CN104901590A - 基于分区控制的混合励磁同步电机电流优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分区控制的混合励磁同步电机电流优化方法。其中，包括一种低速区间，在起动、加速过程中，控制输出转矩最大，进入稳态之后，铜耗最小化的控制方法；一种高速弱磁区，协调控制电流i_d、i_q、i_f给定值，兼顾提高电机最大转速和铜耗最小的控制方法。本发明所设计的基于分区控制的混合励磁同步电机电流优化方法从本质上解决了低速区传统控制方法，在起动和稳定运行时控制铜耗最小输出转矩受限，输出转矩最大而铜耗增加的问题；解决了高速弱磁区内提高最大转速与减小铜耗的同时实现的困难；并解决了高速弱磁区电流i_d，i_q，i_f给定值协调控制算法复杂的问题，简化了给定优化电流的算法，省去了大量的解方程运算。

Description

基于分区控制的混合励磁同步电机电流优化方法

技术领域：

本发明涉及一种混合励磁同步电机电流优化方法，属于混合励磁同步电机控制技术。

背景技术：

永磁同步电机(PMSM)采用永磁体作为单一磁势源，导致电机内气隙磁场调节困难，混合励磁同步电机(HESM)在PMSM基础上引入了一套励磁绕组，使其具有了永磁同步电机功率密度高和电励磁电机磁场调节容易的优点。协调电枢电流与励磁电流的控制，可以实现低速大转矩输出和高速宽调速范围的目标，在电动汽车领域具有广阔的应用前景。因此HESM电流协调优化控制研究可以提高电机的运行性能。

在HESM控制方法中大多采用分区控制策略，低速区主流控制目标是减小铜耗提高电机的效率，高速区是其研究的重点和难点。在低速区以输出最大转矩为目标忽视电机的铜耗，或以电机铜耗最小化为目标忽视电机加速过程最大电磁转矩的输出，均未能发挥出电机的最佳性能。在高速区以输出最大转矩为最大目标，i_d＝0，在满足电压电流方程前提下，使得励磁电流及交轴电流i_q为最大值，从而输出转矩最大化，但是这种方法忽视了电机的铜耗控制，也并未利用直轴电流i_d来协调控制；在高速区保持交轴反电动势不变，采用不完全铜耗公式控制铜耗最小，但是这种方法涉及到了大量的公式计算，受参数影响大，且输出转矩有所降低。

因此，在现有的控制策略中，在低速区忽视了铜耗最小化与提高动态性能的协调，在高速弱磁区的研究中忽视了i_d与i_f协调弱磁，或是存在大量的公式计算以达到转矩最大或损耗减小某一单个目标，这样未能将电机的性能最大化地发挥出来。

发明内容

为了克服现有控制方法中未能协调控制i_d、i_q、i_f以实现电机更好的运行性能的不足，本发明提供了一种基于分区控制的混合励磁同步电机电流优化方法，在低速区，优化电流给定，使得电机在起动、加速阶段输出转矩最大，提升动态性能，稳态时，减小电机铜耗，提高运行效率；在高速弱磁区域，利用i_d、i_f协调弱磁，不但能减小铜耗，同时扩大电机的最大转速。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为

一种基于分区控制的混合励磁同步电机电流优化方法，将电机的整个运行在区间分为低速区和高速弱磁区。低速区：在起动、加速过程中控制，给定参考电流范围内最大值，使得输出转矩最大，提高动态性能；在进入稳态后，以提高效率为目标，依据铜耗公式和转矩公式计算得到使得铜耗最小的电流给定；高速弱磁区：在电压方程的限制下，输出尽可能大的电磁转矩，以提高电机的最大转速，在控制过程中通过不断比较改变某一电流给定后电机转矩或铜耗的变化，来确定实际需要改变的电流给定及其改变的大小，同时实现提高最大转速和铜耗最小的目标。

有益效果：本发明提出的基于分区控制的混合励磁同步电机电流优化方法，相对于现有的控制方法有如下的优点：

1、单独考虑起动、加速等非稳态运行，输出最大转矩提高动态性能。

2、在高速弱磁阶段，输出转矩最大的同时实现铜耗减小，提高了电机的最大转速及运行效率。

3、高速弱磁运行时，略去了繁杂的解方程计算。

附图说明

图1为基于分区控制策略的混合励磁同步电机电流优化流程图。

图2为混合励磁电机控制驱动系统结构图；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

一种基于分区控制的混合励磁同步电机电流优化方法，将电机的整个运行区间分为低速区和高速弱磁区。低速区：在起动、加速过程中控制给定参考电流范围内最大值，使得输出转矩最大，提高动态性能；在进入稳态后，采取铜耗最小控制方法。高速弱磁区：在电压方程的限制下，输出尽可能大的电磁转矩，以提升电机的最大转速，同时也可以使电机输出较大的功率，并考虑到减小铜耗，充分地发掘出电机的性能。下面就该电流分区优化方法各个部分加以具体说明。

