CN104682806B - 一种混合励磁同步电机恒磁链控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合励磁同步电机恒磁链控制方法，通过控制d轴、q轴和励磁电流i_f，保持气隙合成磁链不变。电机运行于低速区，当负载转矩小于额定转矩时，励磁电流i_f为0，通过控制d轴、q轴电流使气隙磁链恒定；当负载转矩大于额定转矩时，通过d轴、q轴和励磁电流i_f的控制使气隙磁链恒定；电机运行于高速区时，首先保持i_d＝0，通过q轴和励磁电流i_f协调控制气隙磁链恒定；当励磁电流i_f达到额定值时，通过d轴、q轴协调控制使气隙磁链恒定。混合励磁同步电机恒磁链控制方法使输出转矩的极值比单位功率因数控制大得多，这种控制方法一定程度上解决了功率因数降低和端电压升高问题，在大容量、高速电机领域有一定的应用前景。

Description

一种混合励磁同步电机恒磁链控制方法

技术领域

本发明属于电气传动技术领域，涉及一种恒磁链策略，特别是涉及一种混合励磁同步电机控制方法。

背景技术

混合励磁同步电机是在永磁同步与电励磁同步电机的基础上发展起来的一种宽调速电机，其主要目的是为了解决永磁同步电机气隙磁场难以调节的问题。混合励磁同步电机具有两种励磁源，一种是永磁体，另一种是电励磁，永磁体产生的磁势为主磁势，励磁绕组产生的磁势为辅磁势。这种电机结合了永磁同步与电励磁同步电机的优点，两种励磁源在电机气隙中相互作用产生主磁通，当电励磁线圈通入正向的励磁电流时，产生正向电磁转矩而增大了电机转矩；反之，当电励磁线圈通入反向励磁电流时，则产生反向磁场削弱气隙磁场达到弱磁升速的目的，从而拓宽了电机的调速范围。

目前，国内外对于混合励磁同步电机控制方法及驱动系统研究较少，相关资料也不是很多。基本可以归为两类，一类是i_d＝0控制，另一类为弱磁控制。上述两类控制方法的优点是简单方便，恒功率运行范围宽；缺点是存在功率因数降低，端电压升高等问题。而国内外对于混合励磁同步电机恒磁链控制的研究基本处于空白状态。

发明内容

技术问题：本发明针对现有技术之不足，在分析现有混合励磁同步电机控制方法的基础上，提出了一种混合励磁同步电机恒磁链控制方法。

技术方案：本发明的混合励磁同步电机恒磁链控制方法，包括以下步骤：

(1)从电机主电路采集相电流i_a、i_b和励磁电流i_f，对电机进行初始位置检测，从电机编码器上采集信号，送入控制器进行处理，得出转速n和转子位置角θ；

(2)将采集的相电流i_a、i_b经跟随、滤波、偏置和A/D转换，然后进行帕克变换，得到两相旋转坐标系下的定子d轴电流i_d和q轴电流i_q；

(3)用给定转速n^*减去编码器实测转速n，将得到的转速偏差△n输入速度调节器经比例积分运算后得到转矩参考值将转矩参考值母线电压U_dc、实测转速n和给定转速n^*输入电流分配器，根据转速判断电机运行区间：当实际转速小于额定转速时，则混合励磁同步电机运行于低速区，进入步骤4)，否则，混合励磁同步电机运行于高速区，进入步骤5)；

(4)判断负载转矩是否满足T_L≤T_N，其中T_L为负载转矩、T_N为额定转矩；

当T_L≤T_N时，i_fref＝0，电流分配器按照如下电流分配方案输出电流：

当T_L>T_N时，i_qref＝i_qN，电流分配器按照如下电流分配方案输出电流：

其中，i_dref为d轴电流参考值，i_qref为q轴电流参考值，i_fref为励磁绕组电流参考值；ψ_m为永磁体磁链，p为电机极对数；i_qN为q轴电流额定值，L_d、L_q分别为定子绕组d轴和q轴电感，M_f为电枢绕组与励磁绕组之间的互感，T_eref为电磁转矩参考值；

