CN106026815A - 一种轴向磁场磁通切换型混合永磁体记忆电机弱磁控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向磁场磁通切换型混合永磁体记忆电机弱磁控制方法，当电机转速位于高速区域时，将电压极限椭圆方程与电磁转矩方程按照拉格朗日极值定理构造辅助函数，并按照所求的极值分配直轴电流、交轴电流和充去磁脉冲电流，实现调磁控制和驱动控制的协调。该控制方法实现了高速区电机的最大输出功率控制，提升系统的效率，在电动汽车启动/发电一体化装置中具有良好的应用前景。

Description

一种轴向磁场磁通切换型混合永磁体记忆电机弱磁控制方法

技术领域

本发明涉及一种轴向磁场磁通切换型混合永磁体记忆电机弱磁控制方法，属于电机驱动控制技术领域。

背景技术

随着稀土永磁材料技术和永磁电机技术的发展，近年来，具有体积小、重量轻、效率高等优点的永磁同步电机正被广泛应用于航空航天、机械制造、交通及军工等领域及行业。但这种永磁电机由于采用高性能的稀土永磁体励磁，气隙磁场很难调节，这导致电动运行时，恒功率区较窄，调速范围有限；发电运行时，电压调节和故障灭磁较为困难。若通过直轴电流弱磁来拓宽恒功率区，不仅会因为定子铜耗的增加而降低系统效率，而且还可能导致永磁体发生不可逆退磁，极大地限制了其应用范围。为了实现永磁电机的气隙磁场调节能力，国内外研究者提出了多种优化的电机拓扑结构，其中记忆电机得到了广泛的研究。该电机利用永磁材料如铝镍钴的高剩磁、低矫顽力的特性，通过施加充去磁脉冲电流来改变永磁磁化水平以实现在线调磁，可实现电机的低速大转矩和宽速运行。但这种成本高、气隙磁密偏小、力能指标不好。为了克服单一磁体记忆电机的不足，国内外研究者提出将高矫顽力的恒磁化磁体与低矫顽力的可调磁化磁体相结合的混合磁体结构记忆电机。该种电机不仅降低了电机的造价，而且其基本性能指标优于单一磁体的记忆电机，在电动汽车启动/发电一体化装置中具有良好的应用前景。

轴向磁场磁通切换型混合永磁体记忆电机的机电能量转换原理及矢量控制技术与传统永磁同步电机实质上是一样的，其特色是在高速区域可通过充去磁脉冲电流改变永磁体磁化强度的方法调节永磁磁链，达到弱磁扩速的目的。目前，对于该种记忆电机弱磁控制研究的文献主要集中在利用电压极限圆求出给定转速所对应的电机永磁磁链，然后通过实时查询二维表获得所需要的充去磁脉冲电流，最后通过充去磁变换器改变该电机永磁体的磁化水平，实现高速区域的变永磁磁链控制。但该种控制算法在给定速度下并不能获得最大的功率输出，在一定程度上降低了系统的效率。

发明内容

发明目的：针对现有轴向磁场混合永磁体记忆电机控制方案的不足，本发明提供一种轴向磁场磁通切换型混合永磁体记忆电机弱磁控制方法，使得电机在整个高速区域内沿最大功率输出轨迹控制，实现弱磁区系统效率的提升。

技术方案：一种轴向磁场磁通切换型混合永磁体记忆电机弱磁控制方法，当电机转速位于高速区域时，将电压极限椭圆方程与电磁转矩方程按照拉格朗日极值定理构造辅助函数，并按照所求的极值分配直轴电流、交轴电流和充去磁脉冲电流，实现最大功率输出轨迹控制。

进一步的，包括如下步骤：

(1)，检测电机初始位置θ₀，利用位置传感器采集电机位置信号，并送入控制器进行信号处理，得到电机转速ω和转子位置角θ，然后将电机转速ω和给定转速ω^*比较后得到转速偏差信号，该转速偏差信号经速度调节器得到的信号作为转矩给定

(2)，采集电机主电路相电流i_a和i_b及充去磁脉冲电流i_f，其中相电流经Clark和Park变换得到两相旋转坐标系下的直轴电流i_d和交轴电流i_q；

(3)，根据额定电枢电流i_s、逆变器直流母线电压U_dc及铝镍钴正向饱和充磁时电机永磁磁链计算电机的额定转速ω₀，当电机给定转速ω^*小于额定转速ω₀时，电机工作于低速区域；当电机给定转速ω^*大于额定转速ω₀时，电机工作于高速区域；

(4)，当电机工作于高速区域，对应于电机的给定转速都存在一个电压极限椭圆：其上每个点对应一组交轴电流i_q和电机永磁磁链每组均产生相应的电磁转矩在所有电磁转矩中存在一个最大值，使电机能够输出最大的电磁转矩，引入辅助函数：并分别对电机永磁磁链交轴电流i_q和变量λ求导得到永磁磁链直轴电流i_d、交轴电流i_q及充去磁脉冲电流i_f给定为：

