江苏大学赵文祥团队在内置式永磁同步电机MTPA控制技术上取得新进展

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为了降低传统内置式永磁同步电机低速无位置传感器控制系统中的铜耗，江苏大学电气信息工程学院的研究人员赵文祥、刘桓、陶涛、邱先群，在2021年第24期《电工技术学报》上撰文，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。实验结果表明，该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。

内置式永磁同步电机（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM）具有高转矩密度、高效率、体积小等优点，已广泛应用于电动汽车、航空航天等高端领域。传统控制方法需要通过机械传感器获得转子位置及转速信息，造成系统更加复杂、成本增加、可靠性降低等问题。为进一步拓宽IPMSM的应用领域，无位置传感器控制技术已经成为当前研究的热点。

IPMSM在中高速范围通常采用反电动势法获得转子位置信息。而在零低速时，由于电机反电动势过小，不易准确获取转子位置信息，因此常采用高频脉振信号注入法实现无位置传感器控制。高频脉振信号注入法利用电机的凸极效应，向估计d轴注入高频电压信号，从高频电流中提取出零低速下的转子位置信息。该方法易于实现，具有较高的工程应用价值。为了简化控制，无位置传感器控制技术通常基于id=0控制。但是，为了充分利用IPMSM的磁阻转矩，提升电机的转矩输出能力和系统效率，更应采取最大转矩电流比控制（Maximum Torque Per Ampere, MTPA）。

为了实现MTPA控制，许多学者进行了相关的研究，主要分为两种：一种是离线计算法，包括公式法和查表法。公式法精度较差且计算量较大，查表法需要进行多次离线测试且运行效果会受到实际工况的影响。另一种是在线估计法，包括极值搜索法和信号注入法。极值搜索法收敛速度较慢导致动态响应能力较差。信号注入法是将信号注入到电机中，所以不可避免地会引起额外的转矩脉动和损耗增加。

有学者提出一种虚拟信号注入的方法，通过向电流矢量角中注入高频正弦或者方波信号，构建注入信号后的电机模型实现MTPA控制。此类方法不依赖电机参数且并未将高频信号注入到电机中，避免了由信号注入带来的损耗增加等问题。

目前，虚拟信号注入MTPA控制策略注入的高频信号主要有两种形式：正弦信号和方波信号。对于正弦信号，通常需要使用带通滤波器和低通滤波器获取dTe/dβ。如果将其直接与高频脉振注入无位置控制结合，较多的滤波器会进一步降低整个控制系统带宽，影响系统动态响应能力。对于方波信号，省去滤波器的使用，但会使得到的电流矢量角中包含高频方波信号。对于高频脉振信号注入的无位置传感器控制，不可避免地要向控制系统中注入高频信号，这会使得d轴上存在两种高频信号，从而影响位置信号的提取。

为克服传统虚拟信号注入MTPA控制策略与高频脉振无位置控制策略结合的不足，江苏大学电气信息工程学院的研究人员提出一种基于直流虚拟信号注入的MTPA控制策略。在高频脉振信号注入无位置控制策略的基础上，为避免注入的两种信号相互干扰，通过分别向估计dq轴上注入直流信号，计算出相应的功率追踪MTPA工作点，来提升系统效率。两种控制算法都是通过信号注入的方式对电机参数扰动具有一定的鲁棒性。

图1 IPMSM控制系统实验平台

研究人员指出，该方法通过向估计d轴注入高频脉振电压信号获取转子位置信息，向估计dq轴电流注入直流信号追踪MTPA工作点。该虚拟信号注入方法不会产生额外的损耗，并且不依赖电机参数。与传统虚拟信号注入MTPA方法相比，所提方法不会影响无位置控制算法，同时注入的高频电压信号不会影响MTPA追踪精度。

他们最后通过搭建IPMSM实验系统进行验证。实验结果表明，该方法能够在不影响转子位置估计精度、不依赖电机参数的情况下，实现MTPA控制，并且在不同工况下具有较好的动态响应能力和鲁棒性。

本文编自2021年第24期《电工技术学报》，论文标题为“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”，作者为赵文祥、刘桓 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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