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內(nèi)置式永磁同步電機(jī)（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM）具有高轉(zhuǎn)矩密度、高效率、體積小等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于電動汽車、航空航天等高端領(lǐng)域。傳統(tǒng)控制方法需要通過機(jī)械傳感器獲得轉(zhuǎn)子位置及轉(zhuǎn)速信息，造成系統(tǒng)更加復(fù)雜、成本增加、可靠性降低等問題。為進(jìn)一步拓寬IPMSM的應(yīng)用領(lǐng)域，無位置傳感器控制技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點。

IPMSM在中高速范圍通常采用反電動勢法獲得轉(zhuǎn)子位置信息。而在零低速時，由于電機(jī)反電動勢過小，不易準(zhǔn)確獲取轉(zhuǎn)子位置信息，因此常采用高頻脈振信號注入法實現(xiàn)無位置傳感器控制。高頻脈振信號注入法利用電機(jī)的凸極效應(yīng)，向估計d軸注入高頻電壓信號，從高頻電流中提取出零低速下的轉(zhuǎn)子位置信息。該方法易于實現(xiàn)，具有較高的工程應(yīng)用價值。

為了簡化控制，無位置傳感器控制技術(shù)通?；趇d=0控制。但是，為了充分利用IPMSM的磁阻轉(zhuǎn)矩，提升電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力和系統(tǒng)效率，更應(yīng)采取最大轉(zhuǎn)矩電流比控制（Maximum Torque Per Ampere, MTPA）。

為了實現(xiàn)MTPA控制，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究，主要分為兩種：一種是離線計算法，包括公式法和查表法。公式法精度較差且計算量較大，查表法需要進(jìn)行多次離線測試且運行效果會受到實際工況的影響。另一種是在線估計法，包括極值搜索法和信號注入法。極值搜索法收斂速度較慢導(dǎo)致動態(tài)響應(yīng)能力較差。信號注入法是將信號注入到電機(jī)中，所以不可避免地會引起額外的轉(zhuǎn)矩脈動和損耗增加。

有學(xué)者提出一種虛擬信號注入的方法，通過向電流矢量角中注入高頻正弦或者方波信號，構(gòu)建注入信號后的電機(jī)模型實現(xiàn)MTPA控制。此類方法不依賴電機(jī)參數(shù)且并未將高頻信號注入到電機(jī)中，避免了由信號注入帶來的損耗增加等問題。

目前，虛擬信號注入MTPA控制策略注入的高頻信號主要有兩種形式：正弦信號和方波信號。對于正弦信號，通常需要使用帶通濾波器和低通濾波器獲取dTe/dβ。如果將其直接與高頻脈振注入無位置控制結(jié)合，較多的濾波器會進(jìn)一步降低整個控制系統(tǒng)帶寬，影響系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)能力。

對于方波信號，省去濾波器的使用，但會使得到的電流矢量角中包含高頻方波信號。對于高頻脈振信號注入的無位置傳感器控制，不可避免地要向控制系統(tǒng)中注入高頻信號，這會使得d軸上存在兩種高頻信號，從而影響位置信號的提取。

為克服傳統(tǒng)虛擬信號注入MTPA控制策略與高頻脈振無位置控制策略結(jié)合的不足，江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院的研究人員提出一種基于直流虛擬信號注入的MTPA控制策略。在高頻脈振信號注入無位置控制策略的基礎(chǔ)上，為避免注入的兩種信號相互干擾，通過分別向估計dq軸上注入直流信號，計算出相應(yīng)的功率追蹤MTPA工作點，來提升系統(tǒng)效率。兩種控制算法都是通過信號注入的方式對電機(jī)參數(shù)擾動具有一定的魯棒性。

圖1 IPMSM控制系統(tǒng)實驗平臺

研究人員指出，該方法通過向估計d軸注入高頻脈振電壓信號獲取轉(zhuǎn)子位置信息，向估計dq軸電流注入直流信號追蹤MTPA工作點。該虛擬信號注入方法不會產(chǎn)生額外的損耗，并且不依賴電機(jī)參數(shù)。與傳統(tǒng)虛擬信號注入MTPA方法相比，所提方法不會影響無位置控制算法，同時注入的高頻電壓信號不會影響MTPA追蹤精度。

他們最后通過搭建IPMSM實驗系統(tǒng)進(jìn)行驗證。實驗結(jié)果表明，該方法能夠在不影響轉(zhuǎn)子位置估計精度、不依賴電機(jī)參數(shù)的情況下，實現(xiàn)MTPA控制，并且在不同工況下具有較好的動態(tài)響應(yīng)能力和魯棒性。

本文編自2021年第24期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“基于虛擬信號和高頻脈振信號注入的無位置傳感器內(nèi)置式永磁同步電機(jī)MTPA控制”，作者為趙文祥、劉桓 等。