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內置式永磁同步電機（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM）具有高轉矩密度、高效率、體積小等優(yōu)點，已廣泛應用于電動汽車、航空航天等高端領域。傳統(tǒng)控制方法需要通過機械傳感器獲得轉子位置及轉速信息，造成系統(tǒng)更加復雜、成本增加、可靠性降低等問題。為進一步拓寬IPMSM的應用領域，無位置傳感器控制技術已經(jīng)成為當前研究的熱點。

IPMSM在中高速范圍通常采用反電動勢法獲得轉子位置信息。而在零低速時，由于電機反電動勢過小，不易準確獲取轉子位置信息，因此常采用高頻脈振信號注入法實現(xiàn)無位置傳感器控制。高頻脈振信號注入法利用電機的凸極效應，向估計d軸注入高頻電壓信號，從高頻電流中提取出零低速下的轉子位置信息。該方法易于實現(xiàn)，具有較高的工程應用價值。

為了簡化控制，無位置傳感器控制技術通常基于id=0控制。但是，為了充分利用IPMSM的磁阻轉矩，提升電機的轉矩輸出能力和系統(tǒng)效率，更應采取最大轉矩電流比控制（Maximum Torque Per Ampere, MTPA）。

為了實現(xiàn)MTPA控制，許多學者進行了相關的研究，主要分為兩種：一種是離線計算法，包括公式法和查表法。公式法精度較差且計算量較大，查表法需要進行多次離線測試且運行效果會受到實際工況的影響。另一種是在線估計法，包括極值搜索法和信號注入法。極值搜索法收斂速度較慢導致動態(tài)響應能力較差。信號注入法是將信號注入到電機中，所以不可避免地會引起額外的轉矩脈動和損耗增加。

有學者提出一種虛擬信號注入的方法，通過向電流矢量角中注入高頻正弦或者方波信號，構建注入信號后的電機模型實現(xiàn)MTPA控制。此類方法不依賴電機參數(shù)且并未將高頻信號注入到電機中，避免了由信號注入帶來的損耗增加等問題。

目前，虛擬信號注入MTPA控制策略注入的高頻信號主要有兩種形式：正弦信號和方波信號。對于正弦信號，通常需要使用帶通濾波器和低通濾波器獲取dTe/dβ。如果將其直接與高頻脈振注入無位置控制結合，較多的濾波器會進一步降低整個控制系統(tǒng)帶寬，影響系統(tǒng)動態(tài)響應能力。

對于方波信號，省去濾波器的使用，但會使得到的電流矢量角中包含高頻方波信號。對于高頻脈振信號注入的無位置傳感器控制，不可避免地要向控制系統(tǒng)中注入高頻信號，這會使得d軸上存在兩種高頻信號，從而影響位置信號的提取。

為克服傳統(tǒng)虛擬信號注入MTPA控制策略與高頻脈振無位置控制策略結合的不足，江蘇大學電氣信息工程學院的研究人員提出一種基于直流虛擬信號注入的MTPA控制策略。在高頻脈振信號注入無位置控制策略的基礎上，為避免注入的兩種信號相互干擾，通過分別向估計dq軸上注入直流信號，計算出相應的功率追蹤MTPA工作點，來提升系統(tǒng)效率。兩種控制算法都是通過信號注入的方式對電機參數(shù)擾動具有一定的魯棒性。

圖1 IPMSM控制系統(tǒng)實驗平臺

研究人員指出，該方法通過向估計d軸注入高頻脈振電壓信號獲取轉子位置信息，向估計dq軸電流注入直流信號追蹤MTPA工作點。該虛擬信號注入方法不會產生額外的損耗，并且不依賴電機參數(shù)。與傳統(tǒng)虛擬信號注入MTPA方法相比，所提方法不會影響無位置控制算法，同時注入的高頻電壓信號不會影響MTPA追蹤精度。

他們最后通過搭建IPMSM實驗系統(tǒng)進行驗證。實驗結果表明，該方法能夠在不影響轉子位置估計精度、不依賴電機參數(shù)的情況下，實現(xiàn)MTPA控制，并且在不同工況下具有較好的動態(tài)響應能力和魯棒性。

本文編自2021年第24期《電工技術學報》，論文標題為“基于虛擬信號和高頻脈振信號注入的無位置傳感器內置式永磁同步電機MTPA控制”，作者為趙文祥、劉桓 等。