CN103595325A - 一种隐极式混合励磁电机矢量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隐极式混合励磁电机矢量控制方法，主要包括弱磁判断和电流分配器两部分，其中弱磁判断原理为根据当前电机电枢电流、励磁电流和逆变器直流母线电压实时在线计算弱磁基速：弱磁基速以下为低速增磁区；弱磁基速以上为高速弱磁区；电流分配器原理为低速增磁区保持励磁电流为正向额定值，采用i_d=0的矢量控制算法；高速弱磁区保持合成反电势为恒定值，利用励磁电流和d轴电流共同弱磁。本发明驱动系统在保证混合励磁电机基本运行特性的前提下，实现混合励磁电机低速大转矩和宽调速范围运行，同时使得电机在增磁区和弱磁区之间能够更精确地进行状态切换。

Description

一种隐极式混合励磁电机矢量控制方法

技术领域

本发明涉及一种隐极式混合励磁电机矢量控制方法，属于电机控制技术。

背景技术

永磁电动机具有结构简单、功率密度高、转矩质量比大以及效率高等优点，但永磁电动机的主气隙磁场是由安装在转子或定子上的永磁体产生的，在电机运行过程中难以调节。混合励磁电机具有两种励磁源，一种是永磁体，另一种是电励磁，具有很强的磁场调节能力；在电机起动阶段通入正向的励磁电流产生正电磁转矩可增加电机起动转矩，高速运行时通入反向励磁电流可有效提高电机弱磁升速能力。混合励磁电机相比于永磁电动机具有输出转矩大和调速范围宽的优点，在电动汽车用轮毂式直驱系统中具有良好的应用前景。

目前混合励磁电机大都采用基于分区控制的矢量控制算法，额定转速以下为恒转矩区，额定转速以上为恒功率区，恒功率区多采取保持q轴反电势为恒定值的控制策略，利用直流励磁电流弱磁；相比于普通永磁同步电机利用d轴电流弱磁的方法，采用该类算法的混合励磁电机具有更宽的调速范围。但弱磁提速的代价是牺牲电机的带负载能力，随着转速的上升，电机的转矩输出能力反比下降。

实际应用中，电动车长时间行驶后电池电压大幅下降，会减小恒转矩区的速度范围；此外，当负载较大时，增加的正向励磁电流会产生额外的反电势，同样会减小恒转矩区速度范围；另一方面，在高速弱磁区，负载较小时d轴反电势也相对较小，此时采用传统的保持q轴反电势为恒定值的电流分配算法，能确保合成反电势不超过直流母线电压，但在负载较大时，d轴反电势会显著增加，使用该算法会出现较大误差。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种隐极式混合励磁电机矢量控制方法，根据电枢电流和直流母线电压实时计算弱磁基速，使电机在增磁区和弱磁区之间能够更精确地进行状态切换。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种隐极式混合励磁电机矢量控制方法，根据电枢电流、励磁电流和逆变器直流母线电压实时计算弱磁基速：弱磁基速以下为低速增磁区，弱磁基速以上为高速弱磁区；低速增磁区保持励磁电流为额定值，采用i_d=0的矢量控制策略；高速弱磁区采用保持电枢合成反电势恒定的控制策略，根据转速将高速弱磁区分为两个子区域：转速大于等于弱磁基速且小于转折速度的为弱磁区域I，此时利用励磁电流进行弱磁；转速大于等于转折速度为的弱磁区域II，此时保持励磁电流为反向额定值，利用d轴电流进行弱磁。

该方法包括如下步骤：

（1）根据q轴电流分量i_q、励磁电流额定值i_fn和直流母线电压U_dc计算弱磁基速n_t；当电机转速n小于n_t时，电机工作于低速增磁区；当n大于n_t时，电机工作于高速弱磁区；

（2）当电机工作于低速增磁区时，采用i_d=0的矢量控制策略，励磁电流给定值i_fref取值为i_fn，根据速度调节器输出的转矩给定值T_ref求得q轴电流给定值i_qref；

（3）当电机工作于高速弱磁区时，采用保持电枢合成反电动势E_back恒定的控制策略，根据转矩给定值T_ref和励磁电流反向额定值-i_fn计算出转折速度n_t2，n_t≤n<n_t2时电机工作于弱磁区域Ⅰ，n≥n_t2时电机工作于弱磁区域II；在弱磁区域Ⅰ时，保持i_d=0，利用反向励磁电流i_f弱磁；在弱磁区域II时，保持励磁电流给定值i_fref为励磁电流反向额定值-i_fn，利用反向d轴电流弱磁升速。

