[发明专利]无位置传感器内置式永磁同步电机的最大转矩电流比控制

说明书

本发明提出了一种无位置传感器内置式永磁同步电机IPMSM的最大转矩电流比控制MTPA控制方法，该方法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(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor,IPMSM)最大转矩电流比(Maximum Torque Per Ampere,MTPA)控制。通过向估计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实现无位置传感器控制。同时，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，降低系统铜耗从而提升系统效率。本发明能够同时实现无位置传感器控制和MTPA控制，并且由于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。

技术领域

本发明涉及内置式永磁同步电机领域，该型电机已广泛应用于电动汽车、航空航天等高端领域。具体是在高频信号注入无位置传感器控制策略基础上，考虑IPMSM的磁阻转矩，降低高频信号注入无位置传感器控制时的系统铜耗，从而提升系统效率。

背景技术

内置式永磁同步电机具有高转矩密度、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了目前研究的热点。

IPMSM在中高速范围通常采用反电势法获得转子位置信息。而在零低速时由于电机反电势过小，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。通常，针对IPMSM的无位置传感器控制并未充分利用IPMSM的磁阻转矩，系统效率不是最优，所以应采取MTPA控制。

另一方面，由于电机参数会随工况的不同而发生变化，所以不能直接将电机铭牌上参数带入MTPA公式中实现MTPA控制。目前，常用的实现MTPA控制的方法有虚拟信号注入法。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。但是如果将其直接与高频脉振信号注入的无位置传感器控制结合，必然会导致两种不同的高频信号相互干扰。

发明内容

本发明的目的是降低常规内置式永磁同步电机高频脉振注入无位置控制时的系统铜耗，从而提升电机的转矩输出能力和系统效率。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

无位置传感器内置式永磁同步电机IPMSM的最大转矩电流比控制MTPA控制方法，包括以下几个步骤：

步骤1：首先向估计d轴注入高频电压信号，通过对得到的估计q轴电流高频信号解调得到转子位置和速度信息；

步骤2：通过分析MTPA原理推导出其数学理论表达式；

步骤3：最后分别向估计dq轴上注入直流信号，计算出相应的功率解调后实现MTPA控制，降低系统铜耗从而提升系统效率。

进一步，获取转子位置和速度信息过程如下：

IPMSM在dq同步旋转坐标系下电压方程可表示为

式中，u_d和u_q分别为电机的dq坐标系下电压；i_d和i_q分别为dq坐标系下电流；L_d和L_q分别为dq坐标系下电感；ψ_f为永磁磁链幅值；R为定子电阻；ω_e为电机的电角速度；

当电机运行于零低速区且注入的信号频率远大于电机的旋转角频率时，反电势、定子电阻上的压降可以忽略，则IPMSM高频电压模型可简化为

式中，下标“h”代表高频分量；