的转子径向位移估算自检测方法,讨论了利用高频信号注入、悬浮绕组差分电压提取及转子径向位移跟踪观测器设计等位移检测原理和实现技术,并应用这种位移检测方法建立了永磁型无轴承电机无径向位移传感器控制系统.仿真研究表明,该位移自检测方法能在永磁型无轴承电机全速范围内准确地观测出转子的径向位移,实现无径向位移传感器方式的稳定悬浮运行.     

基于变频器的异步电机离线参数辨识

分析了基于变频器控制的异步电机参数辨识方案.对传统测定子电阻的直流试验方法进行改进,提出了一种消除功率开关器件压降影响的定子电阻辨识方法.通过向电机施加单相电压信号,得到了电机参数的计算公式.针对单相试验中电机定子电流准幅值和相位的对电机参数精确估计的需求,提出了一种基于离散傅里叶变换测量电机定子电流幅值与初始相位的方法,所述算法考虑到由于非同步测量误差以及频谱泄漏和栅栏效应引起的离散傅里叶变换计算误差的修正问题.MATLAB/Simulink仿真结果证实了所提方法的有效性.     

考虑磁路饱和的IPMSM电感辨识算法及变参数MTPA控制策略

内置式永磁同步电机(IPMSM)d、q轴电感会随着磁路饱和程度的不同而发生改变,这会降低最大转矩电流比(MTPA)控制的有效性。考虑到定子电流引起的磁路饱和及交叉饱和效应的影响,提出了相应的d、q轴电感辨识算法和变参数MTPA控制策略。采用基于旋转高频电压注入的d、q轴电感辨识算法可在其他电机参数未知的前提下得到不同负载条件下的d、q轴电感;变参数MTPA控制策略能够充分利用标幺值化处理的优势,在转矩-最优电流控制表不变的基础上,只需根据实际d、q轴电感更新电流基值和转矩基值便可克服电感变化带来的不利影响,并实现一定转矩条件下的最佳MTPA控制。最后在电机控制实验平台上通过实验对提出的电感辨识算法和变参数MTPA控制策略的可行性和有效性进行了验证。     

Simplified fuzzy-logic-based MTPA speed control of IPMSM drive

This paper presents a simplified fuzzy-logic-based speed controller of an interior permanent-magnet synchronous motor (IPMSM) drive for maximum torque per ampere (MTPA) of stator current with inherent nonlinearities of the motor. The fundamentals of fuzzy logic algorithms as related to motor control applications are illustrated. A simplified fuzzy speed controller for the IPMSM drive has been found to maintain high performance standards with a much simpler and less computation-intensive implementation than a nonsimplified fuzzy-based algorithm. Contrary to the conventional control of IPMSM with d-axis current equal to zero, a nonlinear expression of d-axis current has been derived and subsequently incorporated in the control algorithm for maximum torque operation. The efficacy of the proposed simplified fuzzy-logic-controller (FLC)-based IPMSM drive with MTPA is verified by simulation as well as experimentally at dynamic operating conditions. The simplified FLC with MTPA is found to be robust for applications in IPMSM drives. The complete vector control scheme is implemented in real-time using a digital signal processor (DSP) controller board DS 1102 in a laboratory 1-hp IPM synchronous motor.