综上进行计算，获得的电流分配方案为：

当电机工作于低速增磁区时，电流分配策略为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{fref}}=i_{\mathrm{fn}}\\ i_{\mathrm{dref}}=0\\ i_{\mathrm{qref}}=\frac{3T_{\mathrm{ref}}}{2p({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}+M_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{fn}})}\end{array}\right.$

当电机工作于弱磁区域Ⅰ时，电流分配策略为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dref}}=0\\ i_{\mathrm{qref}}=\frac{\sqrt{\frac{{\left(\frac{U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_e}\right)}^2-\sqrt{{\left(\frac{U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_e}\right)}^4-\frac{8L_q{T}_{\mathrm{ref}}}{3p}}}{2}}}{L_q}\\ i_{\mathrm{fref}}=\frac{\sqrt{\frac{{\left(\frac{U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_e}\right)}^2+\sqrt{{\left(\frac{U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_e}\right)}^4-\frac{8L_q{T}_{\mathrm{ref}}}{3p}}}{2}}-{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}}{M_{\mathrm{sf}}}\end{array}\right.$

当电机工作于弱磁区域II时，电流分配策略为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{fref}}=-i_{\mathrm{fn}}\\ i_{\mathrm{dref}}=\frac{\sqrt{{\left(\frac{U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_e}\right)}^2-{\left(\frac{2L_q{T}_{\mathrm{ref}}}{3p({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}-M_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{fn}})}\right)}^2}-({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}-M_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{fn}})}{L_d}\\ i_{\mathrm{qref}}=\frac{3T_{\mathrm{ref}}}{2p({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}-M_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{fn}})}\end{array}\right.$

其中：p为电机极对数，ψ_pm为混合励磁电机永磁磁链，L_q为电机q轴电感，M_sf为励磁绕组与电枢绕组之间的互感，ω_e为电机电角速度。

有益效果：本发明提供的隐极式混合励磁电机矢量控制方法，针对隐极式混合励磁电机自身结构特点，根据电枢电流和直流母线电压实时计算弱磁基速，使电机在增磁区和弱磁区之间能够更精确地进行状态切换；增磁区励磁电流为额定值，气隙磁通显著增加，可有效提高转速输出能力，且负载转矩相同时，所需电枢电流更小；弱磁区采取保持合成反电势为恒定值的控制策略，相比于传统保持q轴反电势恒定的弱磁算法，大幅提高了控制精度和系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明的控制系统框图；

图2为电机的输出电磁转矩波形；

图3为弱磁运行转速波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种隐极式混合励磁电机矢量控制方法，根据电枢电流、励磁电流和逆变器直流母线电压实时计算弱磁基速：弱磁基速以下为低速增磁区，弱磁基速以上为高速弱磁区；低速增磁区保持励磁电流为额定值，采用i_d=0的矢量控制策略；高速弱磁区采用保持电枢合成反电势恒定的控制策略，根据转速将高速弱磁区分为两个子区域：转速大于等于弱磁基速且小于转折速度的为弱磁区域I，此时利用励磁电流进行弱磁；转速大于等于转折速度为的弱磁区域II，此时保持励磁电流为反向额定值，利用d轴电流进行弱磁。

如图1所示为基于本发明的控制系统框图，该系统由主电路、检测电路和控制电路组成；主电路由隐极式混合励磁电机（HESM电机）、PWM逆变器、电流分配器、励磁调节器、励磁逆变器组成；检测电路由电压、电流传感器和增量式光电编码器构成。位置传感器检测得到电机的转角信号θ，θ经过微分环节得到电机实际转速n。电压传感器测得直流母线电压为U_dc。电机给定转速n_ref与实际转速n经过PI环节得到转矩给定值T_ref。将T_ref和n送入电流分配器计算得到电枢电流dq轴分量给定值i_dref和i_qref以及励磁电流给定值i_fref。电流传感器测量A相、B相电枢和励磁电流实际值分别为i_a、i_b和i_freal，其中i_a和i_b经过坐标变化得到电枢电流dq轴分量实际值i_dreal和i_qreal，将dq轴电流给定值i_dref和i_qref与各自实际值i_dreal和i_qreal分别经过PI环节、坐标换模块和空间矢量模块SVPWM可生成三相占空比信号，将所述三相占空比信号经过三相逆变器作用于混合励磁电机。励磁电流给定值i_fref与实际值i_freal通过励磁调节器生成的占空比信号经过励磁逆变器作用于混合励磁电机。

