High Frequency Position Offset Injection Based PMSM Winding and Magnet Temperature Decoupled Estimation with Wide Speed Range

Chengtao Shi1; Yuting Lu1; Kaide Huang2; Chunyan Lai3; Beichen Ding1; Guodong Feng*1

1.Sun Yat-sen University, Shenzhen, China

2.Foshan University, Foshan, China

3.Concordia University, Montreal, Quebec, Canada

C. Shi, Y. Lu, K. Huang, C. Lai, B. Ding and G. Feng, "High Frequency Position Offset Injection Based PMSM Winding and Magnet Temperature Decoupled Estimation with Wide Speed Range," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol. 9, no. 4, pp. 473-482, December 2025, doi: 10.30941/CESTEMS.2025.00035.

摘 要

在永磁同步電機(jī)（PMSM）驅(qū)動器中，溫度信息對于實(shí)現(xiàn)可靠和高性能的控制至關(guān)重要。流行的基于模型的估計(jì)方法是通過使用機(jī)器模型從電壓中提取溫度相關(guān)項(xiàng)。由于低信噪比，模型的不確定性和噪聲會極大地影響低速或負(fù)載下的估計(jì)精度。本文提出了一種基于高頻（HF）位置偏移注入的永磁同步電機(jī)繞組和永磁體（PM）溫度解耦估計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)在寬速度范圍內(nèi)，特別是在低速條件下的準(zhǔn)確和魯棒的溫度估計(jì)。在所提出的方法中，將一個小的HF位置偏移注入機(jī)器中，以構(gòu)建一個解耦的繞組和PM溫度估計(jì)模型，其中繞組和PM的溫度是從HF激勵中獨(dú)立估計(jì)的。溫度估計(jì)獨(dú)立于基本模型和參數(shù)變化，在低速條件下實(shí)現(xiàn)了高信噪比。此外，溫度估計(jì)也不受磁飽和和逆變器失真的影響，這可以提高溫度估計(jì)的準(zhǔn)確性和魯棒性。通過在不同操作條件下在實(shí)驗(yàn)室機(jī)器上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和比較，驗(yàn)證了所提出的方法。

Abstract

In permanent magnet synchronous machine (PMSM) drives, temperature information is critical to achieve reliable and high-performance control. The popular model-based estimation methods are based on extracting temperature dependent terms from the voltages using the machine model. The estimation accuracy under low speed or load can be greatly affected by the model uncertainty and noise due to low signal-to-noise ratio. This paper presents a high frequency (HF) position offset injection-based winding and permanent magnet (PM) temperature decoupled estimation approach for PMSMs to achieve accurate and robust temperature estimation among a wide speed range especially under low-speed conditions. In the proposed approach, a small HF position offset is injected into the machine to construct a decoupled winding and PM temperature estimation model, in which the winding and PM temperatures are independently estimated from HF excitations. The temperature estimation is independent from the fundamental model and parameter variation, and it achieves high signal-to-noise ratio under low-speed conditions. Moreover, the temperature estimation is also not affected by magnetic saturation and inverter distortion, which can improve the accuracy and robustness of temperature estimation. The proposed approach is validated with experiments and comparisons on a laboratory machine under various operating conditions.

溫度估算程序

作者信息

石成濤，正在中山大學(xué)（深圳）攻讀工程學(xué)學(xué)士學(xué)位，預(yù)計(jì)將于2026年畢業(yè)。他的研究興趣集中在電機(jī)的建模、優(yōu)化和控制上。

盧芋廷(Student Member, IEEE)，于2023年獲得中山大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位。他目前正在中山大學(xué)智能工程學(xué)院攻讀控制科學(xué)與工程碩士學(xué)位。他的研究興趣包括電機(jī)的建模、優(yōu)化和控制。

黃開德(Member, IEEE)，分別于2011年和2016年獲得中國廣州中山大學(xué)學(xué)士學(xué)位和博士學(xué)位。2017年至2018年，他在中國科學(xué)院廣州計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心擔(dān)任助理總工程師。目前，他是中國佛山大學(xué)數(shù)學(xué)與大數(shù)據(jù)學(xué)院的副教授。他的研究興趣包括人工智能算法和電機(jī)優(yōu)化控制。

賴春燕（Senior Member, IEEE），于2010年獲得中山大學(xué)工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2017年獲得加拿大溫莎大學(xué)博士學(xué)位。她目前擔(dān)任加拿大康考迪亞大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系的副教授。她的研究方向包括電機(jī)驅(qū)動和控制及電力電子相關(guān)應(yīng)用，如可再生能源等。賴博士是《IEEE Systems Journal》和《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics》的編委。

丁北辰(Member, IEEE)，于2019年獲得英國巴斯大學(xué)機(jī)械工程博士學(xué)位。他目前是中國中山大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院的副教授。他是中國機(jī)械工程學(xué)會智能流體動力控制的成員。他的研究方向包括智能機(jī)器系統(tǒng)的驅(qū)動和運(yùn)動控制、機(jī)器人輔助加工和電氣驅(qū)動的動態(tài)建模。

馮國棟(Senior Member, IEEE)，分別于2010年和2015年獲得中山大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院工學(xué)學(xué)士和博士學(xué)位。在2015年至2019年，他在加拿大溫莎大學(xué)擔(dān)任博士后研究員。目前，他擔(dān)任中山大學(xué)智能工程學(xué)院的副教授，研究方向包括先進(jìn)的信號處理、優(yōu)化以及電機(jī)和驅(qū)動器。馮博士是《IEEE Transactions on Industrial Electronics》的編委。

《中國電工技術(shù)學(xué)會電機(jī)與系統(tǒng)學(xué)報(bào)（英文）》(CES TEMS)是中國電工技術(shù)學(xué)會和中國科學(xué)院電工研究所共同主辦、IEEE PELS學(xué)會技術(shù)支持的英文學(xué)術(shù)期刊。期刊發(fā)表國內(nèi)外有關(guān)高性能電機(jī)系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動、電力電子、可再生能源系統(tǒng)、電氣化交通等研發(fā)及應(yīng)用領(lǐng)域中原創(chuàng)、前沿學(xué)術(shù)論文。中國工程院院士馬偉明擔(dān)任主編，IEEE 副主席 Don Tan 博士為國際主編。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知網(wǎng)、萬方、維普等數(shù)據(jù)庫收錄。

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