基于迭代式粒子群优化的永磁同步电机热网络模型参数辨识研究

针对集总参数热网络模型未知参数多、参数辨识收敛困难的问题,利用永磁同步电机在不同工况下的特性,提出迭代式粒子群优化辨识框架,用实验测量的电机温度场数据,以各节点估计温度与实测温度的均方误差作为目标函数,将并行优化转化为三步串行迭代优化,减少每一步优化变量数,缩小种群规模,避免陷入局部最优。应用于某额定功率70 kW电机,得到一般热阻和热容随温度变化的规律,电机损耗、绕组涡流系数和气隙热阻随转速变化的规律。台架实验表明,在综合驾驶工况下,以槽内绕组、端部绕组、永磁体、定子齿和定子轭的温度估计最大误差和平均误差作为评价指标,与实测结果以及传统的采用固定参数的集总参数模型相比,提出的模型精确度高,工况适应性好。

基于变增益最速梯度下降法的表贴式永磁同步电机位置修正策略

滑模观测器具有响应速度快、鲁棒性强等优点,已广泛应用于表贴式永磁同步电机无位置传感器的中、高速控制系统。然而,具有固定参数的滑模观测器很难在宽速度范围内保持一致的估算精度,而采用基于速度观测器带宽限制的方法进行噪声和扰动抑制会降低电机的动态性能。针对上述问题,该文首先分析滑模观测器估算表贴式永磁同步电机转子位置的误差产生机理,提出一种新型位置误差观测器,主要思想是基于磁链观测进行位置误差连续估算,并采用最速梯度下降法对积分过程进行反馈校正;然后,通过变增益循环迭代优化提高位置误差观测器的速度与准确性;最后搭建表贴式永磁同步电机加载测试平台进行实验,结果验证了所提方法具有位置观测精度高、鲁棒性强的特点。

真空泵用屏蔽式永磁同步电机电磁场-温度场互相迭代计算方法

真空泵用屏蔽式永磁同步电机发热严重,因此在设计阶段准确预测其温度对于真空泵系统的安全稳定运行具有重要意义。针对当前电机电磁场-温度场双向耦合计算方法只能考虑温度对电机材料物理性质参数的影响,提出了一种电机电磁场-温度场互相迭代计算方法。该方法不仅能够考虑温度对电机损耗和永磁体磁性能的影响,还能够考虑温度对电机部件材料导热能力和散热能力的影响,使电机电磁场和温度场预测更加符合实际情况。以一台1.5 kW屏蔽式永磁同步电机作为研究对象,基于提出的方法对电机的电磁性能和温度特性进行分析,并将分析结果与电磁热双向耦合计算结果进行了对比。此外还利用提出的互相迭代法分析了环境温度对电机温升的影响。该研究不仅可以为屏蔽式永磁同步电机优化设计提供理论依据,还可以为其运行安全性和可靠性提供参考。

基于轴线方向不等宽度磁极结构的表贴式永磁同步电机极频振动的削弱

针对一台10极12槽表贴式永磁同步电机的极频振动问题,提出了一种轴线方向不等宽度磁极结构的削弱方案。该方案可以在保证电机转矩密度前提下,有效降低电机的极频振动。首先,根据麦克斯韦张量法,推导出电机径向电磁力的解析表达式,并建立了作用在电机定子齿部电磁力模型;同时,对样机中产生极频电磁力谐波的因素进行了分析研究。然后,通过有限元仿真分析,介绍了利用轴线方向不等宽度磁极结构降低极频电磁力的基本机理,并对优化前后的电机的电磁性能和振动加速度进行了比较分析。最后,研究结果表明,采用轴线方向不等宽度磁极结构能够有效地减弱极频电磁力谐波和振动,同时保持电机的转矩密度,证实了优化方案的有效性。

基于参数辨识的低速永磁同步电机MTPA控制策略

在永磁同步电机运行过程中,由于铁芯材料磁导率呈非线性变化而导致电感变化,继而在最大转矩电流控制比(MTPA)控制下出现固有的计算参数与实际参数不匹配现象,严重影响了电机的动态性能和运行工况下的稳定性。针对这一现象,该文采用高频注入原理,通过对高频注入产生的响应信号解调辨识得到实时的电感参数,然后令辨识得到的电感参数参与到MTPA计算中,保证了参数辨识的准确性和电机运行的稳定性,避免了最大转矩电流控制参数与电机不匹配导致的失控问题。最后,采用DSP LAUNCHXL-F28379D为控制核心的实验平台对所提方法进行了验证,实验结果表明该方法能够有效辨识电感参数并实现最大转矩电流控制。