本发明方法主要体在下电流分配器部分，本方明方法亦可以称之为电流分配器的工作原理，主要包括以下步骤：

（1）励磁电流额定值为i_fn，令i_d=0可得当前负载下的最大转速n_t（即当前负载转矩和母线电压下电机不采用弱磁算法所能达到的最大转速）：

$n_t=\frac{30U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}\mathrm{\&pi;p}\sqrt{{{(\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}+M_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{fn}})}^2+{\left(L_q\frac{T_{\mathrm{ref}}}{1.5p({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}+M_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{fn}})}\right)}^2}}$

其中，p为电机极对数，ψ_pm为混合励磁电机永磁磁链，L_q为电机q轴电感，M_sf为励磁绕组与电枢绕组之间的互感；

所述n_t即为弱磁基速；当电机转速n小于n_t时，电机工作于低速增磁区；当n大于n_t时，电机工作于高速弱磁区；

当电机工作于高速弱磁区时，采用保持电枢合成反电动势E_back恒定（恒定为PWM逆变器最大输出电压）的控制策略，根据转矩给定值T_ref和励磁电流反向额定值-i_fn计算出高速弱磁区转折速度n_t2（高速弱磁区中，励磁电流i_f为励磁电流反向额定值-i_fn时的电机转速记为转折速度n_t2）：

$n_{t2}=\frac{30U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}\mathrm{\&pi;p}\sqrt{{{(\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}+M_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{fn}})}^2+\frac{4L_q^2{T}_{\mathrm{eref}}^2}{9p^2{({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}-M_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{fn}})}^2}}}$

（2）根据电机当前转速判断其所属运行区域，并求出电枢电流给定值和励磁电流给定值，根据电机所属运行区域进行相应控制：

a.恒转速区：n<n_t

当电机工作于低速增磁区时，采用i_d=0的矢量控制策略，励磁电流给定值i_fref取值为i_fn，根据速度调节器输出的转矩给定值T_ref求得q轴电流给定值i_qref；电流分配策略为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{fref}}=i_{\mathrm{fn}}\\ i_{\mathrm{dref}}=0\\ i_{\mathrm{qref}}=\frac{3T_{\mathrm{ref}}}{2p({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}+M_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{fn}})}\end{array}\right.$

b.弱磁区域Ⅰ：n_t≤n<n_t2

保持i_d=0，利用反向励磁电流i_f弱磁；电流分配策略为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dref}}=0\\ i_{\mathrm{qref}}=\frac{\sqrt{\frac{{\left(\frac{U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_e}\right)}^2-\sqrt{{\left(\frac{U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_e}\right)}^4-\frac{8L_q{T}_{\mathrm{ref}}}{3p}}}{2}}}{L_q}\\ i_{\mathrm{fref}}=\frac{\sqrt{\frac{{\left(\frac{U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_e}\right)}^2+\sqrt{{\left(\frac{U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_e}\right)}^4-\frac{8L_q{T}_{\mathrm{ref}}}{3p}}}{2}}-{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}}{M_{\mathrm{sf}}}\end{array}\right.$

其中，ω_e为电机电角速度；

c.弱磁区域II：n≥n_t2

保持励磁电流给定值i_fref为励磁电流反向额定值-i_fn，利用反向d轴电流弱磁升速；电流分配策略为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{fref}}=-i_{\mathrm{fn}}\\ i_{\mathrm{dref}}=\frac{\sqrt{{\left(\frac{U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_e}\right)}^2-{\left(\frac{2L_q{T}_{\mathrm{ref}}}{3p({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}-M_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{fn}})}\right)}^2}-({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}-M_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{fn}})}{L_d}\\ i_{\mathrm{qref}}=\frac{3T_{\mathrm{ref}}}{2p({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}-M_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{fn}})}\end{array}\right.$

以计算的到的电枢电流给定值和励磁电流给定值作为隐式混合励磁电机的控制量，对隐式混合励磁电机进行控制。

按照图1所示系统，在MATLAB/SIMULINK环境下搭建仿真模型，电机参数如表1：

表1电机参数

参数	数值
		永磁磁链幅值ψpm（Wb）	0.11348
极对数p	4
		电枢绕组电阻Rs（Ω）	2.7
励磁绕组电阻Rf（Ω）	10
		直轴电感Ld（mH）	24.1
交轴电感Lq（mH）	19.6
		电枢与励磁绕组互感Msf（mH）	52

