纯电动汽车用内置式PMSM的MTPA-FW控制算法对比研究

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考虑位置观测误差的永磁同步电机无传感器驱动系统MTPA控制策略

电气传动2023年第53卷第12期ELECTRIC DRIVE 2023Vol.53No.12摘要：最大转矩电流比（MTPA ）控制是提升永磁同步电机无传感器驱动系统效率的重要手段之一。

在无传感器驱动系统中，传统计算法根据公式推导最优电流矢量角解析解，无法计及位置观测误差变化的特性，而注入虚拟信号寻优方法受位置观测误差影响精度降低。

为解决该问题，提出一种考虑位置观测误差的MTPA 方法。

所提方法通过比较上述两种方法在无传感器驱动系统中对最优电流矢量角不同的追踪结果估计位置观测误差，利用估计的位置误差对电机数学模型进行校正以实现最优电流矢量角高精度追踪。

最后，在2.2kW 内置式永磁同步电机实验平台验证了所提方法的有效性。

关键词：内置式永磁同步电机；MTPA 控制；无传感器控制；虚拟信号注入中图分类号：TM28文献标识码：ADOI ：10.19457/j.1001-2095.dqcd25113MTPA Control Strategy Considering Position Estimation Error for Sensorless Drive System ofPermanent Magnet Synchronous MotorZHANG Guoqiang ，NIU Ben ，YANG Hua ，WANG Gaolin ，XU Dianguo（School of Electrical Engineering and Automation ，Harbin Institute of Technology ，Harbin 150001，Heilongjiang ，China ）Abstract:Maximum torque per ampere （MTPA ）control is one of the important methods to improve the efficiency of sensorless drive system of permanent magnet synchronous motor （PMSM ）.In the sensorless drive system ，the traditional calculation method deduces the analytical solution of the optimal current vector angle according to the formula ，which ignores the characteristics of the position error changes ，and the accuracy of the injection virtual signal optimization method is also reduced by the position error.In order to solve this problem ，an MTPA control method considering position estimation error was proposed.By comparing the optimal current vector angle tracking result of the above two methods in the sensorless drive system ，the position error was estimated.Then the estimated position error was applied to correct the motor mathematical model for the high-accuracy tracking of the optimal current vector angle.Finally ，the effectiveness of the proposed method was verified on the 2.2kW interior PMSM （IPMSM ）experimental platform.Key words:interior permanent magnet synchronous motor （IPMSM ）；maximum torque per ampere （MTPA ）control ；sensorless control ；virtual signal injection基金项目：国家自然科学基金（52177034）作者简介：张国强（1987—），男，博士，教授，主要研究方向为交流电机控制理论与应用技术，Email ：************.cn考虑位置观测误差的永磁同步电机无传感器驱动系统MTPA 控制策略张国强，牛犇，杨华，王高林，徐殿国（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨150001）永磁同步电机（PMSM ）因其高效率、高功率密度和宽调速范围而被广泛应用于各工业领域[1-2]。

pmsm驱动系统mtpa控制方法的仿真研究

0引言永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）由于具有结构简单、功率密度高、控制容易、故障率低、功率因数高等技术优势，在国防、航空航天、工农业生产、新能源等诸多领域得到了广泛应用[1]。

本文采用的最大转矩/电流（Maximum Torque Per Ampere，MTPA）控制方法属于矢量控制方法（Field Oriented Control，FOC）范畴。

矢量控制还可以分为i d=0控制策略、cosφ=1控制策略、MTPA控制策略、弱磁控制等，而各个方法其实是依据不同速度的调节范围以及运行的性能要有所区别[2]-[5]。

从PMSM的控制技术的发展现状来看，矢量控制得到了广泛应用，极大提升了PMSM驱动系统的稳态与动态控制性能，拓展了其应用领域。

另一方面，为提高PMSM驱动系统的带载能力及系统功率密度，充分利用内嵌式永磁同步电机的磁阻力矩，改善系统动态性能，降低驱动系统功耗，提高系统运行效率，实现PMSM的最优转矩控制，MTPA控制策略在PMSM驱动系统中得到了广泛应用。

