Adaptive Tracking of MTPA Trajectory for Electrically Excited Synchronous Motors

Maximum Torque Per Ampere (MTPA) is a control strategy used in electric motor drives that aims to produce the maximum possible torque for a given amount of current to maximize efficiency and minimize copper losses. However, since electric motors are subject to magnetic saturation and temperature variations, undesired deviations from the optimal operating trajectory may occur. For this reason, a simplified approach that relies solely on known motor parameters to identify the MTPA trajectory is no longer accurate. To address this issue, an online MTPA tracking method, already applied to IPMSMs, is here extended to EESMs, which present an additional degree of freedom introduced by the rotor current. This approach employs signal injection to dynamically search, in real-time, for the minimum current point corresponding to a given load torque within a closed-loop system. This strategy employs gain adaptation of the MTPA tracking loop, highlighting a closed-form design of the loop controller gain, ensuring specified dynamics invariant with the operating point. The method is investigated analytically and in simulation, in the Matlab-Simulink environment, taking into account magnetic saturation phenomena by exploiting experimentally estimated maps of flux linkages and differential inductances. The obtained results confirm the validity of the proposed approach, showing stable convergence to the MTPA condition with a dynamic behaviour close to the theoretical design.

La strategia Maximum Torque Per Ampere (MTPA) rappresenta una tecnica di controllo impiegata nell'ambito dei motori elettrici, finalizzata alla generazione della massima coppia possibile per un determinato valore di corrente, con l'obiettivo di massimizzare l'efficienza e ridurre le perdite nel rame per effetto Joule. Tuttavia, poiché i motori elettrici sono soggetti a fenomeni di saturazione magnetica e a variazioni termiche, possono verificarsi deviazioni indesiderate dalla traiettoria operativa ottimale. Di conseguenza, un approccio semplificato basato esclusivamente sui parametri noti del motore per l'identificazione della traiettoria MTPA non risulta più sufficientemente accurato. Per ovviare a tale problematica, viene proposto un metodo di tracciamento online della MTPA, già applicato negli IPMSM e qui presentato per gli EESM, caratterizzato da un grado di libertà aggiuntivo dovuto alla presenza della corrente di rotore. Tale approccio si basa sull'iniezione di segnali per effettuare, in tempo reale, una ricerca dinamica del punto di corrente minima corrispondente a una determinata coppia di carico, all'interno di un sistema in catena chiusa. Tale strategia impiega un adattamento del guadagno di anello di tracciamento della MTPA, evidenziando una formulazione in forma chiusa del guadagno del controllore, in grado di garantire dinamiche specifiche ed indipendenti dal punto operativo. Il metodo è stato studiato analiticamente e validato tramite simulazioni effettuate con i software Matlab-Simulink, considerando i fenomeni di saturazione magnetica mediante l'impiego delle mappe di flusso e delle induttanze differenziali. I risultati ottenuti confermano la validità dell'approccio proposto, mostrando una convergenza stabile alla condizione di MTPA con un comportamento dinamico vicino a quello previsto dall'analisi teorica.