东南大学研究者提出可实现内嵌式永磁同步电机高性能运行的新算法
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内嵌式永磁同步电机（IPMSM）具有转矩密度高、恒功率区宽、永磁体涡流损耗低等特点 ， 在诸多领域得到广泛应用 。 由于交直轴磁路不对称 ， 内嵌式永磁同步电机的电磁转矩中同时存在永磁转矩和磁阻转矩 。 为了提高磁阻转矩的利用率 ， 最大转矩电流比（MTPA）控制成为内嵌式永磁同步电机的首选控制策略 。 对应于某一负载转矩 ， MTPA控制通过分配dq轴电流使维持电机运行所需的电枢电流最小 ， 从而减小铜耗 ， 提升效率 。
为实现MTPA控制 ， 国内外学者主要提出了解析法、查表法、搜索法和信号注入法四种方法 。
解析法根据内嵌式永磁同步电机的数学模型直接求取MTPA控制的最佳矢量角；查表法根据大量离线测试所得数据查找当前工况最优解 ， 具有较好的工程实用性；搜索法不依赖电机数学模型和先验数据 ， 可以在线搜索MTPA控制最优解 ， 但在稳定状态下存在周期性振荡现象；信号注入法结合了数学模型求解法与搜索法 ， 是一种较新颖的方法 ， 包括实际信号注入法和虚拟信号注入法 。
现有信号注入法均通过注入高频信号并进行信号解调制以获取响应信号中的特定高频分量 ， 从而提取所需控制信号实现MTPA控制 。 实际信号注入法不受电机参数变化影响 ， 具有较高的控制精度 ， 但会带来额外损耗 。 虚拟信号注入（VSI）法克服了实际信号注入法存在的问题 ， 但电机参数偏导项对算法的控制精度存在影响 。 这两种信号注入法均采用级联滤波技术实现信号解调制 ， 在一定程度上限制了MTPA状态的动态追踪速度 。
多虚拟信号注入（MVSI）法通过数学运算方式提取所需控制信号 ， 加快了算法的收敛速度 。 除正弦信号外 ， 注入实际/虚拟的方波信号亦有助于信号解调制机构的改进设计 ， 缩短系统收敛到MTPA状态的响应时间 。 但现有针对信号注入法的改进措施均增加了算法复杂度 ， 致使处理器运算负担倍增 。 此外 ， 现有信号注入法在不同工况下的收敛速度不一致 ， 即收敛速度对负载工况较敏感 ， 致使MTPA控制增益选取困难 ， 限制了算法的实际应用 。
针对MTPA控制方法中的计算量大、复杂度高、实用性低等问题 ， 研究改进方法 ， 优化算法控制性能、简化求解过程、降低计算量、提高实用性成为MTPA控制在工程应用中的难点和亟待突破及解决的关键问题 。
为实现内嵌式永磁同步电机高性能运行 ， 东南大学电气工程学院等单位的付兴贺、陈锐 等 ， 在2023年第19期《电工技术学报》上撰文 ， 提出一种最大转矩电流比的决策与控制算法 ， 旨在简化控制结构、加快系统动态响应、增强系统鲁棒性 。
表1 不同MTPA方法的性能比较
表2 算法复杂度对比
该算法根据dq轴电流直接计算电磁转矩的微分项 ， 并以此作为最大转矩电流比状态的决策判据 。 根据判据值对d轴电流参考值进行补偿 ， 实现对最大转矩电流比状态的在线追踪 。 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 。
图1 测试平台
研究人员指出 ， 该方法无需任何形式的信号注入过程 。 与虚拟信号注入法相比 ， 所提算法在不同负载下对最大转矩电流比状态的收敛时间降低为原来的1/5～1/2 。
【东南大学研究者提出可实现内嵌式永磁同步电机高性能运行的新算法】本工作成果发表在2023年第19期《电工技术学报》 ， 论文标题为“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” 。 本课题得到江苏省自然科学基金、国家自然科学基金和特种电机与高压电器教育部重点实验室开放课题资助项目的支持 。
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