车用内置式永磁同步电机线性化损耗最小控制

降低内置式永磁同步电机的损耗,对于提高电动汽车的一次充电续行里程有重要的意义,在分析内置式永磁同步电机(IPMSM)损耗模型的基础上,基于状态反馈精确线性化控制策略,推导出损耗最小控制下最优的励磁电流和转矩电流,使内置式永磁同步电机运行于损耗最小控制方式下,并利用Matlab仿真软件建立了系统模型并进行仿真。仿真结果表明,与传统的最大转矩控制相比,系统在保持线性化解耦快速动态响应的同时,损耗最小控制方式下的电机损耗有明显减小,达到节能提高电动汽车一次充电续行里程的目的。     

永磁同步电机的损耗分析

过高的温升会给电机造成不可逆的损害,发热是由损耗引起,因此对永磁同步电机的损耗分析十分必要. 电机损耗主要包括铁芯损耗、定子绕组损耗、机械损耗和涡流损耗等.文章主要对电机的各种损耗进行分析、计算, 为设计生产更高效的电机提供理论依据。     

内置式永磁同步电机电感参数的研究

分析了永磁体磁势和电枢磁势共同作用时内置式永磁同步电机的电感特性,基于交流静态法,提出了一种改进的测量内置式永磁同步电机定子自感和互感以及交直轴电感的方法。为了考虑饱和和交叉耦合效应对电感参数的影响,该方法首先根据所测电压和电流数据计算出不同转子位置和电流下的磁链,然后根据磁链计算出电机自感和互感以及交直轴电感参数,并应用该方法进行了实测研究。结果表明,实测结果与有限元分析结果吻合较好,验证了该方法的可行性和有效性。     

内置式永磁同步电机的效率最优直接转矩控制

为提高内置式永磁同步电机驱动系统的运行效率,提出了一种内置式永磁同步电机的效率最优直接转矩控制方法。在建立计及定子铁心损耗的内置式永磁同步电机模型的基础上,分析了电机损耗与转矩、转速和定子磁链的关系,导出了不同运行工况条件下效率最优定子磁链幅值的计算式。通过动态调节定子磁链给定值,实现了内置式永磁同步电机直接转矩控制系统的效率最优控制。实验结果表明,给出的优化控制策略在保持直接转矩控制快速动态响应特性的同时,可有效提高电机的运行效率。     

考虑磁路饱和的内置式永磁同步电机电感参数旋转辨识算法

实现对永磁同步电机调速系统高性能控制的基础是准确的数学模型和电机参数,其中电感参数对电机的稳态和动态运行性能影响较大,而对于内置式永磁同步电机而言电感除了受凸极结构影响之外,还受磁路饱和等因素的影响。考虑到定子电流引起的磁路饱和效应与交叉耦合效应对电感的影响,基于矢量控制技术分别提出了d轴和q轴电感旋转辨识新算法,即d轴复合电流激励法和转矩调整法。为了提高电感辨识准确度,还采用基于电压误差曲线的补偿算法对逆变器非线性因素引起的输出电压误差进行了补偿。最后在电机控制实验平台上通过实验验证了提出的电感辨识算法的可行性和有效性。     

考虑损耗的内置式永磁同步电机标幺化系统硬件在环实时仿真与测试

传统内置式永磁同步电机实时仿真建模通常只针对某一特定电机,且不考虑电机实际运行中存在的损耗,这存在两个缺点:一是采用实际值建模通用性不足,改变电机参数容易造成定点数溢出或芯片资源的浪费;二是如果不考虑实际电机尤其是大功率电机运行中的损耗,会引起一定的仿真误差。为解决这两个问题,建模采用标幺化,以适用于不同功率等级的电机;同时,建模时加入了等效损耗模型。为对比实时仿真模型相对于真实电机的准确度,搭建了2个实验平台,即硬件在环半实物平台(HIL Bench)和实物双电机对拖平台(M/G Bench)。以M/G Bench为基准,测试转矩从轻载到额定负载,得到电机在不同转速下的电流值,将相同工况下的HIL Bench电流值与之对比。结果表明,所提方法提高了HIL实时仿真的准确度,轻载误差为2%~6%,重载误差为1%~2%。     