低速区：如图1所示，当n＜n_base时，处在低速运行区，采集图2中PI转速调节器输出信号，判断是否饱和。进入稳态前，转速调节器是饱和的，失去调节作用，此时保持i_q，i_f为最大值，即i_qmax和i_fmax，同时i_d＝0，输出转矩最大；进入稳态后，转速调节器退出饱和，i_q给定值减小，此时依据铜耗公式(1)和转矩公式(2)，通过拉格朗日算子法得到最优的i_f给定值，经过转速PI调节器可以得到相应的i_q给定值。

$P_{\mathrm{cu}}=\frac{3}{2}{R}_s{i}_q^2+R_f{i}_f^2---\left(1\right)$

$T_e=\frac{3}{2}{\mathrm{pi}}_q({\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{pm}}+M_{\mathrm{sf}}{i}_f)---\left(2\right)$

高速弱磁区：如图1所示，当n≥n_base时，处在高速运行区，仍采集图2中PI转速调节器输出信号，判断是否饱和。在非稳态时，转速调节器是饱和的，且在高速运行区，电机反电动势大小接近逆变器能够输出的电压最大值，分析电压方程(3)可知，当转速有一个上升量Δω_e时，可以通过减小电流i_q或减小磁链Ψ_pm+M_sfi_f+i_dL_d来使得电压方程成立，通过比较减小某一量值后转矩的大小来确定需要减小的值。

${\left(i_q{L}_q\right)}^2+{({\mathrm{\Ψ}}_{\mathrm{pm}}+M_{\mathrm{sf}}{i}_f+i_d{L}_d)}^2\≤{\left(\frac{u_{\lim }}{{\mathrm{\ω}}_e}\right)}^2---\left(3\right)$

①若减小i_q，保持Ψ_pm+M_sfi_f+i_dL_d不变，获得的转矩更大T_e1，则可以得到i_q的新给定值，且保持i_d，i_f给定值不变。

②若减小Ψ_pm+M_sfi_f+i_dL_d，保持i_q不变，获得更大的转矩T_e2，可以得到Ψ_pm+M_sfi_f+i_dL_d的减小量，且i_q给定值不变。

如图1所示，通过上述①和②两步可以得到转矩T_e1和T_e2，若T_e1＞T_e2，则可以得到i_d、i_q、i_f的给定，若T_e1≤T_e2，则进一步以铜耗最小化为条件来判断用来弱磁的电流分量：

只通过i_f来弱磁，保持i_d不变，得到一个新的i_f给定值，算出此时的铜耗P_cu1；只通过i_d来弱磁，保持i_f不变，得到一个新的i_d给定值，算出此时的铜耗P_cu2。如图1，比较P_cu1和P_cu2的大小，确定铜耗最小时i_d或i_f的变化值为新的i_d、i_f给定值。

进入稳定状态后，保持i_d，i_f不变，转速PI调节器经调节后输出的为i_q的给定值。

Claims (3)

1.一种基于分区控制的混合励磁同步电机电流优化方法，其特征在于，包括：在低速区间，在起动、加速过程中，控制输出转矩最大，进入稳态之后，控制铜耗最小化；在高速弱磁区，协调控制电流i_d，i_q，i_f给定值，兼顾提高电机最大转速和铜耗最小。

2.根据权利要求1所述的一种基于分区控制的混合励磁同步电机电流优化方法，其特征在于：在所述低速区间，是根据转速调节器是否饱和为判断条件，饱和时，控制给定电流在范围内的最大值i_qmax和i_fmax；退饱和进入稳定运行时，用拉格朗日算法，给出铜耗最小化电流给定。

3.根据权利要求1所述的一种基于分区控制的混合励磁同步电机电流优化方法，其特征在于：在所述高速弱磁区，是在控制过程中通过不断比较改变某一电流给定后电机转矩或铜耗的变化，来确定实际需要改变的电流给定及其改变的大小。即依据电压方程平衡，根据转速上升Δω_e，首先以转矩输出大为条件，比较只减小i_q所得转矩和只减小气隙磁链所得转矩，确定出需要减小的分量及其大小；若以气隙磁链减小来保证电压平衡，则再以铜耗最小化为条件，比较只减小i_d所得铜耗与只减小i_f所得铜耗，确定出需要减小的弱磁电流分量及其大小，最终得到电流i_q、i_d、i_f的给定值。