其中，为充去磁脉冲电流i_f作用时电机永磁磁链，U_dc为逆变器直流母线电压，p为电机极对数，L_q为电机q轴电感，为充去磁脉冲给定电流i_f和电机永磁磁链的函数关系，其可通过对轴向磁场磁通切换型混合磁体记忆电机进行有限元仿真分析或实测获得；为直轴电流给定，为充去磁脉冲电流作用时电机永磁磁链，T_e为电机输出电磁转矩，为交轴参考电流给定；当电机给定转速ω^*大于电机转速ω，且大于当前的电机永磁磁链时，给定转速ω^*所对应的充去磁电流是反方向的，其大小为当电机给定转速ω^*小于电机转速ω，且小于当前的电机永磁磁链时，给定转速ω^*所对应的充去磁电流是正方向的，其大小为

(5)，将步骤(4)所得的直轴电流给定和交轴参考电流给定与步骤(2)所得的直轴电流i_d和交轴电流i_q比较后经电流调节器得到直轴电压u_d和交轴电压u_q，并将两相旋转坐标系下的直轴电压u_d和交轴电压u_q中的交直轴电流和进行解耦，得到两相旋转坐标系下的直轴电压和交轴电压分别为：其中，L_d为电机直轴电感；

(6)，将两相旋转坐标系下的直轴电压和交轴电压经Park逆变换得到两相静止坐标系下α轴电压和β轴电压将和及直流母线电压U_dc输入到空间矢量脉冲宽度调制单元，运算输出的六路脉冲调制信号驱动主电路变换器功率管；同时，将采集的充去磁脉冲电流i_f与步骤(4)所得的充去磁脉冲电流给定一起送入充去磁脉冲电流PWM生成模块，输出的PWM信号驱动充去磁变换器功率管用以生成所需磁链所对应的充去磁脉冲电流i_f。

有益效果：本发明针对轴向磁场磁通切换型混合永磁体记忆电机自身结构特点所提供的弱磁控制方法具有以下优点：

(1)在电机转速高于额定转速的高速区域实现了最大功率输出控制，提高了系统的效率；

(2)电机可在高速区域内不同速度之间进行精确的状态切换，提高了电机控制的精度和可靠性，改善了系统的动态性能和稳态性能。

附图说明

图1为系统整体控制方法框图；

图2为该记忆电机转速仿真波形；

图3该记忆电机输出转矩仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种轴向磁场磁通切换型混合永磁体记忆电机弱磁控制方法，当电机转速位于高速区域时，将电压极限椭圆方程与电磁转矩方程按照拉格朗日极值定理构造辅助函数，并按照所求的极值分配直轴电流、交轴电流和充去磁脉冲电流，实现最大功率输出轨迹控制。具体包括如下步骤：

(1)，检测电机初始位置θ₀，利用位置传感器采集电机位置信号，并送入控制器进行信号处理，得到电机转速ω和转子位置角θ，然后将电机转速ω和给定转速ω^*比较后得到转速偏差信号，该转速偏差信号经速度调节器得到的信号作为转矩给定

(2)，采集电机主电路相电流i_a和i_b及充去磁脉冲电流i_f，其中相电流经Clark和Park变换得到两相旋转坐标系下的直轴电流i_d和交轴电流i_q。

(3)，根据额定电枢电流i_s、逆变器直流母线电压U_dc及铝镍钴正向饱和充磁时电机永磁磁链计算电机的额定转速ω₀，当电机给定转速ω^*小于额定转速ω₀时，电机工作于低速区域；当电机给定转速ω^*大于额定转速ω₀时，电机工作于高速区域。

(4)，当电机工作于高速区域，对应于电机的给定转速都存在一个电压极限椭圆：其上每个点对应一组交轴电流i_q和电机永磁磁链每组均产生相应的电磁转矩在所有电磁转矩中存在一个最大值，使电机能够输出最大的电磁转矩，引入辅助函数：并分别对电机永磁磁链交轴电流i_q和变量λ求导得到永磁磁链直轴电流i_d、交轴电流i_q及充去磁脉冲电流i_f给定为：

其中，为充去磁脉冲电流i_f作用时电机永磁磁链，U_dc为逆变器直流母线电压，p为电机极对数，L_q为电机q轴电感，为充去磁脉冲给定电流i_f和电机永磁磁链的函数关系，其可通过对轴向磁场磁通切换型混合磁体记忆电机进行有限元仿真分析或实测获得；为直轴电流给定，为充去磁脉冲电流作用时电机永磁磁链，T_e为电机输出电磁转矩，为交轴参考电流给定。当电机给定转速ω^*大于电机转速ω，且大于当前的电机永磁磁链时，给定转速ω^*所对应的充去磁电流是反方向的，其大小为当电机给定转速ω^*小于电机转速ω，且小于当前的电机永磁磁链时，给定转速ω^*所对应的充去磁电流是正方向的，其大小为

(5)，将步骤(4)所得的直轴电流给定和交轴参考电流给定与步骤(2)所得的直轴电流i_d和交轴电流i_q比较后经电流调节器得到直轴电压u_d和交轴电压u_q，并将两相旋转坐标系下的直轴电压u_d和交轴电压u_q中的交直轴电流和进行解耦，得到两相旋转坐标系下的直轴电压和交轴电压分别为：其中，L_d为电机直轴电感。