(5)第1个阶段继续保持i_dref＝0，采用恒磁链控制进行弱磁，电流分配器按照如下电流分配方案输出电流：

其中，

当励磁电流达到额定值后，第2个阶段继续采用d轴电流进行弱磁，电流分配器按照如下电流分配方案输出电流：

其中，ψ_exc＝ψ_m+M_fi_fN，i_fN为励磁电流额定值；

(6)用电流分配器所产生的d轴电流参考值i_dref减去步骤(2)中的d轴电流i_d得到d轴电流偏差△i_d，用q轴电流i_qref减去步骤(2)中的q轴电流i_q得到q轴电流偏差△i_q，将d轴电流偏差△i_d输入d轴电流调节器进行比例积分运算，得到d轴电压u_d，将q轴电流偏差△i_q输入q轴电流调节器进行比例积分运算，得到q轴电压u_q，然后对所述d轴电压u_d和q轴电压u_q共同进行旋转正交-静止两相变换后，得到静止两相坐标系下α轴电压u_α和β轴电压u_β，将所述α轴电压u_α和β轴电压u_β输入脉冲宽度调制模块，运算输出6路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；

同时将步骤(1)中采集的励磁电流i_f，经跟随、滤波、偏置与A/D转换后和励磁电流参考值i_fref一起送入直流励磁脉宽调制模块，运算输出4路脉冲宽度调制信号来驱动励磁功率变换器。

本发明方法的一种优选方案中，步骤6)中的脉冲宽度调制模块为空间矢量脉冲宽度调制模块。

本发明核心在于控制策略，即电流分配策略。该方法在输出转矩、去磁因数、效率、功率因数和端电压等方面的特点和单位功率因数控制比较相似，但其输出转矩的极值比单位功率因数控制大得多。本发明控制方法一定程度上解决了功率因数降低和端电压升高问题，且控制方法较为简单，所以在大容量、高速电机领域有一定的应用前景。

有益效果：现有混合励磁同步电机的i_d＝0和铜耗最小控制方法存在诸多缺点，其中之一就是随着负载的增大，电机功率因数在减小，本发明通过步骤4)和步骤5)的恒磁链控制方法，使得混合励磁同步电机无论运行在低速区还是高速区，都保持气隙合成磁链恒定，所以本发明相对现有控制方法具有以下优点：

该方法通过控制合成磁链，需求定子电压较低；

该方法控制合成磁链的变化为混合励磁同步电机的弱磁运行提供了简单并且直接的方法；

相对于i_d＝0和铜耗最小控制方法，该方法在输出转矩、去磁因数、效率、功率因数、端电压等方面的特点；

相对于功率因数为1的控制，该方法使混合励磁电机输出转矩的极值更大。

所以混合励磁同步电机恒磁链控制方法一定程度上解决了功率因数降低和端电压升高问题，在大容量、高速电机领域有一定的应用前景。

附图说明

图1是本发明方法的逻辑流程框图；

图2是本发明方法的系统框图；

图3是实现本发明方法的结构框图；

图4是电流分配结果框图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

图3为实现本发明混合励磁同步电机恒磁链控制方法的系统框图，该控制系统由交流电源、整流器、稳压电容、DSP控制器、主功率变换器、辅功率变换器、传感器、混合励磁同步电机、光电编码器等组成。

交流电源给整个系统供电，经过整流器整流后，滤波、稳压，送给主、辅功率变换器，霍尔电压传感器采集母线电压，调理后送入控制器。主、辅功率变换器的输出端接混合励磁同步电机，霍尔电流互感器采集相电流和励磁电流，调理后送入控制器，编码器信号采集转速与转子位置信号，处理后送入控制器计算转子位置角与转速。控制器输出10路PWM信号分别驱动主、励磁功率变换器。

本发明的混合励磁同步电机恒磁链控制方法，图3所示，具体包括以下步骤：

(1)三个霍尔电流传感器分别从电机主电路采集相电流i_a、i_b和励磁电流i_f，将采集到的信号经电压跟随、滤波、偏置及过压保护等信号调理后送入控制器，对电机进行准确初始位置检测，从电机编码器上采集信号，处理送入控制器计算得出转速n和转子位置角θ；