应用显式模型预测控制的永磁同步风电机组频率电压协同调节

为解决高压直流输电线路发生闭锁故障引起送端近区功率冗余、造成频率和电压升高的问题,提出了一种面向频率电压协同调节的永磁同步风电机组的显式模型预测控制(EMPC)策略。该控制策略利用了直驱式永磁同步风力发电机组具有同时调节电网频率和电压的能力。根据频率摆动方程和电压灵敏度模型建立了换流站母线电压和电网频率的状态空间模型;将永磁同步风电机组的有功输出和无功输出相结合,利用多个EMPC控制器计算代价函数下的最优输出并进行组合,计算出故障后永磁同步风电机组的参考功率输出,以实现送端近区频率和电压的协同控制。在MATLAB/Simulink平台进行仿真验证表明:当闭锁故障发生时,EMPC控制策略不仅可以降低送端近区的频率和电压的峰值与稳态值,而且与其他控制方法相比,频率峰值降低了0.089 Hz,电压峰值降低了0.012(标幺值)。该研究可为电力系统的频率电压控制提供理论及工程参考。

基于改进型滑模的永磁同步电机控制

为了解决永磁同步电机传统滑模观测器确定转子位置时产生的抖振和控制系统抗干扰能力较弱的问题,本文提出了一种新的控制策略。该策略采用定子电流和反电动势作为控制变量,并引入具有鲁棒性强,跟踪性能好的高阶滑模变结构观测器,以替代传统的滑模观测器,从而提高系统的抗干扰能力。同时,该策略还使用饱和函数作为切换函数,以削弱抖振现象。此外,引入改进型锁相环来代替反正切函数,用于求解转子位置和转速,避免微分求解时引入噪音信号并减少滤波器导致的相位延迟问题。对于速度环控制,本文采用混合终端非奇异滑模控制器代替传统的PI控制器,以改善系统的动态性能。通过仿真验证,结果表明所提出的策略的正确性和有效性。

高性能永磁同步电机显式模型预测控制算法研究

该文提出一种应用于永磁同步电机的级联式高性能显式模型预测控制算法,基于多参数规划思想建立系统参数化模型,离线求解有约束条件下的最优解并以状态量的分段仿射函数形式保存,解决了连续控制集模型预测控制算法在线求解的算力需求问题;全面介绍了显式模型预测控制的应用思想及设计流程,分析了在永磁同步电机控制中模型失配、死区效应、数字延时等非理想因素带来的影响并给出了应对措施;与传统PI控制算法进行对比,通过仿真与实验验证了显式模型预测控制算法的有效性及优越性。

基于扩张式主从自适应陷波滤波器与动态频率跟踪的永磁同步电机无传感器控制

磁链观测法是永磁同步电机在中高速区域一种有效的无传感器控制方案。但是由于逆变器非线性、初始位置误差、电流测量偏置等因素,磁链估计结果将不可避免地含有斜坡信号、直流偏置和各次谐波等多种干扰信号。这些干扰信号的存在将降低无传感器控制的稳态精度,增加转速波动,严重时甚至使系统失稳。针对这一问题,提出了基于扩张式主从自适应陷波滤波器(EMAF)的磁链观测方案。利用不同干扰信号的特性,EMAF可同时跟踪磁链观测中的多种干扰信号;通过对积分对象中的直流偏差进行反馈补偿,EMAF可消除积分环节产生的斜坡信号。进一步地,给出了EMAF的参数整定图解法,将多参数整定问题转换为单参数整定。另外,为了提高频率跟踪环节的动态性能,提出一种考虑电机运动方程的动态频率跟踪算法。相比锁相环或锁频环,该算法在频率变化时可减小频率跟踪误差,避免频率突变引起的暂态振荡。不同条件下的实验结果验证了所提方法的有效性。