针对电动汽车等对低速输出转矩要求较大的应用领域，PMSM的MTPA控制方法得到了广泛应用，并多与弱磁控制相结合实现电动汽车的宽范围调速。

同时，为降低算法计算量，便于工程实现的MTPA控制方法也得到了深入研究[6]。

在机器人、数控机床等技术中发展PMSM矢量控制系统具有很广阔的空间与应用前景，所以对于此系统的研究，对中小型交流调速与伺服系统的发展具有重要的意义。

本文对于PMSM控制系统就是用的MTPA控制策略。

1MTPA控制原理MTPA是控制i d的大小以获得最大转矩，此控制策略的特点是在恒转矩运行区，给定转矩的条件下，将定子电流控制到最小[7]-[9]。

而对于隐极式PMSM而言，L d=L q，磁阻转矩并不明显，恒转矩曲线在i d i q轴上为一系列平行于d 轴的水平线，转子磁路是对称的，并且磁矩转矩为零，其MTPA轨迹其实就是q轴，所以对隐极PMSM而言，MTPA 控制策略其实就是i d=0控制。

电动汽车用内置式PMSM的MTPA控制算法对比研究

ｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｔｉａｎｊｉｎ３００４５８，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｔｏｒｑｕｅｐｅｒａｍｐｅｒｅ（ＭＴＰＡ）ｃｏｎｔｒｏｌｏｆｉｎｔｅｉｒｏｒｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｎｏ — ｔｏｒ（ＩＰＭＳＭ）ｖｅｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌ（ＶＣ）ｓｙｓｔｅｍｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆａ２５ｋＷｉｎｔｅｉｒｏｒＰＭＳＭ
￣ｅｄｂａｃｋｌｇａｏｉｒｔｈｍａｎｄｄｉｒｅｃｔｓｏｌｕｔｉｏｎａｌｇｏｉｒｔｈｍｗｅｒｅｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅｆａｓｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍｒｅｓｐｏｎｓｅｓｐｅｅｄｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ
第５Ｏ卷第４期２０１７焦４月
Ｖ０１．５Ｏ．Ｎｏ．４Ａｐｒ．２０１７
电动汽车用内置式ＰＭＳＭ的ＭＴＰＡ控制算法对比研究
陈起旭，王庆元，徐
摘
俊，邹忠月，曹秉刚

电动汽车PMSM MTPA 控制系统滑模速度控制

第8 期
金宁治等：电动汽车 PMSM MTPA 控制系统滑模速度控制
53
0
引
言
15 － 16］采用基于滑滑模控制固有的抖振。文献［模观测器的无位置传感器方法预估位置和转速，获 15］采得了良好的稳态精确度和动态性能。文献［用自适应滑模观测器和高频信号注入法相结合的无位置传感器转速预估方法，提高了系统的低速特性和在较宽转速范围内的静态、动态特性。
1
永磁同步电机数学模型
永磁同步电动机在 d － q 旋转坐标系中的定子
电压方程为 ud = Rs id + Ld uq = Rs iq + Lq di d － Lq ωe iq ， dt
di q + Ld ωe id + ωe ψf 。 dt
}
（ 1）
u q 分别为 d、 q 轴电压； i d 、 i q 分别为 d、 q轴式中： u d 、 L q 分别为 d、 q 轴电感； R s 为定子相电阻；电流； L d 、 ψ f 为转子永磁体磁链； ω e 为转子电角速度。电磁转矩方程为 T e = 1. 5 p（ ψ f i q + （ L d － L q ） i d i q ），运动方程为 Te － TL = J dω m + Bω m 。 dt （ 3）（ 2）
x2 = x 1 = e ω = － ω m，
}
（ 4）（ 5）
式中， ω mr 为给定机械角速度。由式（ 3 ）～式（ 5 ）可得速度环控制系统的状态空间方程为 x 1 = ax1 + bu + e，式中： a = － Te （ T L + Bω mr ） B ；b= －；e= 。 J J J （ 6）

