永磁同步电机断电能量回馈的瞬态冲击电流抑制策略

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32339

Abstract

Abstract:

The power-off protection mechanism of the maglev system is particularly important in the field of aerospace. When a high speed running rotor disengages from active control due to a sudden power-off， the Permanent Magnet Synchronous Motor （PMSM） in the levitation system must immediately switch to an energy feedback power supply mode to maintain levitation stability. This process， however， induces transient inrush currents far exceeding rated values through electromagnetic coupling， leading to risks such as power device breakdown and motor winding insulation damage. To suppress the inrush current， this paper proposes an inrush current suppression strategy based on feeding voltage trajectory planning. By establishing a feeding mathematical model of PMSM driven by a three-level Neutral Point Clamped （NPC） converter， the mechanism of inrush-current generation is analyzed， and a segmented given voltage method based on trajectory planning is designed. Experimental results confirm that the proposed strategy achieves 42% and 47% reductions in no-load and loaded inrush currents within a controllable switching time. Compared with conventional “ramp”-and “S”-curves trajectory planning strategy， the proposed segmented given method based on trajectory planning achieves a better balance between the target voltage response speed and inrush current magnitude suppression， effectively mitigating the conflict between these two competing objectives.

Key words: permanent magnet synchronous motor, three-level converter, operation mode switching, inrush current, power-off energy feedback

CLC Number:

V242.44

Mengjiang CAI, Xin CAO, Qiang CUI. Transient inrush current suppression strategy for power-off energy feedback of permanent magnet synchronous motor[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2026, 47(4): 332339.

Figures/Tables 19

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References 22

[1]	武倩倩，崔宁，刘碧龙，等. 多维磁悬浮隔振系统动力学模型与控制策略［J］. 航空学报， 2019， 40（6）： 222522.
	WU Q Q， CUI N， LIU B L， et al. Dynamic model and control strategy of multi-dimentional maglev vibration isolation system［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2019， 40（6）： 222522 （in Chinese）.
[2]	LI L， REN Y， CHEN X C， et al. Spacecraft attitude control and vibration suppression using magnetically suspended control & sensitive gyroscope and radial basis function network adaptive sliding mode control［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part C： Journal of Mechanical Engineering Science， 2022， 236（15）： 8211-8220.
[3]	KURNYTA-MAZUREK P， KURNYTA A， PRĘGOWSKA A， et al. Application concept of the active magnetic suspension technology in the aircraft engine［J］. Research Works of Air Force Institute of Technology， 2018， 41（1）： 161-193.
[4]	夏陈超，苟永杰. 航天器磁悬浮助推发射技术发展综述［J］. 载人航天， 2021， 27（1）： 119-126.
	XIA C C， GOU Y J. Review of maglev assist launch of spacecraft［J］. Manned Spaceflight， 2021， 27（1）： 119-126 （in Chinese）.
[5]	刘彬，房建成，刘刚. 一种磁悬浮陀螺飞轮方案设计与关键技术分析［J］. 航空学报， 2011， 32（8）： 1478-1487.
	LIU B， FANG J C， LIU G. Design of a magnetically suspended gyrowheel and analysis of key technologies［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2011， 32（8）： 1478-1487 （in Chinese）.
[6]	李忠瑞，聂子玲，艾胜，等. 一种基于非线性扰动观测器的飞轮储能系统优化充电控制策略［J］. 电工技术学报， 2023， 38（6）： 1506-1518.
	LI Z R， NIE Z L， AI S， et al. An optimized charging control strategy for flywheel energy storage system based on nonlinear disturbance observer［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2023， 38（6）： 1506-1518 （in Chinese）.
[7]	张丹，姜建国. 高速磁悬浮永磁电机三电平无速度传感器控制［J］. 电工技术学报， 2022， 37（22）： 5808-5816.
	ZHANG D， JIANG J G. Three-level sensorless control of high speed maglev permanent magnet motor［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2022， 37（22）： 5808-5816 （in Chinese）.
[8]	韩辅君，房建成. 磁悬浮飞轮转子系统的现场动平衡方法［J］. 航空学报， 2010， 31（1）： 184-190.
	HAN F J， FANG J C. Field balancing method for rotor system of a magnetic suspending flywheel［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2010， 31（1）： 184-190 （in Chinese）.
[9]	王波，耿海鹏，杜廷琛. 磁悬浮永磁同步电机转子系统的参数辨识与控制［J］. 西安交通大学学报， 2023， 57（3）： 106-116.
	WANG B， GENG H P， DU T C. Parameter identification and control of rotor system of maglev permanent magnet synchronous motor［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2023， 57（3）： 106-116 （in Chinese）.
[10]	胡余生. 制冷离心压缩机用磁悬浮系统稳定性关键技术研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2022.
	HU Y S. Research on key technology of stability of magnetic suspension system for refrigeration centrifugal compressor［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2022 （in Chinese）.
[11]	王坤，李腾，毛琨，等. 基于平均功率平衡控制的磁悬浮分子泵电力失效补偿［J］. 光学精密工程， 2019， 27（2）： 341-351.
	WANG K， LI T， MAO K， et al. Power failure compensation method for magnetically suspended TMP based on average power balance control［J］. Optics and Precision Engineering， 2019， 27（2）： 341-351 （in Chinese）.
[12]	郭伟林，陈栋建，张良浩. 磁悬浮电机断电重启控制策略研究［J］. 微特电机， 2023， 51（1）： 50-54， 60.
	GUO W L， CHEN D J， ZHANG L H. Research on restart strategy of magnetic suspension motor after power-off［J］. Small & Special Electrical Machines， 2023， 51（1）： 50-54， 60 （in Chinese）.
[13]	张樱子，李红，毛琨. 磁悬浮高速永磁电机电力失效补偿方法与实验研究［J］. 微电机， 2014， 47（12）： 22-25.
	ZHANG Y Z， LI H， MAO K. Research on power failure compensation method of magnetic suspended high speed PM motors［J］. Micromotors， 2014， 47（12）： 22-25 （in Chinese）.
[14]	韩莹，毛琨，李红. 基于模型辨识的磁悬浮电机电力失效补偿方法研究［J］. 微电机， 2017， 50（5）： 33-38， 57.
	HAN Y， MAO K， LI H. Study on power failure compensation method of magnetic suspended motor based on model identification［J］. Micromotors， 2017， 50（5）： 33-38， 57 （in Chinese）.
[15]	GROVER S， MANKAR M M. Minimization of starting torque and inrush current of induction motor by different starting methods using MATLABSIMULINK［J］. International Journal of Trend in Scientific Research and Development， 2019， 3（3）： 646-651.
[16]	何超，李科，王昊，等. 瞬时电流预测的逆变器启动冲击负载的方法［J］. 电力电子技术， 2024， 58（6）： 12-15.
	HE C， LI K， WANG H， et al. Method for starting impulse load of inverters based on instantaneous current prediction［J］. Power Electronics， 2024， 58（6）： 12-15 （in Chinese）.
[17]	高雅，刘卫国，骆光照. PMSM断电-重投时的冲击电流研究［J］. 电机与控制学报， 2017， 21（3）： 55-62.
	GAO Y， LIU W G， LUO G Z. Research of surge current for PMSM when power down-rejoining on［J］. Electric Machines and Control， 2017， 21（3）： 55-62 （in Chinese）.
[18]	梁京辉，乔鸣忠，徐凤军，等. 自起动永磁电机起动冲击电流和转矩的场路耦合分析［J］. 电机与控制应用， 2011， 38（10）： 26-30.
	LIANG J H， QIAO M Z， XU F J， et al. Field-circuit coupled analysis for starting inrushing current and torque of line-start permanent magnet motor［J］. Electric Machines & Control Application， 2011， 38（10）： 26-30 （in Chinese）.
[19]	李树胜，刘平，付永领，等. 磁悬浮飞轮永磁同步电机充放电瞬态切换问题研究［J］. 微特电机， 2019， 47（9）： 1-6.
	LI S S， LIU P， FU Y L， et al. Research on problem of the transient charging-discharging switching for magnetically suspended flywheel-based PMSM system［J］. Small & Special Electrical Machines， 2019， 47（9）： 1-6 （in Chinese）.
[20]	杜玉亮，郑琼林，郭希铮，等. 飞轮储能系统反向制动发电问题研究［J］. 电工技术学报， 2013， 28（7）： 157-162， 176.
	DU Y L， ZHENG Q L， GUO X Z， et al. Research on problem of regenerative braking process of flywheel energy storage system［J］. Transactions of China Electrotechnical Society， 2013， 28（7）： 157-162， 176 （in Chinese）.
[21]	王国栋，王丽芳，吴艳，等. 基于单电流调节器的永磁同步电机深度弱磁控制及模式切换控制策略［J］. 汽车工程， 2023， 45（2）： 219-230.
	WANG G D， WANG L F， WU Y， et al. Deep flux weakening control and mode switching control strategy of permanent magnet synchronous motor based on single current regulator［J］. Automotive Engineering， 2023， 45（2）： 219-230 （in Chinese）.
[22]	薛贵景，刘计龙，李科峰，等. 有源中点钳位三电平逆变器中点电位优化控制策略［J］. 中国电机工程学报， 2025， 45（10）： 3996-4006.
	XUE G J， LIU J L， LI K F， et al. Optimized control strategy for the neutral point potential of ANPC-3L inverter［J］. Proceedings of the CSEE， 2025， 45（10）： 3996-4006 （in Chinese）.