基于变限幅结构的内埋式永磁同步电机转速动态优化控制策略

针对内埋式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronous motor,IPMSM)的转速动态性能优化展开研究,详细分析多种工况下的电流工作点轨迹及转速动态过程,揭示传统方法中存在的电流工作点轨迹偏移、转速超调、转矩波动等问题。针对这些问题,该文提出一种基于变限幅结构的转速动态优化控制策略,在转速环引入一个变限幅结构,并通过引入转速误差生成转矩控制信号,实现了转速、转矩的同步控制。该文提出的方法使转速误差呈指数收敛,不仅有效抑制了转速超调和转矩波动,还消除了传统方法中电流工作点轨迹的波动、偏移等问题,显著缩短了转速调节时间并提升了转速动态性能。最后,通过实验验证所提转速动态优化控制策略的有效性。

集中绕组模块组合式定子结构对低速大功率永磁电机性能影响

针对集中绕组模块组合式定子结构对低速大功率直驱永磁同步电机性能的影响进行研究。首先介绍了模块化定子的分块规则和分块数。基于绕组函数法推导了单个定子单元模块在不同拆分方式下的绕组函数和电感表达式。基于有限元仿真先分析了仅绕组分块对电机性能影响;然后分析了冲片和绕组都分块对电机性能影响。通过对比空载和负载性能,总结出各种定子模块化拆分方案的优缺点,为大功率低速直驱永磁同步电机的模块化设计与制造建立了基础。

永磁同步电机的复叠式螺旋滑模控制策略研究

使用矢量控制、直接转矩控制(DTC)等传统算法对永磁同步电机(PMSM)控制存在系统抖振大、电机参数依赖性强、鲁棒性弱、电机转速和转矩动态响应慢等问题,提出了基于复叠式螺旋滑模控制(CSSMC)的PMSM控制策略。保留了传统DTC的基本结构,即转速控制器、磁链、转矩调节器3部分主体结构,新型控制系统转速环采用CSSMC控制代替传统PI控制,转矩磁链环采用超螺旋滑模控制(STSMC)代替传统滞环控制的DTC控制算法,该控制算法输出信号为dq轴电压可以结合空间矢量调制来对PMSM进行控制。使转速能够快速响应到达理想转速,拥有更小的超调量,且提高了系统的抗干扰性和鲁棒性,同时降低了电磁转矩、磁链的脉动。最后,通过仿真和实验验证所提控制策略的有效性和优越性。

带负载扰动补偿的永磁同步电机改进MRAS观测器控制

针对传统模型参考自适应系统(MRAS)对转速和负载变化敏感及鲁棒性差等问题,提出一种基于快速超螺旋滑模自适应观测器的改进型控制算法。利用快速超螺旋滑模代替传统的PI自适应环节,提高了系统鲁棒性;考虑负载转矩对系统产生的影响,将负载转矩和转速作为状态变量,选取转速实际值与观测值误差作为滑模面,设计负载转矩滑模观测器,将实时辨识的负载转矩引入到电流环,对参考转矩进行前馈补偿,提高了系统的抗负载扰动能力。以表贴式永磁同步电机为控制对象进行仿真和实验。结果表明:相比传统的模型参考自适应控制,改进型快速超螺旋滑模观测器控制具有更好的动态性能和鲁棒性。

近极槽数表贴式永磁同步电机齿顶漏磁分析与计算

近极槽数表贴式永磁同步电机的齿顶漏磁比较大,凭传统经验选取齿顶漏磁系数,再利用有限元软件仿真的方法延长了电机设计周期,即齿顶漏磁的快速、准确计算十分必要。根据半单元电机内每个齿的齿顶漏磁各自不同的特点,提出了平均每极齿顶漏磁的计算方法。将半单元电机内的所有齿的齿顶漏磁规算到每个磁极下,推导出了平均每极齿顶漏磁和齿顶漏磁系数的解析表达式。在此基础上进一步研究了电机极数和极弧系数的变化对齿顶漏磁系数的影响。平均每极齿顶漏磁解析法计算结果与有限元软件仿真结果一致,验证了平均每极齿顶漏磁计算方法的正确性和准确性。

凸极式永磁同步电机矢量控制算法研究与工程实现

以新能源电动汽车用凸极式永磁同步电机为研究对象,根据驱动电机的实际运行工况,提出了在基速以下的恒扭矩区采用最大转矩电流比控制,基速以上的恒功率区采用弱磁控制的矢量控制策略。通过查表法实现矢量控制,即根据电机运行工况,实时查表得到电机交、直轴电流的参考值,实现对永磁同步电机的控制。