考虑损耗模型永磁同步电机直接转矩控制

考虑表面式永磁同步电机的铁耗和铜耗建立损耗模型,获得了永磁同步电机损耗与电流之间的关系。根据电流和磁链的关系,得到电机损耗与定子磁链幅值之间的关系,从而实现了基于最小损耗的永磁同步电机直接转矩控制方案。仿真和实验计算结果表明,采用该控制方式与传统的直接转矩控制方式相比,虽然铜耗有了一定的增加,但是铁耗和总的电气损耗均有了明显的减小,系统效率有了明显的提高。     

内置式永磁同步电机交叉耦合电感分析

内置式永磁同步电机d、q轴间存在交叉耦合,对大转矩高饱和运行工况影响显著.在永磁同步电机的有限元模型基础上,采用冻结磁导率的方法分离出内置式永磁同步电机的交叉耦合磁链及其电感,并据此重建转矩方程,进而分析交叉耦合对于内置式永磁同步电机电磁转矩的影响.     

基于线性变参数模型预测控制的内置式永磁同步电机转速控制器设计

为了提高内置式永磁同步电机(IPMSM)的转速控制性能,该文提出一种线性变参数模型预测控制(LVP-MPC)算法,利用扩展卡尔曼滤波器(EKF)对负载转矩等未知参数进行估计来提高鲁棒性,通过将IPMSM的动态模型在稳态运行点处线性化,把得到的线性状态方程等效为增量形式,并设计增量形式的预测模型以及代价函数实现了转速与电流的最优调节,从而克服了因模型参数不匹配以及外部扰动引起的稳态误差。同时,用多面体约束来近似驱动系统的电压、电流的二次型约束条件,最终将所提出的模型预测控制(MPC)最优化问题转化为标准形式的二次规划(QP)而求解。仿真及实验结果表明,所提算法具有良好的转速动态性能和无偏差的转速指令跟踪能力。     

一种内置式永磁同步电机直接转矩控制系统的效率优化方法

提出了一种适用于内置式永磁同步电机(IPMSM)直接转矩控制驱动系统的效率优化方法。基于考虑铁心损耗的IPMSM模型,对电机损耗与运行转速、电磁转矩以及定子磁链三者之间的关系进行了研究分析。根据典型的IPMSM直接转矩控制不使用零电压矢量的特点,对电机功率损耗计算式进行了简化,推导得出在一定运行工况条件下IPMSM的效率最优定子磁链幅值。仿真结果验证了该方法不仅可以保持直接转矩控制动态响应的快速性,而且有效地提高了电机在稳态运行时的效率。     

Behavioral modeling of permanent magnet synchronous motor fed by PWM inverters considering iron losses due to carrier harmonics

This paper proposes a new method for behavioral modeling of a permanent magnet synchronous motor (PMSM) fed by a PWM inverter considering the iron losses due to carrier harmonics. In the proposed method, an inductance is connected in series with an iron loss resistance in the equivalent circuit of the PMSM to suppress the harmonic current due to carrier harmonics. The effectiveness of the proposed method is investigated by comparing the numerical results of iron losses of the PMSM obtained using a finite-element method and the newly derived equivalent circuit.     

永磁同步电动机空载铁耗研究

从产生根源出发,对永磁同步电动机空载铁耗进行细致分类。在此基础上,利用有限元法和Bertotti铁耗计算模型,以一台5 k W、3 000 r/min永磁同步电机为例,对正弦波供电永磁同步电动机的空载铁耗分布特性进行分析计算,得到基本铁耗与空载杂散损耗的比例关系以及不同因素所引起的空载杂散损耗分布规律。进而,研究了变频器供电空载电流时间谐波引起的谐波损耗,分析了不同极槽配合对变频器供电永磁同步电机的谐波损耗影响规律。最后,通过多台样机的空载铁耗试验,验证了计算的正确性。     

