The Non-Singular Fast Terminal Sliding Mode Control of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Deep Flux Weakening Switching Point Tracking

This paper presents a novel non-singular fast terminal sliding mode control(NFTSMC)based on the deep flux weakening switching point tracking method in order to improve the control performance of permanent interior magnet synchronous motor(IPMSM)drive systems.The mathematical model of flux weakening(FW)control is established,and the deep flux weakening switching point is calculated accurately by analyzing the relationship between the torque curve and voltage decline curve.Next,a second-order NFTSMC is designed for the speed loop controller to ensure that the system converges to the equilibrium state in finite time.Then,an extended sliding mode disturbance observer(ESMDO)is designed to estimate the uncertainty of the system.Finally,compared with both the PI control and sliding mode control(SMC)by simulations and experiments with different working conditions,the method proposed has the merits of accelerating convergence,improving steady-state accuracy,and minimizing the current and torque pulsation.

Dynamic torque response analysis of IPMSM in flux weakening region for HEV applications

An over-modulation based vector control strategy for interior permanent magnet synchronous machine（ IPMSM） is proposed and investigated. The strategy increases the reference flux weakening voltage to improve efficiency in flux weakening region of IPMSMwith the same dynamic torque response performance in standard SV Mtechnique. The relationship between dynamic torque performance and the reference flux weakening voltage is also discussed. In order to achieve fast and smooth shift process,the torque response must be less than 20 ms in the parallel hybrid electric vehicle（ HEV）,according to this,modeling and experimental studies were carried out. The results show that the proposed strategy can achieve the same dynamic and steady state torque performance with higher reference flux weakening voltage,which means higher efficiency.

Influence of Rotor Structure and Number of Phases on Torque and Flux Weakening Characteristics of V-Shape Interior PM Electrical Machine

This paper investigates the influence of the rotor structure on torque and flux weakening region of V-shape IPM （interior permanent magnet） machine from TOYOTA PRIUS type. More specifically, always keeping the same magnet volume, the effect of the open angle between the two magnet segments of each V-shape pole on the machine performance is studied. Moreover, in order to examine the impact of phase number on the machine characteristics, PRIUS structure is transformed into 5-phase machine of the same type and dimensions. As well, an optimization procedure is carried out to determine the optimal open angle according to main characteristics. The previous investigation is done by using a free FEM （finite elements methods） program coupled with another optimization program. Using this obtained methodology, the study analyzes for 3-phase and 5-phase machine the average and pulsation of torque, cogging torque, phase EMF （electro-motive force）, constant power operating capability.

Six-step Voltage Control of PM Brushless AC Motors under High Speed Flux-weakening Operation for EV/HEV Applications

The torque-speed characteristics of brushless motor having an interior permanent magnet rotor and a sinusoidal back-emf waveform are compared experimentally when it is operated in brushless AC(BLAC) mode and brushless DC (BLDC) modes with both 2-phase,120° conduction(BLDC-120) and 3-phase,180° conduction(BLDC-180).Particular emphasis is on high-speed,six-step voltage controlled,flux-weakening operation.It is shown that for EV/HEV applications,even for interior PM brushless motors which have sinusoidal back-emf waveforms,in order to achieve maximum torque per ampere capability over wide operation speed range,it is advantageous to employ a hybrid operation mode-BLAC operation in the constant torque region and six-step voltage control(BLDC-180 operation,together with current phase control) in the flux-weakening region.

电动汽车用新型模块化聚磁转子永磁电机设计及其对比分析

将轮辐型内置式转子和Halbach永磁阵列结合,并取消转子铁心加强筋,减小漏磁达到高聚磁同时兼顾凸极比,实现高转矩/功率密度和宽调速范围。在保证永磁体用量相同的情况下,建立新型高凸极比聚磁转子和V型转子两种电机模型,针对两者的分段转子拓扑,开展电磁性能对比分析,包括气隙磁密、凸极比、功率以及弱磁扩速能力等。同时,考虑到无转子铁心加强筋会导致转子分段存在结构强度问题,仿真验证新型高凸极比聚磁转子结构在最高转速6000 r/min时给予碳纤维护套保护下转子结构强度的可靠性;分析温度限制下新型高凸极比转子电机的功率输出。另外,对比两种不同电机结构的振动噪声情况。最后,研制一台16极/72槽新型高凸极比转子永磁电机样机,实验验证有限元分析结果的准确性。进一步说明了新型高凸极比转子永磁电机在转矩/功率密度和宽调速运行等方面的性能优势。

