基于改进MRAS的内置式永磁同步电主轴无传感器控制

为解决内置式永磁同步电主轴(IPMSMS)的无传感器控制的难题,提出了一种基于模糊控制的改进型模型参考自适应(MRAS)观测器。为提高内置式永磁同步电主轴的动态性能及鲁棒性,提高矢量控制的控制效率,提出采用模糊控制改进传统矢量控制环节中转速环PI调节器,采用最大转矩电流比控制策略(MTPA),并将传统MTPA控制策略中由拉格朗日定理所求得复杂关系式进行曲线拟合得到近似解。将改进后的MRAS观测器与模糊MTPA控制策略复合应用。仿真结果表明,主轴转速在0.9 s内达到给定10000 r/min转速,超调量为0.04%,改进型MRAS观测器跟踪转速与转子位置好。模糊MTPA控制可提高电主轴动态性能及鲁棒性,改进型MRAS观测器可有效追踪转子转速与转子位置。

内置式永磁同步电主轴最大转矩电流比控制

针对内置式永磁同步电主轴进行最大转矩电流比控制研究。首先,推导永磁同步电主轴的数学模型;其次,依据最大转矩电流比控制的原理,运用牛顿迭代法近似求取d-q轴电流与转矩之间的对应关系;然后基于上述算法,依据转速电流双闭环矢量控制原理,以实验室中FL170-20-15型高速电主轴为例,进行实验验证并分析该控制策略的控制效果,实验结果表明:运用最大转矩电流比控制可以有效解耦定子电流并获得较快的速度响应,使电主轴的输出性能得到提升。

插入式永磁同步电主轴无传感器弱磁控制技术研究

为了提高电主轴的电流利用率和鲁棒性,在矢量控制的基础上,对插入式永磁同步电主轴进行研究。对最大转矩电流比控制的四阶方程进行标幺化处理,采用拟合曲线的方式对方程进行近似求解;利用弱磁调速扩展主轴的速度范围。通过滑模观测器估算电主轴转速,为了改善传统滑模观测器的抖振问题,将Sigmoid函数引进传统滑模观测器中,通过李雅普诺夫判据对所提策略的稳定性进行推导说明。以实验室中高速磨削电主轴FL170-20-15为例,通过以上算法搭建基于MATLAB的仿真实验平台进行实验验证,并分析该控制策略的效果。实验结果表明:采用该方法的高速磨削电主轴减小了滑模观测的抖振现象,提高了控制系统的鲁棒性。

无轴承永磁同步电主轴的模糊滑模位移控制

为满足无轴承永磁同步电主轴高性能转子位移控制要求,结合遗传算法寻优快及模糊控制能柔化控制信号的优点,设计一种将滑模等效控制、模糊控制和遗传算法有机结合的电主轴转子位移控制策略,在滑模控制中引入模糊切换增益,并通过遗传算法对模糊滑模控制器参数进行优化,从而获得最佳控制效果。结果表明:模糊滑模控制降低了系统在传统滑模控制下的抖振,遗传算法优化后模糊滑模控制下的不同轴向稳态转子振动峰峰值较优化前分别减小了53%和27.5%。

基于延迟校正扩张状态观测器的内置式永磁同步电机电流控制策略

高速电驱动场合会受到开关频率的限制,低载波比特性凸显,由此引起的控制延迟问题影响了内置式永磁同步电机(IPMSM)矢量控制系统性能。基于扩展电动势的建模方案能够获得IPMSM的对称化模型,有利于离散化分析和设计,以提升低载波比运行性能。扩张状态观测器(ESO)能够实现扩展电动势和扰动的集总观测,然而低载波比延迟问题影响了估算性能。该文在离散域中分析延迟影响,设计和对比研究了几种延迟影响抑制方案,即延迟校正扩张状态观测器,提升了估计精度。基于此,设计了IPMSM离散域电流控制方案,显著提升了电流响应特性。通过电动汽车驱动实验平台验证了该文的分析和设计。