Parameter measurements for permanent magnet synchronous machines

The advances in inverter drive technology and permanent magnet materials have enabled the application of permanent magnet synchronous machines (PMSMs) to various fields. PMSMs are rapidly spreading in their applications with their advantage of high efficiency, which is highly needed in many applications in recent years. Although there have been standardized measurement methods of the machine parameters for synchronous machines, they are not intended to apply to PMSMs. Therefore, several new measurement methods suitable for PMSMs have been proposed. This paper presents a review and analysis of these methods. Copyright © 2007 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

一种改进的永磁同步电机模型预测控制

利用传统的模型预测控制算法确定下一时刻所要应用的开关状态时,需遍历变换器的全部开关状态,计算量较大,不利于在线应用。对此,提出了一种改进的永磁同步电机模型预测控制算法,通过求出期望的电压矢量角,确定电压矢量所在扇区,进而减少算法对开关状态的选择数量,使算法的计算量得到显著降低。实验结果说明,采用所提改进模型预测控制算法,系统具有较好的电流动态特性和较小的纹波电流。     

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。     

Trend of permanent magnet synchronous machines

The performance of permanent magnet synchronous machines (PMSMs) has improved rapidly by the progress in elemental technologies such as electromagnetic material technology, computer‐aided design technology, control technique, and drive circuit technology, and thus PMSMs are attractive as high‐performance machines in various fields. This paper describes the recent technology and the trends in PMSMs. To begin with the PMSMs are classified by the ratio of magnet torque to the reluctance torque and their features described, then the trend of the motor design and the electromagnetic material for highly efficient PMSM is shown. The technologies that help to reduce the vibration and noise are also described, and the recently developed PMSMs for traction drive application are introduced. Copyright © 2007 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

永磁电动机不同运行条件下的损耗研究

自起动永磁同步电动机,由于其运行条件经常发生变化,致使电机内部的损耗随之改变,为了研究影响其损耗的主要因素及其在不同运行条件的变化规律,在充分考虑谐波磁场与电流的情况下,利用时步有限元方法对电机各部分损耗密度进行了准确计算,从而得到不同电压及负载条件下的定、转子铜耗与铁耗.通过对定子电流、导条电流密度以及铁心磁密的谐波分析,研究了损耗的谐波含量,进而得出了影响永磁电机损耗的主要因素及其在不同运行条件的变化规律,揭示了空间齿谐波磁场对转子损耗的重要影响.通过仿真结果与实测数据进行对比,验证了损耗计算的合理性.     

Initial rotor position estimation of interior permanent magnet synchronous motor using optimal voltage vector

The initial rotor position estimation is a serious problem affecting sensorless drives of permanent magnet synchronous motors. This paper presents an estimation method of initial rotor position for interior permanent magnet synchronous motors. The principle of the estimation is based on the nonlinear magnetization characteristics of the stator core caused by the magnet of the rotor. The estimation is performed using the variation of the current response caused by the magnetic saturation when the voltage vector is applied to the motor. This method can be performed without motor parameters and any additional hardware. Decision method of the optimal voltage vector applied to the motor is also proposed to accurately implement the estimation. Experimental results show that the initial rotor position can be estimated without rotating the rotor by using the optimal voltage vector. It is found that the average of the estimation error is ±1.34 electrical degrees, and the estimation is completed within 15.2 ms in the test motor. © 2006 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 156(4): 69–76, 2006; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20062     

车用永磁同步电机的铁耗与瞬态温升分析

为了提高车用永磁同步电机的短时过载能力和功率密度,利用有限元方法进行了综合考虑电磁、热和控制策略的损耗和瞬态温升的非线性仿真分析.损耗分析指出了铁耗由于弱磁的原因在基速附近就达到了最大;峰值工况下的铜耗在整个速度范围内基本不变;连续工况下的铜耗最大值也同样因弱磁的需要而出现在最大工作转速.瞬态温升分析表明绕组端部温度最高而成为薄弱环节;短时工作时永磁体的温度比绕组低但连续或循环工作时两者温度相差不大;增加水流量对绕组温升的影响有限,特别是短时峰值工作的影响就更小,水冷电机加强散热能力的方法在于加强材料应用和工艺改进.