(2)将送入控制器的相电流i_a、i_b进行A/D转换，经过三相坐标系到两相旋转坐标系的帕克变换得到两相旋转坐标系下的d轴电流i_d和q轴电流i_q；

(3)用给定转速n^*减去编码器实测转速n，后得到转速偏差△n，转速偏差△n进入速度调节器后得到转矩参考值将转矩参考值母线电压U_dc、实测转速n和给定转速n^*送入电流分配器，判断实际转速是否小于额定转速，如是，电机运行于低速区，进入步骤4)，否则，进入步骤5)，如图1所示。

(4)下面分析低速区混合励磁同步电机恒磁链控制策略，具体如下；

根据矢量控制原理，在d-q坐标系中，得出混合励磁同步电机的数学模型。

磁链方程：

电压方程：

转矩方程：

极限条件：

其中，i_d、i_q分别为d轴与q轴电流，I_s为额定电流，i_f为励磁绕组电流；L_d、L_q分别为d轴与q轴电感，M_f为电枢与励磁绕组之间的互感；ω_e为电角速度；ψ_m为永磁体磁链，p为电机极对数，u_d、u_q分别为d轴与q轴的电压，u_f为励磁绕组电压；R_s为电枢绕组电阻，R_f为励磁绕组电阻；ψ_d、ψ_q、ψ_f分别d轴、q轴与励磁绕组磁链；T_e为电磁转矩，ω_e为电角速度，u_s为额定电压。

当T_L≤T_N时，无需增磁控制，所以i_fref＝0，保持磁链恒定，即有：

结合式(3)、(4)和(5)，可得：

则可得如下电流分配方案：

当T_L>T_N时，q轴电流已达到额定值，需进行增磁控制，保持磁链恒定，可得：

于是可得电流分配：

(5)当混合励磁电机进入高速区后，首先保持i_d＝0，采用恒磁链控制弱磁，则有：

从而可得

于是有如下电流分配策略：

其中，

当励磁电流达到额定值(i_f＝i_fN)时，即有

其中，ψ_exc＝ψ_m+M_fi_fN

由式(5)可得如下电流分配策略：

(6)用电流分配器所产生的d轴电流参考值i_dref减去步骤(2)中的d轴电流i_d得到d轴电流偏差△i_d，用q轴电流i_qref减去步骤(2)中的q轴电流i_q得到q轴电流偏差△i_q，将d轴电流偏差△i_d输入d轴电流调节器进行比例积分运算，得到d轴电压u_d，将q轴电流偏差△i_q输入q轴电流调节器进行比例积分运算，得到q轴电压u_q，然后对所述d轴电压u_d和q轴电压u_q共同进行旋转正交-静止两相变换后，得到静止两相坐标系下α轴电压u_α和β轴电压u_β，将所述α轴电压u_α和β轴电压u_β输入脉冲宽度调制模块，运算输出6路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；

同时将步骤(1)中采集的励磁电流i_f，经跟随、滤波、偏置与A/D转换后和励磁电流参考值i_fref一起送入直流励磁脉宽调制模块，运算输出4路脉冲宽度调制信号来驱动励磁功率变换器。

上述实施例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等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种混合励磁同步电机恒磁链控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)从电机主电路采集相电流i_a、i_b和励磁电流i_f，对电机进行初始位置检测，从电机编码器上采集信号，送入控制器进行处理，得出转速n和转子位置角θ；

(2)将采集的相电流i_a、i_b经跟随、滤波、偏置和A/D转换，然后进行帕克变换，得到两相旋转坐标系下的定子d轴电流i_d和q轴电流i_q；

(3)用给定转速n^*减去编码器实测转速n，将得到的转速偏差△n输入速度调节器经比例积分运算后得到转矩参考值将转矩参考值母线电压U_dc、实测转速n和给定转速n^*输入电流分配器，根据转速判断电机运行区间：当实际转速小于额定转速时，则混合励磁同步电机运行于低速区，进入步骤4)，否则，混合励磁同步电机运行于高速区，进入步骤5)；