基于六边形轨迹的永磁辅助式同步磁阻电机弱磁控制策略

永磁辅助式同步磁阻电机在高速工况弱磁运行时,直流母线电压利用率不高,电机的效率与转矩输出能力较低。为此,提出了一种基于六边形轨迹的永磁辅助式同步磁阻电机弱磁控制策略。首先,以永磁辅助式同步磁阻电机的d-q轴等效电路为基础,推导了弱磁过程的电压和电流约束,证明弱磁控制提升电机调速能力的根本原因。其次,为充分发挥永磁辅助式同步磁阻电机高速运行下功率密度较高的优势,进而推导过调制算法。并将其应用于永磁辅助式同步磁阻电机的弱磁操作中,以实现更高的直流母线电压利用率。最后,通过仿真验证所提出方法的有效性。

单稳态永磁接触器集成化磁链闭环控制技术

鉴于单稳态永磁接触器现有的控制方案存在成本高、可靠性低且优化困难等缺陷,该文提出一种集成化磁链闭环控制方案。首先,将电机传动领域的专用集成功率芯片应用到单稳态永磁接触器的智能控制中,设计其集成驱动电路;在此基础上,采用磁链闭环直接控制接触器的总磁链,在合闸过程中仅需设置一较小的恒定磁链参考值,即可实现自动弱磁,防止合闸末期永磁力过大造成严重的触头弹跳;在分闸过程中仅需设置总磁链参考值为0,即可使电磁磁链实时抵消永磁磁链,防止产生剩余吸力,造成分断速度降低,进而提高分闸性能。该文提出的方案既简化了单稳态永磁接触器硬件控制电路的设计,又降低了其优化控制的难度,对高性能永磁接触器的工程推广具有参考价值。

车用永磁同步电机高性能弱磁控制策略

提出一种基于电流预测的车用永磁同步电机弱磁控制方法,以提升永磁同步电机弱磁区的动态性能。详细分析了弱磁区的电压边界问题,以及不同电压选取规则下的稳定性问题。在此基础上,提出了一种考虑稳定性和动态特性的动态过调制策略。此外,研究了基于参数模型的电流预测控制算法,该算法具有快速动态响应和可控约束的优点,在保证稳定性的基础上可有效提升电机弱磁区域动态性能。最后,分别在仿真和实验平台上证明了所提算法的有效性。

基于电压相角调节的高速永磁同步电机弱磁控制策略

针对永磁同步电机高速运行时电流环抗扰能力差的问题,文中提出一种电压相角调节弱磁运行的谐波抑制策略。首先,通过线性化处理建立控制系统的小信号模型,进而得到系统的闭环传递函数,分析了弱磁运行的稳定性;为了克服加速过程中阻尼系数低和系统稳定性差的问题,在直轴电流调节器中引入比例微分补偿策略来实现内环反馈,以提高系统阻尼比并抑制系统谐振峰值,从而减少高速运行时的电流振荡;最后,根据等效内模控制器原理和频域分析,确定补偿器的关键参数。实验结果表明,该方法能够有效提高电流环的稳定性和控制系统的抗干扰性能,显著降低电机电流谐波含量。

梯度投影法实现永磁同步电机最优曲线跟踪

针对永磁同步电机弱磁控制在线计算复杂度高、计算负担较重的问题,提出一种高效的弱磁曲线跟踪方法,以实现永磁同步电机的运动控制,通过一种更优化的投影与迭代结合的方法实现在一定的电流、电压约束下,电机最优运行状态的在线跟踪。同时,提出了针对ADADELTA梯度下降法的一种简化方法,优化了梯度下降法的计算流程,减少了迭代次数,提高了运算性能。该方法避免了不同运行区域的算法切换,有效地发挥了电机潜能,保证电机高功率输出。最后通过电机对拖实验,验证了此算法的合理性。

