[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

权利要求书

1.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，其特征在于，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2的具体过程为：

IPMSM在dq轴同步坐标系下的转矩T_e方程可以表示为

式中，T_e为转矩，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；i_s是定子电流幅值，β是定子电流矢量角，p是电机极对数；由以上等式可知，在满足稳态输出转矩的条件下，存在唯一的β，使定子电流幅值最小，即MTPA工作点；令转矩表达式对电流矢量角的导数等于零，可以求得电机运行在MTPA工作点时的最佳电流矢量角：

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；

步骤3的过程如下：

IPMSM的输入功率可以表示为

式中，P_in是电机的输入功率；P_copper是电机铜耗；P_out是电机的输出功率；u_d和u_q分别为电机的dq坐标系下电压；R为定子电阻；

在稳态下，电压方程可表示为

ω_e为电机的电角速度；结合以上两个等式，则P_out可等效为

向估计d轴注入直流偏置量A，则可得电机输出功率为

同理，向估计q轴注入直流偏置量A后的电机输出功率为

dT_e/dβ可以进一步表示为

将稳态电压方程带入P_out、P_dout、P_qout得：

2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，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；

向估计的d轴注入高频电压为U_hcos(ω_ht)，得到估计dq轴下高频电流响应为

式中，上标“^”为估计dq坐标系下的物理量；U_h为注入电压幅值；Δθ为估计位置误差；L、ΔL为电感参数；

轴电流先通过带通滤波器BPF得到高频电流幅值然后将与调制信号sin(ω_ht)相乘，最后将其通过低通滤波器LPF滤除所注入的高频信号，则位置误差信号f(Δθ)提取的数学过程可表示为

由上式可知，通过PI调节器将f(Δθ)调节至零，使估计位置与实际位置相等，可以获得转子转速和位置估计值。

3.根据权利要求1所述的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，其特征在于，将定子电阻和d轴电感视为常数，通过PI调节器令dT_e/dβ为零得到MTPA时的最佳电流角。