CN106026816B - 一种轴向磁场磁通切换型混合永磁体记忆电机矢量控制方法 - 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矢量控制方法，在低速区域，依据给定速度、额定转速、当前电机永磁磁链和给定速度对应的电机永磁磁链判断是否需要通过充去磁电路对铝镍钴进行正向饱和充磁；在高速区域，依据给定速度、额定转速、当前电机永磁磁链和给定速度对应的电机永磁磁链判断所需要的充去磁脉冲电流的方向和幅值。该控制不仅能使轴向磁场磁通切换型混合永磁体记忆电机具有低速大转矩和宽速恒功率运行能力，而且在低速区域和高速区域采用不同的电流分配策略，可使电机在低速区域和高速区域及高速区域内不同速度之间能够进行精确的状态切换，提高了电机控制的精度和可靠性。

Description

一种轴向磁场磁通切换型混合永磁体记忆电机矢量控制方法

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矢量控制方法，属于电机驱动控制技术领域。

背景技术

2001年德国人ostovic首先提出“记忆电机”的概念。记忆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高效的在线调磁，被认为是一种真正意义上的可变磁通永磁电机。最初的记忆电机采用具有低矫顽力、非线性退磁曲线特性的单一永磁材料的记忆电机拓扑，但这种记忆电机成本高、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。在电机内部合理配置两种永磁体的位置和尺寸，并按照运行需求，通过施加瞬时脉冲磁动势改变低矫顽力的永磁体磁化水平来加强或减弱由高矫顽力永磁体产生的气隙磁场，实现气隙磁场的灵活调节。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，可广泛应用在电动汽车启动/发电一体化装置、风力发电及飞轮储能等要求电机能够运行在低速大转矩和宽调速场合。

轴向磁场磁通切换型混合永磁体记忆电机是一种定子永磁型可变磁通永磁电机，其机电能量转换原理以及矢量控制技术与传统永磁同步电机实质上是一样的，其特色在于如何实现电机在线调磁与驱动协调控制。目前，轴向磁场磁通切换型混合永磁体记忆电机在不需要充去磁的情况下采用传统的id＝0的矢量控制，而在低速区域需要增加转矩时就施加充磁脉冲磁动势为铝镍钴正向饱和充磁，而当增加恒功率范围时就施加去磁脉冲磁动势来削弱铝镍钴产生的磁场，进而达到减弱气隙磁通的目的。这种离线的调磁技术不能同驱动控制技术实时协调，在一定程度上增加了输出转矩的脉动，降低了系统的动态性能和稳态性能。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术存在的不足，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矢量控制方法，通过充去磁电路实时调节电机永磁磁链，实现电机在线调磁与驱动协调控制，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。

技术方案：一种轴向磁场磁通切换型混合永磁体记忆电机矢量控制方法，根据额定电枢电流、逆变器直流母线电压及铝镍钴正向饱和充磁时的电机永磁磁链计算电机的额定转速，额定转速以下为低速区域，额定转速以上为高速区域；在低速区域，依据给定速度、额定转速、当前电机永磁磁链和给定速度对应的电机永磁磁链判断是否需要通过充去磁电路对铝镍钴进行正向饱和充磁；在高速区域，依据给定速度、额定转速、当前电机永磁磁链和给定速度对应的电机永磁磁链判断所需要的充去磁脉冲电流的方向和幅值。

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和电机给定转速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交轴电流给定

(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)，当电机工作于低速区域时，交直轴电流给定为：若检测的电机永磁磁链等于铝镍钴正向饱和充磁时电机永磁磁链充去磁脉冲电流的给定为0；若检测的电机永磁磁链小于铝镍钴正向饱和充磁时电机永磁磁链时，充去磁脉冲电流的给定取铝镍钴饱和充磁时的充磁脉冲电流i_fn；其中，p为电机极对数，T_e为电机输出电磁转矩，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，L_q为电机q轴电感，i_s为额定电枢电流，M_sf为充去磁绕组与电枢绕组之间的互感，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；

(5)，当电机工作于高速区域时，交直轴电流给定为：依据逆变器直流母线电压U_dc和额定电枢电流i_s按照电压极限椭圆计算电机给定转速ω^*对应的电机永磁磁链当电机给定转速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，电机给定转速ω^*所对应的充去磁电流是正方向的，其大小为