内嵌式永磁同步电机矢量控制系统弱磁控制研究

提高变桨电机的稳态和动态控制性能,保证在不同风况及母线电压跌落的情况下维持电机高速运行的稳定性尤其重要。分析了内嵌式永磁同步电机的模型及约束条件,结合永磁同步电机的应用特点,基于SVPWM的矢量控制与电压外环的双电流弱磁控制策略,设计了矢量控制和弱磁控制系统模型并进行了仿真。基于该控制系统模型搭建了实验平台,对不同直流母线电压下矢量控制与弱磁控制的性能进行了对比测试和分析,验证了模型设计的合理性,实现了扩速性能。目前,该控制系统已应用于风机变桨伺服控制系统,具有较高应用价值。

永磁同步电机自适应弱磁控制策略研究

针对传统PI控制器难以同时满足高速弱磁和低速弱磁电压反馈回路增益非线性变换的问题,提出了一种自适应调节方案。通过分析解耦电压反馈式电流超前角控制回路中导致系统非线性的因素,设计了反比函数转速调节器和模糊控制电流超前角调节器,对弱磁工况下电压控制回路的非线性进行补偿,设计了钳位抗饱和模块以解决电压反馈积分饱和问题。在此基础上,采用粒子群优化算法,对模糊控制器的模糊规则权值和比例因子进行离线优化。通过仿真和试验证明了自适应弱磁算法响应特性优于传统PI电压反馈控制算法。

基于ADRC的电动汽车内置式永磁同步电机控制策略

针对电动汽车内置式永磁同步电机在运行过程中存在转速响应差、超调量大和对外界抗干扰能力较低等一系列问题,提出了一种基于自抗扰控制(ADRC)的内置式永磁同步电机控制策略。自抗扰控制器不需要被控对象有精确的数学模型,将被控对象的所有不确定因素视为“未知扰动”,并对这些扰动进行实时补偿。在永磁同步电机控制系统的转速环中应用ADRC控制器取代传统的PI控制器,提高电机的控制精度和对外界的抗干扰能力。同时在内置式永磁同步电机控制系统中,在电机额定转速以下采用最大转矩电流比(MTPA)控制,在额定转速以上采用超前角弱磁的方法实现弱磁扩速。仿真结果表明,所提出控制策略是有效和可靠的。

一种基于间接定子量的牵引电机三电平控制技术应用研究

为满足大功率牵引电传动应用场景对电机输出转矩高精度、快响应等要求,文章提出一种基于间接定子量控制(Indirect Stator Quantities Control,ISC)的牵引电机三电平驱动控制方法。首先,结合ISC控制特点和异步电机模型提出了一种动态弱磁控制方法,保证了电机在高速弱磁区转矩的高动态响应。其次,为有效解决传统三电平算法存在的中点电位不平衡问题,根据中点箝位型(Neutral Point Clamped,NPC)三电平逆变器不同开关矢量对中性点电位的不同作用,基于电荷周期平衡精准计算和比例积分(Proportional Integral,PI)控制器原理,提出了一种具有平衡精度高、抗干扰性能强的新型中点电位平衡控制策略。最后通过仿真研究与某轨道交通大功率异步电机对拖试验测试,试验结果表明文章所提出的控制方法具有高动态响应、高中点电位平衡度、高转矩控制精度等优点。