额定转矩Te（N）	3.4
		额定转速N（rpm）	1500
母线电压Udc（V）	300
		电枢电流额定值（A）	5
励磁电流额定值（A）	1

仿真结果如图2、图3所示。

图2为转速恒定且负载转矩为4.5N·m时，电机的输出电磁转矩波形，由图可知，t=0.5s转速稳定后电机输出电磁转矩与负载转矩平衡，超过额定值3.4N·m，实现了低速大转矩输出。

图3为弱磁运行转速波形，转速初始值为1500rpm，在0.5s时给定转速突变为3500rpm，分析波形可知转速突变后由于励磁电流和d轴电流的弱磁作用电机转速很快达到了远高于额定转速的3500rpm，实现了电机宽调速运行

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种隐极式混合励磁电机矢量控制方法，其特征在于：根据电枢电流、励磁电流和逆变器直流母线电压实时计算弱磁基速：弱磁基速以下为低速增磁区，弱磁基速以上为高速弱磁区；低速增磁区保持励磁电流为额定值，采用i_d=0的矢量控制策略；高速弱磁区采用保持电枢合成反电势恒定的控制策略，根据转速将高速弱磁区分为两个子区域：转速大于等于弱磁基速且小于转折速度的为弱磁区域I，此时利用励磁电流进行弱磁；转速大于等于转折速度为的弱磁区域II，此时保持励磁电流为反向额定值，利用d轴电流进行弱磁。

2.根据权利要求1所述的隐极式混合励磁电机矢量控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）根据q轴电流分量i_q、励磁电流额定值i_fn和直流母线电压U_dc计算弱磁基速n_t；当电机转速n小于n_t时，电机工作于低速增磁区；当n大于n_t时，电机工作于高速弱磁区；

（2）当电机工作于低速增磁区时，采用i_d=0的矢量控制策略，励磁电流给定值i_fref取值为i_fn，根据速度调节器输出的转矩给定值T_ref求得q轴电流给定值i_qref；

（3）当电机工作于高速弱磁区时，采用保持电枢合成反电动势E_back恒定的控制策略，根据转矩给定值T_ref和励磁电流反向额定值-i_fn计算出转折速度n_t2，n_t≤n<n_t2时电机工作于弱磁区域Ⅰ，n≥n_t2时电机工作于弱磁区域II；在弱磁区域Ⅰ时，保持i_d=0，利用反向励磁电流i_f弱磁；在弱磁区域II时，保持励磁电流给定值i_fref为励磁电流反向额定值-i_fn，利用反向d轴电流弱磁升速。

3.根据权利要求2所述的隐极式混合励磁电机矢量控制方法，其特征在于：

当电机工作于低速增磁区时，电流分配策略为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{fref}}=i_{\mathrm{fn}}\\ i_{\mathrm{dref}}=0\\ i_{\mathrm{qref}}=\frac{3T_{\mathrm{ref}}}{2p({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}+M_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{fn}})}\end{array}\right.$

当电机工作于弱磁区域Ⅰ时，电流分配策略为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dref}}=0\\ i_{\mathrm{qref}}=\frac{\sqrt{\frac{{\left(\frac{U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_e}\right)}^2-\sqrt{{\left(\frac{U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_e}\right)}^4-\frac{8L_q{T}_{\mathrm{ref}}}{3p}}}{2}}}{L_q}\\ i_{\mathrm{fref}}=\frac{\sqrt{\frac{{\left(\frac{U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_e}\right)}^2+\sqrt{{\left(\frac{U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_e}\right)}^4-\frac{8L_q{T}_{\mathrm{ref}}}{3p}}}{2}}-{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}}{M_{\mathrm{sf}}}\end{array}\right.$

当电机工作于弱磁区域II时，电流分配策略为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{fref}}=-i_{\mathrm{fn}}\\ i_{\mathrm{dref}}=\frac{\sqrt{{\left(\frac{U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\&omega;}}_e}\right)}^2-{\left(\frac{2L_q{T}_{\mathrm{ref}}}{3p({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}-M_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{fn}})}\right)}^2}-({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}-M_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{fn}})}{L_d}\\ i_{\mathrm{qref}}=\frac{3T_{\mathrm{ref}}}{2p({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}-M_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{fn}})}\end{array}\right.$

其中：p为电机极对数，ψ_pm为混合励磁电机永磁磁链，L_q为电机q轴电感，M_sf为励磁绕组与电枢绕组之间的互感，ω_e为电机电角速度。

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