电动汽车PMSM MTPA控制系统滑模速度控制

（ｃｏｌｆｌｃｉｌＥｅｔｎｃＥｇｅｒｇＨａｉＵｉｒｔｏｃｅｃｎｅｈｏｇ，ｒｉ１０８，Ｃｉ）ＳｈｏｏＥｅｔｃ＆ｌｒｉｎｉｅｉ，ｒｎｎｖｓｙｆｉｅａｄＴｃｎｌｙＨａｎ５００ｈｎｒａｃｏｎｎｂｅｉＳｎｏｂａ
金宁治，王旭东李文娟＇
（哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，龙江哈尔滨１０８）黑５００
摘要：了提高电动汽车电机驱动系统对参数摄动和负载扰动的鲁棒性，为同时削弱滑模变结构控制（ＭＶＣ固有的抖振，一种改进的滑模控制策略应用于永磁同步电机（ＭＳ最大转矩电流ＳＳ）将ＰＭ）
ＡｂｔａｔＡｒｖｄｓｄｎｏｅｖｒｂｅｓｕｔｒｃｎｒｌＳＳ）ｓａｅｙｉｉｔｄｃｄｔｐｒａｓｒｃ：ｎｉｏｅｉｉｇｍｄａａｌｔｃｕｅｏｔ（ＭＶＣｔｔｒｕｅｅｍ・ｍｐｌｉｒｏｒｇｓｎｏｏ
ｓｐｓｔｏｑｅｗｅｅｓｐｒｔｌｉｔｄｉｔｏｏｄｒｐｌｎｍｉｌｈｉｏｔｒｕｒｅａａｅｙｆｔｅｎｏｌｗｒｅｏｙｏａｓ，ｗｈｃｄｈｅｍｅｈｄｍｏｅｐａｔａｌｉｈｍａｅｔｔｏｒｒｃｉｂｅｃｉｎｉｅｒｎ．Ａｎｉｒｖｄｖｒａｌｘｏｅｔｒａｈｎａｂｓｄｓｉｉｇｍｏｅｃｎｒｌｓｒｔｇｓｐｏｎｅｇｎｅｉｇｍｐｏｅａｂｅｅｐｎｎｅｃｉｇｌｗａｅｌｄｎｄｏｔｏｔａｅｙｗａｒ — ｉｐｏｅｎｓｅｄｌｏｓｄｉｐｅｏｐ，ａｄｉｔｇａｌｉｇｓｒａｅａｄｃｎｉｕｕｏｔｏａｗｅｅａｏｅｎｎｅｒｌｓｉｎｕｆｃｎｏｔｎｏｓｃｎｒｌｌｗｒｄｐｔｄ，ａｌｏｉｈｄｌｆｗｈｃｅｆｃｉｅｙａｌｖａｅｉｒｎｉｈｔｒｎｆｔｅｓｉｎｄｏｔｏｙｔｍ．Ｓｍｕｌｔｎａｄｅｐｒｍｅｔｌｆｅｔｌｌｅｉｔｎｔｉｓｃｃａｔｉｇｏｈｌｄｉｇｍｏｅｃｎｒｌｓｓｅｖｅｉａｉｎｘｅｏｉｎａｒｓｔｅｎｓｒｔｈａｈｅｉｎｄｃｎｒｌｅｎｈｎｅｙｔｍｏｕｔｅｓａｄｅｓｒｓｇｏｙａｃａｄｅｕｌｄｍｏｔａｅｔｔｔｅｄｓｇｅｏｔｏｌｒｅａｃｓｓｓｅｒｂｓｎｓｎｎｕｅｏｄｄｎｍｉｎｓｓａｉｅｏｍａｃｓｆｒｅｅｔｃｖｈｃｅｍｏｏｒｖｙｔｍ．ｔｔｃｐｒｒｎｅｌｃｒｅｉｌｔｒｄｅｓｓｅｆｏｉｉＫｅｒｓ：ｅｍａｅｔｍａｎｔｓｎｃｒｎｕｃｉｅ；ｘｍｕｍｏｑｅｐｅｍｐｒｙｗｏｄｐｒｎｎｇｅｙｈｏｏｓｍａｈｎｍａｉｔｒｕｒａｅｅ；ｓｉｉｇｍｏｅｖｒａｌｌｄｎｄａｉｂｅ