(6)，将两相旋转坐标系下的直轴电压和交轴电压经Park逆变换得到两相静止坐标系下α轴电压和β轴电压将和及直流母线电压U_dc输入到空间矢量脉冲宽度调制单元，运算输出的六路脉冲调制信号驱动主电路变换器功率管；同时，将采集的充去磁脉冲电流i_f与步骤(4)所得的充去磁脉冲电流给定一起送入充去磁脉冲电流PWM生成模块，输出的PWM信号驱动充去磁变换器功率管用以生成所需磁链所对应的充去磁脉冲电流i_f。

按照图1所示的控制框图，在Matlab/Simulink环境下搭建了该电机弱磁控制的仿真模型。图2为初始转速给定为额定转速2000(r/m)，在0.2s时给定转速突变为3500(r/m)时的电机转速仿真波形，由于在高速区域通过施加脉冲去磁电流改变了铝镍钴永磁体的磁化水平，该电机可以在远高于额定转速的情况下持续运行。图3为给定速度时的电磁转矩变化波形，由于对铝镍钴永磁体施加去磁脉冲磁动势，在高速区域时电机的电磁转矩小于额定转速时电磁转矩。该控制方法实现了高速区电机的最大输出功率控制，提升系统的效率，在电动汽车启动/发电一体化装置中具有良好的应用前景。

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 (2)

1.一种轴向磁场磁通切换型混合永磁体记忆电机弱磁控制方法，其特征在于，当电机转速位于高速区域时，将电压极限椭圆方程与电磁转矩方程按照拉格朗日极值定理构造辅助函数，并按照所求的极值分配直轴电流、交轴电流和充去磁脉冲电流，实现最大功率输出轨迹控制。

2.根据权利要求1所述的轴向磁场磁通切换型混合永磁体记忆电机弱磁控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)，检测电机初始位置θ₀，利用位置传感器采集电机位置信号，并送入控制器进行信号处理，得到电机转速ω和转子位置角θ，然后将电机转速ω和给定转速ω^*比较后得到转速偏差信号，该转速偏差信号经速度调节器得到的信号作为转矩给定

(2)，采集电机主电路相电流i_a和i_b及充去磁脉冲电流i_f，其中相电流经Clark和Park变换得到两相旋转坐标系下的直轴电流i_d和交轴电流i_q；

(3)，根据额定电枢电流i_s、逆变器直流母线电压U_dc及铝镍钴正向饱和充磁时电机永磁磁链计算电机的额定转速ω₀，当电机给定转速ω^*小于额定转速ω₀时，电机工作于低速区域；当电机给定转速ω^*大于额定转速ω₀时，电机工作于高速区域；

(4)，当电机工作于高速区域，对应于电机的给定转速都存在一个电压极限椭圆：其上每个点对应一组交轴电流i_q和电机永磁磁链每组均产生相应的电磁转矩在所有电磁转矩中存在一个最大值，使电机能够输出最大的电磁转矩，引入辅助函数：并分别对电机永磁磁链交轴电流i_q和变量λ求导得到永磁磁链直轴电流i_d、交轴电流i_q及充去磁脉冲电流i_f给定为：

其中，为充去磁脉冲电流i_f作用时电机永磁磁链，U_dc为逆变器直流母线电压，p为电机极对数，L_q为电机q轴电感，为充去磁脉冲给定电流i_f和电机永磁磁链的函数关系，其可通过对轴向磁场磁通切换型混合磁体记忆电机进行有限元仿真分析或实测获得；为直轴电流给定，为充去磁脉冲电流作用时电机永磁磁链，T_e为电机输出电磁转矩，为交轴参考电流给定；当电机给定转速ω^*大于电机转速ω，且大于当前的电机永磁磁链时，给定转速ω^*所对应的充去磁电流是反方向的，其大小为当电机给定转速ω^*小于电机转速ω，且小于当前的电机永磁磁链时，给定转速ω^*所对应的充去磁电流是正方向的，其大小为

(5)，将步骤(4)所得的直轴电流给定和交轴参考电流给定与步骤(2)所得的直轴电流i_d和交轴电流i_q比较后经电流调节器得到直轴电压u_d和交轴电压u_q，并将两相旋转坐标系下的直轴电压u_d和交轴电压u_q中的交直轴电流和进行解耦，得到两相旋转坐标系下的直轴电压和交轴电压分别为：其中，L_d为电机直轴电感；

(6)，将两相旋转坐标系下的直轴电压和交轴电压经Park逆变换得到两相静止坐标系下α轴电压和β轴电压将和及直流母线电压U_dc输入到空间矢量脉冲宽度调制单元，运算输出的六路脉冲调制信号驱动主电路变换器功率管；同时，将采集的充去磁脉冲电流i_f与步骤(4)所得的充去磁脉冲电流给定一起送入充去磁脉冲电流PWM生成模块，输出的PWM信号驱动充去磁变换器功率管用以生成所需磁链所对应的充去磁脉冲电流i_f。