内置式永磁同步电机不同转子拓扑结构对电机性能的影响分析

为了研究不同转子拓扑结构对8极48槽内置式永磁同步电机(IPMSM)的电磁性能和噪声性能的影响,分别建立了单层无隔磁桥、单层有隔磁桥、双层无隔磁桥以及双层有隔磁桥转子拓扑结构的内置式永磁同步电机的有限元模型。除转子拓扑结构以外,四种电机的定子拓扑结构、永磁体使用量等其它条件完全相同。首先,对电机电磁性能和噪声性能进行相关的理论分析。其次,建立四种电机的有限元模型,对四种电机的凸极率、输出转矩、转矩脉动以及空载反电势谐波畸变率等电磁性能进行比较分析,并对四种电机进行模态分析。最后,比较了四种电机的振动响应和噪声特性。结果表明,双层有隔磁桥转子结构的内置式永磁同步电机电磁性能最好,并且其噪声削弱效果也最好。

内置式永磁同步电机的MTPA模型预测控制

提出一种内置式永磁同步电机(InteriorPermanent Magnet Synchronous Motor,IPMSM)的最大转矩电流比(Maximum Torque Per Ampere,MTPA)模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)方法。方法通过MTPA控制,建立了电机电磁转矩参考值与定子电流d、q轴分量之间的关系。在瞬态时,上述方法与传统的单矢量MPC相同,以d、q轴电流的跟踪误差作为代价函数,保持了传统的模型预测控制动态响应快的特点;在稳态时,采用双矢量MPC,减小了转矩脉动,改善了电机的稳态控制性能。仿真结果表明,与i_(d)=0的MPC相比,给出的控制策略动态响应快,稳态转矩脉动小,铜损耗低。

电动汽车用永磁同步电机失磁机理与选区渗重稀土研究

由于电动汽车用永磁同步电机(PMSM)具有高功率密度的设计要求,使得磁钢更易受到电磁以及高温影响致使出现不可逆失磁,为此常在磁钢制备时加入大量镝、铽等贵重稀土元素,但该方法使得磁钢材料价格激增。本文以一台“三角”型内置式永磁同步电机为研究对象,分别研究了温度、电枢电流大小以及弱磁角这三个因素对电机磁钢的失磁特性影响,进而确定磁钢的易失磁位置及失磁扩散规律。在此基础上,通过将电机磁钢材料的牌号更改为较低的牌号,并提出合理的选区渗重稀土设计方案,实现了在不损失电机性能的情况下,减少重稀土元素用量的目的。最后,提出一种适用于计算选区渗重稀土设计方案中最大内禀矫顽力提升倍数的方法,可为电动汽车用永磁同步电机磁钢减重稀土研发设计提供参考。

全速度域永磁同步电主轴无传感器控制策略

为解决目前无传感器控制在永磁同步电主轴上的局限性,设计了一种脉振高频电压注入法和模型参考自适应法(MRAS)相结合的复合观测器。在低速段采用脉振高频电压注入法,中高速段采用模型参考自适应法,并在过渡区间内设计出新的切换方法以此来满足低速段向中高速段的平滑过渡,从而实现永磁同步电主轴全速度范围无传感器控制。系统在10 N阶跃负载的冲击下,转子位置误差仅为0.004 rad/s,调整时间仅为0.2 s。仿真实验结果表明,所设计的复合观测器在全速度范围内追踪精度高,动态响应速度快,鲁棒性强,从而提高了永磁同步电主轴的动态性能及稳定性。

一种永磁同步电主轴转矩脉动和电磁力波的抑制方法

针对磁极为平行充磁且两边平行的表面式永磁同步电主轴存在转矩脉动和径向电磁力波的问题,提出一种磁极结构优化方法以抑制转矩脉动和径向电磁力波。基于等效面电流法建立磁极表面半径为任意值的永磁同步电主轴转子气隙磁场的解析模型;综合研究转子气隙磁场对定子开槽电主轴转矩脉动、径向电磁力波的影响;在最小气隙长度不变的前提下,确立优化目标(气隙磁通密度的谐波和幅值),并通过迭代计算的方式得到满足不同优化目标的永磁体磁极结构方案(方案一结构和方案二结构);最后,通过有限元法验证转子气隙磁场解析模型的有效性,并对原结构电主轴、方案一结构电主轴和方案二结构电主轴的转子气隙磁场谐波、转矩脉动、齿槽转矩、平均转矩和径向电磁力波进行对比分析。结果表明:该优化方法可以得到满足不同优化目标的永磁体磁极结构方案,实现原电主轴指定阶次磁通密度谐波、转矩脉动和径向电磁力波的综合抑制。