电动汽车PMSM MTPA控制系统抗积分饱和速度控制

电动汽车PMSM MTPA控制系统抗积分饱和速度控制于雪锋;谭会生;胡云飞;李成伟【摘要】电动汽车电机驱动系统大多采用传统PI控制,存在积分饱和现象,系统易产生超调和振荡问题,因此将抗积分饱和控制策略引入永磁同步电机最大转矩电流比控制调速系统中,以提升系统的稳定性.采用反馈算法求解转矩电流高次方程,解决了高次方程求解困难的问题,实现了最大转矩电流比控制;速度环和电流环均采用抗积分饱和PI控制,有效地抑制了积分饱和,减小了系统的超调量,提高了电机控制精度.基于Matlab/Simulink搭建了系统模型并进行仿真,仿真结果表明,所设计的系统有效地抑制了积分饱和现象,减少了速度的超调,具有良好的动态和稳态性能,可以较好地满足电动汽车电机驱动系统的要求.【期刊名称】《湖南工业大学学报》【年(卷),期】2019(033)002【总页数】6页(P32-37)【关键词】永磁同步电机;抗积分饱和控制;最大转矩电流比控制;Matlab;电动汽车【作者】于雪锋;谭会生;胡云飞;李成伟【作者单位】湖南工业大学电气与信息工程学院,湖南株洲 412007;湖南工业大学电气与信息工程学院,湖南株洲 412007;湖南工业大学电气与信息工程学院,湖南株洲 412007;湖南工业大学电气与信息工程学院,湖南株洲 412007【正文语种】中文【中图分类】TP2731 研究背景永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor，PMSM）以其效率高、功率密度大、转动惯量小、过载能力强等优点，在电动汽车电机驱动系统中得到了广泛的应用[1]。

在电动汽车电机驱动系统中，基速以下采用最大转矩电流比（maximum torque per ampere，MTPA）控制方式，可以充分利用电机磁阻转矩，提高电机单位电流的转矩输出能力和车辆的动力，使车辆在起步、加速、上下坡、频繁起停等复杂工况下稳定运行；同时，电动汽车的逆变器容量有限，采用最大转矩电流比控制，可减小输入的定子电流，从而增加续航里程，提高电机驱动系统运行效率[2]。

内置式永磁同步电机的MTPA模型预测控制

内置式永磁同步电机的MTPA模型预测控制
祝前越;张兴华
【期刊名称】《计算机仿真》
【年(卷),期】2024(41)1
【摘要】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id=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。

【总页数】5页(P380-384)
【作者】祝前越;张兴华
【作者单位】南京工业大学电气工程与控制科学学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM351;TP273
【相关文献】
1.基于MTPA的内置式永磁同步电机转矩预测控制
2.内置式永磁同步电机无位置传感器自适应集总电动势模型预测控制
3.基于线性变参数模型预测控制的内置式
永磁同步电机转速控制器设计4.基于电感辨识的内置式永磁同步电机电流模型预测控制5.内置式永磁同步电机精确参数的MTPA控制
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基于MTPA的电动汽车用同步磁阻电机控制

基于MTPA的电动汽车用同步磁阻电机控制MTPA（Maximum Torque Per Ampere，每安培最大转矩）是一种用于电动汽车中同步磁阻电机控制的算法。

