一种永磁同步电机效率优化控制策略研究.pdf
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1、电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第16期No.162023年8月Aug.2023收稿日期:2022-04-12稿件编号:202204079基金项目:福建省科技计划项目(021I0039,2021T3064,2021T3035)作者简介:王 红(1994),女,陕西宝鸡人,硕士研究生。研究方向:电机控制。永磁同步电机效率优化控制策略主要分为基于损耗模型控制策略和基于搜索算法控制策略两种1-2。基于损耗模型控制策略具有动态响应快、计算量小的优点,但是依赖电机模型,实际工况下电机参数的变化会对控制效果造成较大负面影响3-4。基于搜索算法控制策
2、略需要对输入功率不断采样,算法收敛速度较慢5-6。一种永磁同步电机效率优化控制策略研究王 红,于新红(中国科学院海西研究院泉州装备制造研究中心,电机驱动与功率电子国家地方联合工程研究中心,福建 泉州,362200)摘要:为提升永磁同步电机的效率指标,提出一种基于跟踪微分器的效率优化控制策略,该策略通过建立损耗模型,分析损耗功率与定子磁链的极值关系,在直接转矩控制下重构损耗功率函数,将损耗功率函数的电机参数个数降到最少,利用跟踪微分器来求解永磁同步电机不同运行工况下的最优定子磁链。该控制策略不仅能实现控制系统的全局效率最优,而且具有良好的动态特性和较强的鲁棒性。通过与传统损耗模型控制策略进行仿真
3、实验结果对比分析,验证了所提控制策略的有效性。关键词:永磁同步电机;损耗模型;跟踪微分器;最优定子磁链中图分类号:TN273文献标识码:A文章编号:1674-6236(2023)16-0016-05DOI:10.14022/j.issn1674-6236.2023.16.004Research on an efficiency optimization control strategy of permanent magnetsynchronous motorWANG Hong,YU Xinhong(National Local Joint Engineering Research Center
4、 for Electrical Drives and Power Electronics,QuanzhouInstitute of Equipment Manufacturing,HaiXi Institutes,Chinese Academy of Sciences,Quanzhou 362200,China)Abstract:In order to improve the efficiency index of permanent magnet synchronous motor,an efficiencyoptimization control strategy based on tra
5、cking differentiator is proposed.Through the established lossmodel,this strategy analyzes the extreme value relationship between loss power and stator flux linkage,reconstructs the loss power function under direct torque control,and minimizes the number of motorparameters of loss power function.The
6、tracking differentiator is used to solve the optimal stator fluxlinkage of permanent magnet synchronous motor under different operating conditions.The controlstrategy can not only achieve the global efficiency optimization of the control system,but also hasgood dynamic characteristics and strong rob
7、ustness.By comparing and analyzing the simulation resultswith the traditional loss model control strategy,the effectiveness of the proposed control strategy isverified.Keywords:permanent magnet synchronous motor;loss model;trace differentiator;optimal stator flux-16该文针对永磁同步电机效率优化问题,在直接转矩控制的基础上,设计跟踪微
8、分器,将效率优化问题转化为求取微分信号问题。该策略重新设计损耗功率估计函数,将损耗功率函数作为跟踪微分器的给定输入信号,实时跟踪并求取其微分信号,获取最优给定定子磁链,通过直接控制电机磁链,在满足电机高性能的前提下,使电机始终工作在最高效率点。最后,通过 Simulink 建立基于跟踪微分器的效率优化控制仿真模型,验证了该文所提控制策略的有效性。1PMSM损耗模型表贴式永磁同步电机的主要损耗包含铁损、铜损和机械损耗。机械损耗主要由运行工况决定,属于不可控损耗,且损耗占比较小。铜损是电机定、转子绕组之间的热效应产生的损耗,铁损是定、转子气隙间磁通的变化产生的损耗,这两者都可通过控制算法来实现效率
9、提升7-9。在 d、q轴坐标系下建立只考虑铁损和铜损的表贴式永磁同步电机损耗模型等效电路如图1所示。图1d、q坐标系下永磁同步电机的损耗模型等效电路图中,Ud、Uq为d、q轴定子电压分量;id、iq为 d、q坐标系下定子电流分量;Rs为定子绕组电阻;RFe为等效铁损电阻;L 为 d、q 轴等效电感;f为转子磁链;iod、ioq为定子电流在 d、q 轴上的有功分量;icd、icq为定子电流在 d、q轴上的无功分量;We为转子旋转电角速度。d、q坐标系下PMSM电压方程为:Ud=Rsiod+ddtd-WeqUq=Rsioq+ddtq-Wed(1)磁链分量d、q和电磁转矩的表达式为:d=Liod+f
10、q=Lioq(2)Te=npfioq(3)而不考虑铁损的永磁同步电机磁链分量和电磁转矩为:d=Lid+fq=Liq(4)Te=npfiq(5)式(2)、(3)和(4)、(5)表明,不考虑铁损的永磁同步电机数学模型得到的磁链和转矩与实际均有一定误差,会降低系统性能。例如在永磁同步电机电动状态,id为负值,iq为正值,ioq小于iq,则考虑铁损模型计算的电磁转矩小于不考虑铁损模型计算的转矩,发电状态时相反。该文建立的损耗模型充分考虑铁损影响,在磁链和电磁转矩计算过程中更为精确。稳态时,电压及电流方程可以表示为:Ud=Rsiod-LWeioq-RsLWeioqRFeUq=Rsioq+We(Liod+
11、f)+RsWe(Liod+f)RFe(6)icd=-LWeioqRFeicq=We(Liod+f)RFe(7)iod=id-icdioq=iq-icq(8)式中,RFe为等效铁损电阻。联立上式,重新得到电流方程如下:id=d-fL-LWeTenpfRFeiq=Tenpf+We(d-f)+fRFe(9)icd=-LWeTenpfRFeicq=We(d-f)+fRFe(10)由功率估计方程Ploss=I2R,基于损耗模型法的永磁同步电机的铁损和铜损之和为:Ploss=PCu+PFe=Rs(id2+iq2)+RFe(i2cd+i2cq)(11)王 红,等一种永磁同步电机效率优化控制策略研究-17电子
12、设计工程 2023年第16期其中,在空载的条件下测量获取铁损电阻的阻值,即在电机空载运行时,利用输入功率减去铜损得到铁损的值10如式(12):PFe=Pin-PCu(12)又根据损耗模型的等效电路图可知,等效铁损电阻RFe为:RFe=(Wrf)2PFe(13)其中,Wr为机械转速。2PMSM最优磁链控制策略2.1传统基于损耗模型控制策略效率优化控制的目标是使电机在当前运行工况下损耗功率达到最小。基于传统损耗模型效率优化控制策略就是通过使永磁同步电机的铁损和铜损总和最小,来实现电机运行效率最大化11-13。永磁同步电机在稳态时,Te和We都可视为常数值,由式(9)可知,损耗功率Ploss是仅与定
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