考虑电力传动系统损耗的IPMSM驱动稳态与动态性能优化研究及其控制策略创新

《Mathematics and Computers in Simulation》：Steady-state and dynamic performance of IPMSM drive taking into account electric powertrain losses

本文系统探讨了内置式永磁同步电机（IPMSM）驱动系统的稳态与动态性能，创新性地将定子电阻与铁损电阻纳入牛顿-拉夫逊法的电流参考计算，并结合时变二自由度（2DoF）电流控制器实现铁损补偿，为高精度转矩跟踪与能效优化提供了关键理论支撑和验证平台。

　　

章节亮点

IPMSM的数学模型

通常IPMSM在dq旋转坐标系中建模，其中磁极磁链矢量与d轴对齐。该dq参考系下的电压平衡方程（参照图1）可表示为：

v_d = R_si_d1 + L_d(di_d/dt) - ω₁L_qi_q = R_si_d + k_i[L_d(di_d/dt) - ω₁L_qi_q],

v_q = R_si_q1 + L_q(di_q/dt) + ω₁L_di_d + ω₁Ψ_PM = R_si_q + k_i[L_q(di_q/dt) + ω₁L_di_d + ω₁Ψ_PM],

其中R_s为定子电阻（Stator Resistance），L_d和L_q分别为电机的d轴和q轴电感。Ψ_PM是转子永磁体产生的磁链幅值。

IPMSM的控制策略

一般而言，牵引驱动中的IPMSM要求在低速时具备恒转矩性能，在高速时具备恒功率性能。在恒转矩区域，额定转矩M_n不能被持续超越。在由Ω_m,b = ω_1,b/n_P表示的基本转速以上，随着机械转速的增加，电机的输出转矩必须减小。在此区域，由于电压保持恒定而电气角频率增加，定子磁链的幅值会降至其额定值以下。

电力传动系统损耗的计算

本节将总结电力传动系统电气损耗的计算，重点强调电压源逆变器（VSI）的开关损耗和导通损耗，以及IPMSM的铁损和铜损。

计算与仿真结果

本节详细介绍了稳态计算和仿真结果。基于模型仿真的计算和电力损耗的稳态计算同时进行，因此可以对结果进行比较（见图14）。总结分为四个小节。首先，进行稳态计算，即生成i_d1-i_q1图（所谓的电流图），以获得对IPMSM驱动运行区域的总体认识。然后，计算效率...

结论

本文阐述了一个采用IPMSM的通用电力传动系统最重要的电气损耗。所提出的方程用于计算给定电力传动线路整个运行范围内的效率。随后，这些计算结果在效率图上进行了展示，并通过仿真结果进行了验证。此外，构建了一个完整的仿真环境，包括基于牛顿-拉夫逊法的闭环电流参考计算方法和...