(6)，将步骤(4)和(5)所得的直轴参考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中的直轴参考电流给定和交轴参考电流给定进行解耦，得到两相旋转坐标系下的直轴参考电压给定和交轴参考电压给定分别为：

(7)，将两相旋转坐标系下的直轴参考电压给定和交轴参考电压给定经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三相逆变器的功率管；同时，将采集的充去磁脉冲电流i_f与步骤(4)和(5)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矢量控制方法具有以下优点：

(1)实现了电机驱动控制和调磁控制的协调，在低速区域使铝镍钴正向饱和充磁的方式提高电机的带载能力，而在高速区域通过对铝镍钴合理的充去磁实现电机的宽速恒功率运行；

(2)在低速区域和高速区域采用不同的电流分配策略，使电机在低速区域和高速区域及高速区域内不同速度之间能够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为该记忆电机三相电流仿真波形；

图4为该记忆电机交直轴电流仿真波形；

图5为该记忆电机输出转矩仿真波形；

图6为该记忆电机去磁脉冲电流仿真波形；

图7为该记忆电机施加去磁脉冲电流后磁链变化波形；

图8为本系统硬件结构框图。

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矢量控制方法，根据额定电枢电流、逆变器直流母线电压及铝镍钴正向饱和充磁时的电机永磁磁链计算电机的额定转速，额定转速以下为低速区域，额定转速以上为高速区域；在低速区域，依据给定速度、额定转速、当前电机永磁磁链和给定速度对应的电机永磁磁链判断是否需要通过充去磁电路对铝镍钴进行正向饱和充磁；在高速区域，依据给定速度、额定转速、当前电机永磁磁链和给定速度对应的电机永磁磁链判断所需要的充去磁脉冲电流的方向和幅值。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和电机给定转速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交轴电流给定

(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)，当电机工作于低速区域时，交直轴电流给定为：若检测的电机永磁磁链等于铝镍钴正向饱和充磁时电机永磁磁链充去磁脉冲电流的给定为0。若检测的电机永磁磁链小于铝镍钴正向饱和充磁时电机永磁磁链时，充去磁脉冲电流的给定取铝镍钴饱和充磁时的充磁脉冲电流i_fn。其中，p为电机极对数，T_e为电机输出电磁转矩，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，L_q为电机q轴电感，i_s为额定电枢电流，M_sf为充去磁绕组与电枢绕组之间的互感，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。

(5)，当电机工作于高速区域时，交直轴电流给定为：依据逆变器直流母线电压U_dc和额定电枢电流i_s按照电压极限椭圆计算电机给定转速ω^*对应的电机永磁磁链当电机给定转速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，电机给定转速ω^*所对应的充去磁电流是正方向的，其大小为

(6)，将步骤(4)和(5)所得的直轴参考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中的直轴参考电流给定和交轴参考电流给定进行解耦，得到两相旋转坐标系下的直轴参考电压给定和交轴参考电压给定分别为：

(7)，将两相旋转坐标系下的直轴参考电压给定和交轴参考电压给定经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(SVPWM)，运算输出的六路脉冲调制信号驱动三相逆变器的功率管；同时，将采集的充去磁脉冲电流i_f与步骤(4)和(5)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矢量控制的仿真模型。图2图7分别为轴向磁场磁通切换型混合磁体记忆电机矢量控制系统的动态过程仿真波形。由图2可知实际转速能够很好地跟随给定转速。由图3和图4可知当转速增加时，轴向磁场磁通切换型混合磁体记忆电机三相电流波形和交直轴电流波形幅值也相应增加，但很快恢复到额定转矩所对应的电流幅值。由图5可知，电磁转矩也能较好的跟随负载转矩，只是在速度的过渡阶段，其幅值波动较大，并且在低速区域转速过渡阶段的转矩脉动幅值大于高速区域转速过渡阶段的转矩脉动幅值。由图6和图7可知，在系统起始阶段，轴向磁场磁通切换型混合磁体记忆电机的铝镍钴饱和充磁，且其磁化方向同钕铁硼磁化方向一致。在低速区域，当转速发生突变时，不需要施加去磁脉冲电流来改变铝铁硼的磁化水平，而当电机的给定转速高于电机的额定转速时，为了使电机相电压不超过直流母线电压的限制，需要通过充去磁脉冲电流给定产生模块产生一个和该转速相对应的去磁脉冲电流给定，然后通过充去磁变换器来改变铝镍钴的磁化水平，最终获得电机给定转速所对应的电机永磁磁链。