基于改进的离散域二阶滑模观测器的内置式永磁同步电机无位置传感器控制

滑模观测器由于对系统不确定性具有良好的鲁棒性,逐渐应用于永磁同步电机无位置传感器控制中,但是在实际应用中滑模观测器的抖振现象会严重影响系统控制性能。该文提出一种用于内置式永磁同步电机无位置传感器控制的改进的二阶滑模观测器,采用基于Super-twisting算法的二阶滑模观测器,不同于常规的通过滑模观测器估算得到反电动势分量的方法,该方法基于内模控制原理引入二阶广义积分器,通过滑模观测器估算得到反电动势误差分量,再经过二阶广义积分器得到估算的反电动势分量,能够在保证估算准确性的同时很好地抑制系统抖振。同时,为了消除数字实现过程中的离散化误差和估算反电动势分量的耦合项,提高估算的准确性,重新构建了基于扩展反电动势的离散域数学模型,并基于该模型设计了改进的离散域Super-twisting滑模观测器。最终将估算得到的扩展反电动势分量用于估算转子位置和转速。通过实验对该文提出方法的有效性进行了验证。

逆变器供电对永磁同步电主轴电磁力的影响

基于交流绕组理论,推导了逆变器供电下永磁同步电主轴的气隙磁密表达式,指出逆变器供电时存在特定的谐波电流,该电流会产生特定的气隙磁密。通过建立电磁场数值计算模型,分别施加正弦波供电和逆变器供电条件进行验证,得到在不同的供电条件下气隙磁密的分布状态,验证了理论推导。同时推导了逆变器供电下永磁同步电主轴的径向电磁力表达式,总结了径向电磁力的来源和时空分布特征,指出逆变器供电产生了特定空间阶次和时间阶数的电磁力,又采用电磁场数值方法计算了永磁同步电主轴的径向电磁力并对其进行了2D-FFT分解,直观展示了正弦波供电和逆变器供电下径向电磁力的显著差异,再次验证了理论推导的正确性。最后结合电机的结构原理,指出在实际中应尽量避免和消除能够产生低阶次电磁力。

内置式永磁同步电机不同转子拓扑结构的电磁性能及电磁振动噪声分析

为了研究转子拓扑结构对内置式永磁同步电机(IPMSM)电磁性能以及电磁振动噪声的影响,以8极48槽永磁同步电机为例,根据设计指标,分别建立单层和双层永磁体两种内置式转子的永磁同步电机有限元模型,两个模型在定子、绕组、永磁体用量及轴向长度上完全一致。首先,从磁路结构的角度分析交直轴电感的区别,并分别对电机的交直轴电感参数、转矩波动、空载反电势及其谐波含量和输出外特性进行有限元分析比较。其次,根据麦克斯韦张量法推导出径向电磁力密度的解析表达式,并分别将两台电机的气隙磁密和径向电磁力密度及经过傅里叶分解后的谐波含量进行分析比较。最后,建立电机的三维有限元模型,计算定子铁心和定子组件径向模态的振型及固有频率,并对两台电机的电磁振动噪声特性进行仿真分析比较。结果表明,对于内置式永磁同步电机,在永磁体用量相同的情况下,双层永磁体比单层永磁体的转子结构具有更加良好的电磁特性及电磁振动噪声表现。

带有LC正弦波滤波器的内置式永磁同步电机电流控制器谐振抑制参数设计

带有LC正弦波滤波器的内置式永磁同步电机系统形成了一个LCL电路,矢量控制系统的稳定性会受到LCL电路固有谐振现象的影响。通过在电流控制器中引入有源阻尼可从理论上实现谐振抑制,为了获得满意的谐振抑制效果,必须对电流控制器的参数进行合理设计。该文研究带有LC正弦波滤波器的内置式永磁同步电机电流控制器谐振抑制参数设计方法,分析了带有电容电流反馈有源阻尼(CCFAD)的电流控制器的频率特性,通过频域稳定判据分析了电流比例积分调节器参数、有源阻尼系数、LC正弦波滤波器参数与电机参数对系统谐振现象的影响机理,给出了电流控制器谐振抑制参数设计方法。通过实验验证了所提方法的有效性。

改进内置式永磁同步电机的无位置控制方法

为了提高内置式永磁同步电机无位置控制下传统滑模观测器在中高速运行过程中的动态性能,提出了一套基于定子电阻辨识的超螺旋滑模观测器。针对滑模控制本身存在的抖振问题,在内置式永磁同步电机的模型下设计了超螺旋滑膜观测器,推导了新的切换函数引入到观测器中,能够进一步地削弱抖振,减小超调,提高了系统的抗干扰能力;为了提高电机在不同环境下的稳定性,在此基础上对电机定子电阻进行在线辨识,降低了在电机运行过程中定子电阻阻值随温度升高而发生变化所造成的精度误差。实验结果验证了该套无位置传感器系统能够减小抖振、提高控制精度,具有较好的稳定性和动态性能。