(4)判断负载转矩是否满足T_L≤T_N，其中T_L为负载转矩、T_N为额定转矩；

当T_L≤T_N时，i_fref＝0，电流分配器按照如下电流分配方案输出电流：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{dref}=\frac{(\frac{2T_{eref}}{3{\mathrm{pi}}_{qref}}-{\mathrm{\ψ}}_m)}{(L_d-L_q)}\\ i_{fref}=0\\ i_{qref}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_m^2-{({\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{dref})}^2}{2L_q^2}\end{array}\right.$

当T_L>T_N时，i_qref＝i_qN，电流分配器按照如下电流分配方案输出电流：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{dref}=\frac{\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_m^2-{\left(L_q{i}_{qN}\right)}^2}}{L_q}-\frac{2T_{eref}}{3{\mathrm{pL}}_q{i}_{qN}}\\ i_{qref}=i_{qN}\\ i_{fref}=\frac{-{\mathrm{\ψ}}_m}{M_f}-\frac{(L_d-L_q)\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_m^2-{\left(L_q{i}_{qN}\right)}^2}}{L_q{M}_f}+\frac{2T_{eref}{L}_d}{3{\mathrm{pL}}_q{M}_f{i}_{qN}}\end{array}\right.$

其中，i_dref为d轴电流参考值，i_qref为q轴电流参考值，i_fref为励磁绕组电流参考值；ψ_m为永磁体磁链，p为电机极对数；i_qN为q轴电流额定值，L_d、L_q分别为定子绕组d轴和q轴电感，M_f为电枢绕组与励磁绕组之间的互感，T_eref为电磁转矩参考值；

(5)第1个阶段继续保持i_dref＝0，采用恒磁链控制进行弱磁，电流分配器按照如下电流分配方案输出电流：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{qref}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\ψ}}_m^2+{\mathrm{\Δi}}_q}{2L_q^2}}\\ i_{dref}=0\\ i_{fref}=\frac{2T_{eref}}{3{\mathrm{pM}}_f\sqrt{({\mathrm{\ψ}}_m^2+{\mathrm{\Δi}}_q)/2L_q^2}}-\frac{{\mathrm{\ψ}}_m}{M_f}\end{array}\right.$

其中，

当励磁电流达到额定值后，第2个阶段继续采用d轴电流进行弱磁，电流分配器按照如下电流分配方案输出电流：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{dref}=\frac{(\frac{2T_{eref}}{3{\mathrm{pi}}_{qref}}-{\mathrm{\ψ}}_{exc})}{(L_d-L_q)}\\ i_{fref}=i_{fN}\\ i_{qref}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_m^2-{({\mathrm{\ψ}}_{exc}+L_d{i}_{qref})}^2}{2L_q^2}\end{array}\right.$

其中，ψ_exc＝ψ_m+M_fi_fN，i_fN为励磁电流额定值；

(6)用电流分配器所产生的d轴电流参考值i_dref减去所述步骤(2)中的d轴电流i_d得到d轴电流偏差△i_d，用q轴电流i_qref减去所述步骤(2)中的q轴电流i_q得到q轴电流偏差△i_q，将d轴电流偏差△i_d输入d轴电流调节器进行比例积分运算，得到d轴电压u_d，将q轴电流偏差△i_q输入q轴电流调节器进行比例积分运算，得到q轴电压u_q，然后对所述d轴电压u_d和q轴电压u_q共同进行旋转正交-静止两相变换后，得到静止两相坐标系下α轴电压u_α和β轴电压u_β，将所述α轴电压u_α和β轴电压u_β输入脉冲宽度调制模块，运算输出6路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；

同时将步骤(1)中采集的励磁电流i_f，经跟随、滤波、偏置与A/D转换后和励磁电流参考值i_fref一起送入直流励磁脉宽调制模块，运算输出4路脉冲宽度调制信号来驱动励磁功率变换器。

2.根据权利要求1所述的混合励磁同步电机恒磁链控制方法，其特征在于，所述步骤6)中的脉冲宽度调制模块为空间矢量脉冲宽度调制模块。