如图8所示，由轴向磁场磁通切换型混合磁体记忆电机所附加的位置传感器检测电机运行时的位置信号经脉冲整形处理后送入微处理器的数字测速模块计算电机的实时转速，该实时转速和由键盘给定转速比较后可得到转速的偏差信号。采用电压传感器、电流传感器及温度检测电路分别检测直流母线电压和a、b相电流、充去磁脉冲电流及功率器件温度信号，经调理电路处理后送入控制器的A/D。为了确保系统的安全，可将经调理电路调理的过直流母线电压信号、过电流信号及过温度信号等故障信号送入控制器，通过控制器发出的故障保护信号实现停机操作，达到保护系统的目的。控制器将获得的信号经过处理后产生PWM脉冲信号送给主功率变换器和充去磁变换器控制功率管的通断。显示单元可以实时的显示电压和电流的大小，可作为系统下一步工作的参考。电源供电电路可为调理电路、故障保护电路、驱动电路、控制器等电路提供所必须的直流电压等级。

本发明方法，在低速区域，依据给定速度、额定转速、当前电机永磁磁链和给定速度对应的电机永磁磁链判断是否需要通过充去磁电路对铝镍钴进行正向饱和充磁；在高速区域，依据给定速度、额定转速、当前电机永磁磁链和给定速度对应的电机永磁磁链判断所需要的充去磁脉冲电流的方向和幅值。该控制不仅能使轴向磁场磁通切换型混合永磁体记忆电机具有低速大转矩和宽速恒功率运行能力，而且在低速区域和高速区域采用不同的电流分配策略，可使电机在低速区域和高速区域及高速区域内不同速度之间能够进行精确的状态切换，提高了电机控制的精度和可靠性。在电动汽车启动/发电一体化装置、风力发电及飞轮储能等要求电机能够运行在低速大转矩和宽调速场合有广泛的应用前景。

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 (1)

1.一种轴向磁场磁通切换型混合永磁体记忆电机矢量控制方法，其特征在于，根据额定电枢电流、逆变器直流母线电压及铝镍钴正向饱和充磁时的电机永磁磁链计算电机的额定转速，额定转速以下为低速区域，额定转速以上为高速区域；在低速区域，依据给定速度、额定转速、当前电机永磁磁链和给定速度对应的电机永磁磁链判断是否需要通过充去磁电路对铝镍钴进行正向饱和充磁；在高速区域，依据给定速度、额定转速、当前电机永磁磁链和给定速度对应的电机永磁磁链判断所需要的充去磁脉冲电流的方向和幅值；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和电机给定转速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交轴电流给定

(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)，当电机工作于低速区域时，交直轴电流给定为：若检测的电机永磁磁链等于铝镍钴正向饱和充磁时电机永磁磁链充去磁脉冲电流的给定为0；若检测的电机永磁磁链小于铝镍钴正向饱和充磁时电机永磁磁链时，充去磁脉冲电流的给定取铝镍钴饱和充磁时的充磁脉冲电流i_fn；其中，p为电机极对数，T_e为电机输出电磁转矩，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，L_q为电机q轴电感，i_s为额定电枢电流，M_sf为充去磁绕组与电枢绕组之间的互感，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；

(5)，当电机工作于高速区域时，交直轴电流给定为：依据逆变器直流母线电压U_dc和额定电枢电流i_s按照电压极限椭圆计算电机给定转速ω^*对应的电机永磁磁链当电机给定转速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，电机给定转速ω^*所对应的充去磁电流是正方向的，其大小为

(6)，将步骤(4)和(5)所得的直轴参考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中的直轴参考电流给定和交轴参考电流给定进行解耦，得到两相旋转坐标系下的直轴参考电压给定和交轴参考电压给定分别为：

(7)，将两相旋转坐标系下的直轴参考电压给定和交轴参考电压给定经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三相逆变器的功率管；同时，将采集的充去磁脉冲电流i_f与步骤(4)和(5)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。