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東南大學研究者提出可實現內嵌式永磁同步電機高性能運行的新算法

東南大學研究者提出可實現內嵌式永磁同步電機高性能運行的新算法

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東南大學研究者提出可實現內嵌式永磁同步電機高性能運行的新算法

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內嵌式永磁同步電機（IPMSM）具有轉矩密度高、恒功率區寬、永磁體渦流損耗低等特點 ， 在諸多領域得到廣泛應用 。 由于交直軸磁路不對稱 ， 內嵌式永磁同步電機的電磁轉矩中同時存在永磁轉矩和磁阻轉矩 。 為了提高磁阻轉矩的利用率 ， 最大轉矩電流比（MTPA）控制成為內嵌式永磁同步電機的首選控制策略 。 對應于某一負載轉矩 ， MTPA控制通過分配dq軸電流使維持電機運行所需的電樞電流最小 ， 從而減小銅耗 ， 提升效率 。
為實現MTPA控制 ， 國內外學者主要提出了解析法、查表法、搜索法和信號注入法四種方法 。
解析法根據內嵌式永磁同步電機的數學模型直接求取MTPA控制的最佳矢量角；查表法根據大量離線測試所得數據查找當前工況最優解 ， 具有較好的工程實用性；搜索法不依賴電機數學模型和先驗數據 ， 可以在線搜索MTPA控制最優解 ， 但在穩定狀態下存在周期性振蕩現象；信號注入法結合了數學模型求解法與搜索法 ， 是一種較新穎的方法 ， 包括實際信號注入法和虛擬信號注入法 。
現有信號注入法均通過注入高頻信號并進行信號解調制以獲取響應信號中的特定高頻分量 ， 從而提取所需控制信號實現MTPA控制 。 實際信號注入法不受電機參數變化影響 ， 具有較高的控制精度 ， 但會帶來額外損耗 。 虛擬信號注入（VSI）法克服了實際信號注入法存在的問題 ， 但電機參數偏導項對算法的控制精度存在影響 。 這兩種信號注入法均采用級聯濾波技術實現信號解調制 ， 在一定程度上限制了MTPA狀態的動態追蹤速度 。
多虛擬信號注入（MVSI）法通過數學運算方式提取所需控制信號 ， 加快了算法的收斂速度 。 除正弦信號外 ， 注入實際/虛擬的方波信號亦有助于信號解調制機構的改進設計 ， 縮短系統收斂到MTPA狀態的響應時間 。 但現有針對信號注入法的改進措施均增加了算法復雜度 ， 致使處理器運算負擔倍增 。 此外 ， 現有信號注入法在不同工況下的收斂速度不一致 ， 即收斂速度對負載工況較敏感 ， 致使MTPA控制增益選取困難 ， 限制了算法的實際應用 。
針對MTPA控制方法中的計算量大、復雜度高、實用性低等問題 ， 研究改進方法 ， 優化算法控制性能、簡化求解過程、降低計算量、提高實用性成為MTPA控制在工程應用中的難點和亟待突破及解決的關鍵問題 。
為實現內嵌式永磁同步電機高性能運行 ， 東南大學電氣工程學院等單位的付興賀、陳銳 等 ， 在2023年第19期《電工技術學報》上撰文 ， 提出一種最大轉矩電流比的決策與控制算法 ， 旨在簡化控制結構、加快系統動態響應、增強系統魯棒性 。
表1 不同MTPA方法的性能比較
表2 算法復雜度對比
該算法根據dq軸電流直接計算電磁轉矩的微分項 ， 并以此作為最大轉矩電流比狀態的決策判據 。 根據判據值對d軸電流參考值進行補償 ， 實現對最大轉矩電流比狀態的在線追蹤 。 所提算法無需實際或虛擬信號注入和解算環節 ， 系統動態性能得以提高 。 d軸電流補償控制解決了算法收斂速度對負載條件較敏感的問題 ， 提升了控制系統的魯棒性 。
圖1 測試平臺
研究人員指出 ， 該方法無需任何形式的信號注入過程 。 與虛擬信號注入法相比 ， 所提算法在不同負載下對最大轉矩電流比狀態的收斂時間降低為原來的1/5～1/2 。
【東南大學研究者提出可實現內嵌式永磁同步電機高性能運行的新算法】本工作成果發表在2023年第19期《電工技術學報》 ， 論文標題為“基于直接判據提取方式的直軸電流補償型IPMSM最大轉矩電流比控制算法” 。 本課題得到江蘇省自然科學基金、國家自然科學基金和特種電機與高壓電器教育部重點實驗室開放課題資助項目的支持 。

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