参数	数值	参数	数值
电机极对数	1	分裂电容/F	0.012 3
定子电阻/Ω	0.015	开关频率/kHz	16
交轴电感/μH	50	启动电压/V	200
直轴电感/μH	50	目标馈电电压/V	100
永磁体磁链/Wb	0.036	负载投切功率/W	200

指标	斜坡给定	S型给定	分段给定
空载中期电流降幅/%	42	13	42
带载中期电流降幅/%	47	24	47
空载初期电流/A	10.5	3.8	8.8
带载初期电流/A	12.2	4.0	8.1

Transient inrush current suppression strategy for power-off energy feedback of permanent magnet synchronous motor

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[1]	Ruiqing MA, Peng CHEN. Research and development trend of initial position identification methods for permanent magnet synchronous motors [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(3): 28776-028776.
[2]	Yang HE, Wangwang LI, Jinghua JI, Wenxiang ZHAO, Jihong ZHU. Sensorless control of servo motor based on adaptive amplitude⁃phase square wave injection [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(15): 630211-630211.
[3]	ZENG Guohong, DONG Yukun, WU Xuezhi, LUO Xiao, ZHAO Minru. Modular peer-to-peer control of dual-winding permanent magnet synchronous motor [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2022, 43(8): 325488-325488.
[4]	WANG Wentao, LIU Zhengjiang, LI Xinmin. Variable sliding mode sliding mode controller for centrifugal harmonic force generator [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2019, 40(12): 323210-323210.
[5]	LIANG Jiaoyan, HU Yuwen, LU Wenqi. Research on Inertia Identification Performance of Permanent Magnet Servo Systems Based on Gradient Algorithm [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2011, 32(3): 488-496.
[6]	Liu Xianxing;Hu Yuwen;Bu Yanzhu. Precision Linearization Control for Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Sliding Mode Variable Structure Control [J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2008, 29(5): 1269-1273.