基于反电动势的表贴式永磁同步电机位置传感器故障诊断研究

永磁同步电机驱动系统中转子位置的获取至关重要,影响着系统运行安全与稳定性。其位置传感器常常因为工作环境较为恶劣,信号间的不匹配等原因产生故障,无法为驱动控制系统提供有效的转子位置信息。文章基于直接转矩控制的控制方法,构建了一种基于反电动势的滑膜观测器,用做表贴式永磁同步电机故障诊断。通过合理的滑膜增益值与切换函数构建滑模观测器,通过反正切函数提取转子位置信息,并在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型进行验证。

基于VBR的永磁同步电机节点建模方法研究

大规模电力电子分布式电源与电力电子装置的接入将使电网特性逐渐电力电子化,进行电磁暂态仿真时,将电机模型采用节点法进行建模可以将其作为1个电路元件对整个电力电子系统整体进行建模仿真,提高了仿真效率。voltage-behind-reactance(VBR)建模方法通过将电机建模为电阻–电感–反电势的节点模型,具有直接的电机–外电路接口,但是该方法并不适用于转子结构不对称的凸极式永磁同步电机。针对该问题,文章首先推导基于扩展反电势的凸极式永磁同步电机的数学模型,并提出一种隐显式混合数值积分方法以解决该模型扩展反电势微分项求解的问题。对比了多种建模方法的准确性及运行效率,仿真结果表明,所提模型具有较高的仿真精度与运算速度,且在较大的仿真步长也能够保持稳定,可以准确、高效地应用于包含凸极式永磁同步电机的电力电子系统暂态仿真。

基于参数敏感自适应的漏磁可变式永磁电机无位置传感器控制研究

漏磁可变式永磁电机(variable leakage flux permanent magnet synchronous motor,VLF-PMSM)具有宽调速、广域高效等优势,满足电动汽车对电机驱动系统的要求。但是,由于其电机参数随电动汽车运行工况可变的特性,给其无位置传感器控制研究带来极大的挑战。针对此问题,该文提出一种基于参数敏感自适应的零低速无位置传感器控制策略。首先,基于电感参数变化机理,推导凸极率与转子位置估计误差的关系,分析凸极率的变化对系统稳定性的影响。在此基础上,设计参数自适应检测滤波器和滑模控制器,通过转速自适应调节检测滤波器的中心频率,提高转子位置估计精度,并且引入动态调节因子,极大地改善VLF-PMSM无位置传感器控制驱动系统的动稳态响应,以抑制电机参数变化对无位置传感器控制系统的影响。最后,搭建VLF-PMSM无位置传感器矢量控制系统,并进行实验研究,实验结果验证所提控制策略的可行性和有效性。

内埋式永磁同步电机的弱磁控制策略

针对内埋式永磁同步电机的弱磁控制,提出一种修正电流设定值的方法。该方法由两部分组成:弱磁区域的确定和设定电流修正值的计算。电机运行所在的弱磁区域由恒转矩曲线方向和电流调节器输出电压递减方向之间的夹角来确定,输出电压的递减方向信息通过梯度下降法计算得到;设定电流修正值的大小根据该弱磁区域内转矩、电压变化量的方向信息和电流调节器输出电压与电压设定值的差值来确定。通过实验验证了该控制策略的正确性和可行性,实验结果表明所提出的控制策略控制精确度高、响应速度快、鲁棒性好。

基于解析模型的永磁同步电机优化设计

永磁同步电机的电磁转矩和涡流损耗是两个重要指标,在体积等限制条件下,有效提高电磁转矩并降低转子涡流损耗是电机设计的关键。针对这个问题,文中采用解析法,分别计算电磁转矩和涡流损耗,并采用粒子群优化算法,对电机尺寸参数进行优化设计。解析模型包括电枢反应磁场和空载磁场模型。在计算涡流损耗时考虑涡流反应、永磁体周向分段等,优化算法的目标函数并使用权值将多目标转换成单目标。通过解析解与时步有限元数值解的对比可看出,解析解的误差在2%左右。参数影响分析的响应面显示,在定子绕组节距为25°时,电磁转矩和涡流损耗相关性一致。优化迭代结果显示,优化设计降低了76%的平均涡流损耗、22%的平均电磁转矩和68%的电磁转矩波动。