磁通切换永磁同步电机宽调速运行分析及测试

磁通切换永磁同步电机以其简单的结构、低畸变率正弦性输出波形以及较高的转矩密度等优点,在电动汽车领域有着广泛应用,其运行特性由不同控制策略决定。针对传统磁通切换永磁同步电机运行范围较窄的不足,提出相应的最大转矩电流比和q轴弱磁控制策略。首先,分析磁通切换永磁同步电机运行工作机理及特点,建立相应的以定、转子为坐标系的数学模型。其次,根据电机不同运行区域工作特点对其性能进行仿真,计算结果显示可实现电机在高效运行的同时拓宽其运行范围。最后,基于一台1 kW样机搭建控制测试系统。转矩和功率输出测试结果显示,结果表明所提出的弱磁控制策略拓宽电机运行范围,正确性和有效性得到验证。

Electric Drive for an In-wheel Fractional-slot Axial Flux Machine

This paper describes the electric drive for an in-wheel fractional-slot axial flux machine,designed for achieving a wide flux-weakening operating region.By using a slotted stator with fractional-slot windings and additional cores enclosing end windings,the axial flux machine reaches a wide constant power speed range.The machine is designed for increasing flux-weakening capability while obtaining low harmonic back-electromotive force and low cogging torque.A 10 N.m axial flux machine exhibiting 3 to 1 flux-weakening speed range has been built.A flux-weakening controller,able to maximize the output torque in the flux-weakening region,is designed and implemented.The goodness of both design and control algorithm is proved by experimental tests.However,such a fractional-slot machine has not only advantages.Rotor losses are very high,and they have to be properly considered during the design process.

电动车用非对称双盘永磁同步电机全速域驱动控制策略

针对现有电动汽车存在的高低速区域性能不能兼顾的现状与综合工况效率不高等问题,基于非对称双定子单转子双盘永磁同步电机系统,分析在驱动与弱磁全速域工况下电机效率模型,建立双盘非对称永磁同步电机损耗数学模型,提出基于模拟退火算法的驱动与弱磁全速工况下的转矩协同优化分配策略以拓宽电机综合工况下的高效率区间,提出基于反步控制方法设计转速与电流控制器以提高中低速驱动及高速弱磁下的系统动态特性。通过仿真和实验验证所提方法能够拓宽电驱动系统高效区间、提升系统动态响应与稳态跟踪性能、延长电动车续航里程等特点。

新型双定子交替极永磁电机宽调速电流控制研究

传统永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)因恒定永磁励磁而扩速困难;新型双定子交替极永磁(dual-stator consequent-pole permanent magnet,DSCPPM)电机,兼具双定子及混合励磁电机优势而更适合高转矩宽调速应用。此外,电流解耦控制器及电流分配策略是实现电机宽调速控制的关键。因此,该文提出一种适合DSCPPM的内模电流控制器,通过滤波带宽的单参数设计,实现复杂电机模型电流解耦控制及动态调节,显著降低多电流控制器参数整定难度。同时,该文提出一种宽调速电流分配策略,其将电机全速域分为恒转矩区、弱磁一区以及弱磁二区,分别以最大转矩电流比、最短路径以及最优弱磁电流为目标对电流轨迹进行优化,来实现电机宽调速运行。最后,通过样机实验结果验证所提控制策略的有效性。

轴向磁通混合励磁同步电机弱磁控制

轴向磁通混合励磁同步电机(AFHESM)结合了轴向磁通电机和混合励磁同步电机的优点.为了研究AFHESM的运行性能,本文分析了它的拓扑结构和磁场调节机理,并推导了它的数学模型.基于传统弱磁控制理论,提出了一种将转速反馈控制、相角反馈控制和电压反馈控制相结合的闭环弱磁控制策略,利用MATLAB/Simulink建立了AFHESM的弱磁控制系统模型.仿真结果验证了该方法的有效性.

基于专家PI的永磁同步电机弱磁调速技术

针对汽车电子助力制动系统在刹车过程中助力电机快速、准确的位置响应需要,提出了一种基于专家PI控制器的弱磁调速技术。在考虑速度误差与速度误差变化率的基础上,设计了一个专家PI控制器,根据制定的控制规则在转速响应的不同阶段改变速度环PI控制器的参数,结合前馈弱磁控制策略,对助力电机进行速度和位置跟踪控制。通过实验验证了所提出的方法有位置响应速度快、转速调节范围宽的优点。