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研究背景

永磁同步电机无位置传感器控制能降低系统成本增加系统可靠性，但在开环I-f起动阶段及向转速闭环控制切换过程往往会出现转速振荡明显、切换时间长、抗扰动能力差等问题。

本文提出一种基于改进I-f控制的永磁同步电机无位置传感器控制策略（如图1），该策略包括两个部分：

1、使用开环d轴电压微分补偿开环频率给定。

2、基于电流动态与角度动态解耦的切换策略，在切换过程中保持电流幅值不变。

图1 基于改进I-f控制的永磁同步电机无位置传感器控制策略

论文所解决的问题及意义

I-f控制是转速环开环、电流环闭环的结构，不易造成过流且整定过程简单，只需根据负载选择合适的电流阈值，但由于转速仍属于开环控制，在机械阻尼较小时，拖动过程中常伴随持续的转速振荡。并且I-f控制在向中高速区基于基波数学模型的方法切换时，往往会出现比较明显的转速波动且切换时间较长。

针对上述问题，本文提出一种改进型I-f控制策略，使用开环d轴电压微分补偿开环频率给定，增大系统阻尼和抑制转速振荡，并基于电流动态与角度动态解耦的切换策略，在切换过程中保持电流幅值不变且无任何机械动态，提高I-f控制向转速闭环控制切换的平滑性和抗负载扰动能力。

论文方法及创新点

1、基于开环d轴电压微分的振荡抑制策略

利用开环d轴电压的微分信号调整频率给定（图2），增加系统阻尼从而有效降低电机启动过程的转速波动。本文所提方法无需复杂参数整定，直接通过电压信号抑制振荡，响应更快。

图2 基于d轴电压微分的振荡抑制策略

2、基于电流动态与角度动态解耦的切换策略

传统切换需减小电流幅值，易导致抗扰动能力下降。本文所提出的策略在切换过程中保持电流矢量相对于真实转子q轴的夹角不变，电流幅值不变，从而不会引起机械动态（图3）。  

（a）改变过程             （b）切换时的状态

图3 电流矢量角度和dʹqʹ坐标系角度变化过程

3、结果分析与实验验证

为了验证所提出的基于开环d轴电压微分的转速振荡抑制策略的有效性，分别对传统I-f控制策略、本文提出的转速振荡抑制策略进行实验测试。结果如图4所示，本文所提出的方法在0~0.1 s时对转速波动的衰减更快，稳态转速波动峰峰值降至约5 rpm。

图4 转速振荡抑制策略实验结果对比

为验证所提基于电流与角度动态解耦的切换策略的有效性，在给定电机转速为500 rpm条件下，分别在电机空载、0.16 Nm负载突变情况下，将本文提出的切换策略与降低q轴电流切换策略进行对比实验。

结果如图5所示，降低q轴电流的方法在减小iq*时产生了机械动态，转速在0.2 s ~ 0.3 s有一定程度下降，而本文所提出的方法则不会产生机械动态，转速在0.2 s ~ 0.3 s波动较小。将负载扰动增加到0.16 Nm，降低q轴电流的方法在切换过程中遇到负载扰动时产生电机失步，而本文所提出的方法依然可以保持正常运行，如图5（c）和图5（d）所示。负载扰动增加到0.512Nm时，所提出的切换方法仍能成功过渡到闭环阶段，如图5（e）所示。

（a）空载时减少q轴电流方法             

（b）空载时本文所提出的方法

（c）0.16Nm负载突变时减少q轴电流方法    

（d）0.16Nm负载突变时本文所提出的方法

（e）0.512Nm负载突变时本文所提出的方法

图4切换策略实验结果对比

结论

本文提出了一种改进型I-f控制策略，使用开环d轴电压微分补偿开环频率给定，抑制了转速振荡，并基于电流动态与角度动态解耦的切换策略，提高了I-f控制向转速闭环控制切换的平滑性和抗负载扰动能力，并得到了实验验证，具有一定的工程应用前景。

湘潭大学自动化与电子信息学院电力电子与电机控制团队现有教授4人，副教授1人，讲师5人，团队聚焦高效电力电子变换、永磁电机电磁设计、无位置传感器控制方向相关研究。近年来，该团队完成了多个国家、省部级和企业的研究项目。