基于车用永磁同步电机转子结构的电磁噪声优化仿真分析

针对目标电机低速加速段中存在明显类似“口哨”的高频噪声的问题及电机量产降本原则,将48槽8极峰值功率62 kW的乘用车前驱动电机作为案例进行电磁方案设计。基于设计指标及存在问题设计了定子结构相同内置式转子拓扑结构不同的优化方案,推导计算了两电机方案气隙磁场幅值波形时空分布方程及电磁力表达式,建立了两电机方案有限元模型及电磁-结构声场耦合模型,仿真分析比较两电机气隙磁密及径向电磁力谐波含量。基于仿真结果得到优化方案,在不牺牲电磁性能的前提下削弱了低速段加速过程的0阶6f1径向电磁力,并使磁钢用量从1.474 kg降低到了1.371 kg,实现了降本目的。最后分别制作样机进行实验验证,结果表明优化方案明显削弱了低速段径向振动,降低了24倍频电磁噪声,与仿真结果相吻合。

基于凸极效应的永磁同步电机振动分析

凸极率的改变会给齿槽转矩带来影响,同时相比较表贴式的结构,其更复杂的结构所带来的谐波也对电机的减振带来巨大的冲击。针对凸极效应所产生的问题,本文基于理论分析以及Ansys有限元仿真平台,对一台具有凸极效应的车用永磁同步电机进行研究,对不同凸极率对电机齿槽转矩以及径向电磁力密度进行对比分析。其次,对三维结构的定子冲片模态进行分析,讨论了可能产生共振的频率。最后,将径向电磁力与有限元模型相耦合,对电机的电磁力引起的振动进行谐响应分析,为车用永磁同步电机的凸极率选择和优化设计提供参考价值。

新能源装备永磁同步电机转子位置估计方法

针对逆变器非线性和电机磁场空间谐波影响永磁同步电机转子位置估算精度的问题,提出一种基于新型自适应滤波器的内置式永磁同步电机(IPMSM)转子位置估计方法,建立无位置传感器电机矢量控制系统,对电机转子位置的估计误差进行分析。基于该方法的特性,设计出一种由多个二阶广义积分器(SOGI)并联的新型自适应谐波滤波器,对反电动势中的高次谐波成分进行滤除,并搭建IPMSM驱动系统的台架展开测试验证。研究结果表明,该方法可有效抑制转子位置估计反电动势中的谐波,其谐波脉动幅值减小至3°,提高电机转子位置精度和系统控制性能。

内置式永磁同步电主轴模糊滑模联合矢量控制

针对内置式永磁同步电主轴驱动控制系统的特点,提出了最大转矩电流比控制策略以处理定子电流。最大转矩电流比控制策略的核心是采用牛顿迭代法对定子电流进行有效解耦,再利用闭环控制稳定跟踪实际数据,不断对定子电流进行改善,并建立模糊滑模联合控制模块,在提高系统的响应速度的同时优化系统的鲁棒性,抑制了系统的转矩波动,改善了系统输出性能。分析了滑模控制(Sliding mode control,SMC)与模糊控制的优缺点,提出模糊滑模联合控制。联合控制使系统升速的时间缩短了0.24 s,最大超调量减小为1.3 r/min,减小了系统升速时的波动,同时使得系统稳定运行期间的转矩波动低于1 r/min。试验结果表明联合控制不但具有滑模控制的快速响应能力以及较小超调量的优点,同时具有模糊控制在系统稳定运行期间有效抑制转矩波动的优点。

永磁同步电主轴分数槽电机的径向电磁力分析

依据谐波绕组理论,建立了分数槽永磁同步电主轴电机气隙磁密及其谐波的解析计算模型和有限元计算模型。基于该模型计算出径向电磁力。采用解析法得出了径向电磁力的力波次数及频率,并与有限元法计算结果进行了对照。通过与实测振动加速度频谱对照表明,引起电主轴电机振动的主要原因是径向电磁力。通过气隙磁密波形重构,去掉了与模态频率接近的主要谐波成分,以此作为低噪声电机设计的主要方法之一。为后续低振动、低噪声电机的研发开拓了一种新的思路。