该算法可以实现在给定电流和电压的情况下，使电机达到最大转矩输出。

同步磁阻电机是一种具有永磁体和绕组的电机，它通过控制电流和电压来实现对电机的控制。

MTPA算法就是为了优化电机的转矩输出而设计的。

MTPA算法的基本原理是通过调整电机的相电流来控制电机的转矩输出。

电机的转矩与磁链有关，而磁链与相电流成正比。

通过调节相电流可以改变电机的转矩输出。

MTPA算法首先需要测量电机的电流和电压。

通过测量，可以得到电机的相电流和电压值。

然后，根据电流和电压值计算电机的磁链值。

磁链值可以根据电机的特性曲线得到。

接下来，根据所需的转矩输出和磁链值，计算出电机的理论最大电流值。

然后，将实际电流值与理论最大电流值进行比较，如果实际电流值超过了最大电流值，就需要调整电机的相电流。

调整相电流的方法是通过改变电机的PWM（脉宽调制）信号来实现的。

通过改变PWM 信号的占空比，可以改变相电流的大小。

当实际电流值超过最大电流值时，可以降低PWM 信号的占空比，从而降低相电流的大小。

相反，当实际电流值小于最大电流值时，可以增加PWM信号的占空比，从而增加相电流的大小。

通过不断地调整相电流，直到实际电流值等于最大电流值，就可以实现电机的最大转矩输出。

这样，就可以在给定电流和电压的情况下，实现电机的最优控制。

基于MTPA的电动汽车用同步磁阻电机控制算法可以实现电机的最大转矩输出。

通过调整电机的相电流，可以优化电机的控制效果，提高电机的性能。

这对于电动汽车的驱动系统来说，具有重要的意义。

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的差值，作为电流调节器ＡＣＲ的输入。在ｔ＝０．２ｓ时刻，负载转矩由８ＯＮｍ阶跃到２０Ｎｍ，转速由额定转速３０００ｒ／
分析，实现了弱磁控制。在整个控制系统中，２种算法均使用了电流、转速和电压三闭环反馈控制，以定子相电压
ｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ，ｗｈｉｃｈｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｆｕｌｉｌｆｌｔｈｅｆｌｕｘｗｅａｋｅｎｉｎｇｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｒｉｐｌｅｃｌｏｓｅｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓｐｅｅｄ，ｃｕｒｒｅｎｔ
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第５０卷第６期
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纯电动汽车用内置式ＰＭＳＭ的ＭＴＰＡ．ＦＷ控制算法对比研究
陈起旭，邹忠月，曹秉ｅＤＣｓｉｄｅｂｕｓｖｏｌｔａｇｅｏｆｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅ由－ａｘｉｓｖｏｌｔａｇｅ
ｍｉｎ阶跃到最高转速１２０００ｒ／ｍｉｎ，由转速曲线可以看出，采用２种不同弱磁调速算法，均可以实现具备４倍弱磁调速能力。仿真证明了弱磁控制算法的合理性，实现了电磁转矩与转速的快速跟踪，以及较小的电流与转矩纹波，并
ｊｅｃｔｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｇｒａｄｉｅｎｔｄｅｓｃｅｎｔｍｅｔｈｏｄａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｌｅａｄｉｎｇａｎｇｌｅｍｅｔｈｏｄｗｅｒｅ
ＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＭＴＰＡ－ＦＷＣｏｎｔｒｏｌＳｔｒａｔｅｇｙｆｏｒＩＰＭＳＭ
ＵｓｅｄｉｎＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅｓ
俊
（西安交通大学机械工程学院，西安７１００４９）
要：以一台２５ｋＷ电动汽车用内置式永磁同步电机作为被控对象，分别使用梯度下降法、电流超前角ｐ法对比对变频器直流侧母线电压。的利用率为基础，采集电流调节器ＡＣＲ输出的交／直轴电压，与定子相电压最大值Ｕ … 相比较组成反馈电压控制环，经积分调节器，最终得到修正后的交／直轴电流。与反馈的交／直轴电流比较后
ＣＨＥＮＱｉｘｕ，ＺＯＵＺｈｏｎｇｙｕｅ，ＣＡＯＢｉｎｇｇａｎｇ，ＸＵＪｕｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ＇ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｎ７１００４９，Ｃｈｉｎａ）
ａｎｄｖｏｌｔａｇｅｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄｉｎｔｈｒｅｅｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．ＢａｓｅｄＯｆｔｈｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｉｏｏｆｓｔａｔｏｒｐｈａｓｅｖｏｌｔａｇｅｒｅｌａ —
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ２５ｋＷｉｎｔｅｉｒｏｒｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ（ＩＰＭＳＭ）ｗａｓｓｅｌｅｃｔｅｄａｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｏｂ —
初步搭建了动力系统平台，为后续试验提供理论依据。
关键词：内置式永磁同步电机；弱磁控制；梯度下降法；电流超前角法
中图分类号：ＴＭ３５１；ＴＭ３４１文献标志码：Ａ文章编号：１００１－６８４８（２０１７）０６ — ００４４ — ０７