CN106788040A - 一种定子永磁型记忆电机驱动和在线调磁协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定子永磁型记忆电机驱动和在线调磁协同控制方法。该方法通过区域判断模块判断电机转速所在区域，并按照分区控制策略在不同区域采取不同的电流分配方式。在低速区域，按照效率最优控制分配电枢电流和调磁脉冲。在高速区域，通过铝镍钴饱和磁化状态的磁链和额定转速计算给定转速所对应的磁链来分配电枢电流和调磁脉冲。本发明方法在低速区域实现了电机效率最优控制，降低了电机损耗，提高了系统效率，而在高速区域减少了参数变化对弱磁控制的影响，提高了弱磁控制精度。

Description

一种定子永磁型记忆电机驱动和在线调磁协同控制方法

技术领域

本发明属于电气传动技术领域，涉及一种定子永磁型记忆电机驱动和在线调磁协同控制方法。

背景技术

记忆电机通过施加调磁脉冲调节铝镍钴永磁体磁化状态可实现电机的增磁和弱磁运行，且在调磁过程中几乎没有调磁损耗，被认为是一种真正意义上的可控磁通永磁同步电机。根据可调磁化状态永磁体在电机位置的不同，可将记忆电机分为转子永磁型和定子永磁型两种。转子永磁型记忆电机的电枢绕组即应用于驱动控制又用于在线调磁控制，虽节省了空间和材料，但存在电枢绕组和永磁体相对位置不确定的问题。定子永磁型记忆电机分别采用电枢绕组和额外调磁绕组实现电机的驱动控制和在线调磁控制，不仅克服了转子永磁型记忆电机调磁绕组和永磁体位置不确定的问题，而且可实现电机的驱动和在线调磁协同控制。就定子永磁型记忆电机而言，目前主要集中在新拓扑结构和新原理等方面的研究，而对其驱动和调磁控制尤其是驱动和调磁的协同控制尚处于初步阶段。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种定子永磁型记忆电机驱动和在线调磁协同控制方法。

技术方案：一种定子永磁型记忆电机驱动和在线调磁协同控制方法，包括以下步骤：

1)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，可得电机的实际转速ω_e和转子位置角θ，然后将电机的实际转速ω_e和给定转速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及调磁脉冲i_f，其中相电流经Clark和Park变换可得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ψ_pm(i_f)_max计算电机的额定转速ω_eN，当电机给定转速小于额定转速ω_eN时，电机工作于低速区域；当大于ω_eN时，电机工作于高速区域；

4)当电机工作于低速区域时，直轴电流参考交轴电流参考和调磁脉冲参考的给定如下式所示：

其中，a和b的表达式分别为：

为充磁曲线，为去磁曲线，ψ_pmc为定子永磁型记忆电机总损耗最小对应的永磁磁链，ψ_pm(i_f)为磁链观测器观测的电机实际永磁磁链；p为电机极对数，R_s、C_str、C_fe、γ分别为定子电阻、杂散损耗系数、铁耗系数及铁耗常数；

5)当电机工作于高速区域时，直轴电流参考交轴电流参考和调磁脉冲参考的给定如下式所示：

6)将步骤(4)和(5)所得的直轴电流参考和交轴电流参考与步骤(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；

7)将两相旋转坐标系下的直轴电压u_d和交轴电压u_q经Park逆变换得到两相静止坐标系下α轴电压u_α和β轴电压u_β，将u_α和u_β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，将采集的调磁脉冲i_f与步骤(4)和(5)所得的调磁脉冲给定一起送入PWM生成模块生成能够驱动调磁变换器功率管的PWM信号。

进一步的，所述定子永磁型记忆电机总损耗最小对应的永磁磁链ψ_pmc获取方法包括如下步骤：

(1)确定定子永磁型记忆电机总损耗为其中，为定子铜耗，为定子铁耗，为杂散损耗，L_q为交轴电感；

(2)确定定子永磁型记忆电机的稳态转矩方程为T_e＝1.5pψ_pm(i_f)i_q；

(3)将定子永磁型记忆电机的稳态电磁转矩方程代入到总损耗方程得：对ψ_pm(i_f)二次求导得：由于得到，存在ψ_pm(i_f)使定子永磁型记忆电机总损耗P_con最小，使P_con最小的永磁磁链ψ_pmc为

进一步的，所述ψ表示磁链变量。

有益效果：本发明的一种定子永磁型记忆电机驱动和在线调磁协同控制方法具有如下优点：

1.在低速区域，对定子永磁型记忆电机进行效率最优控制，降低了定子铜耗、定子铁耗及杂散损耗等损耗，提高了系统效率；

2.在高速区域，当直流母线电压一定时，通过永磁体饱和磁化状态的磁链和额定转速计算给定转速所对应的磁链，减少了参数变化对弱磁控制的影响，提高了高速区域弱磁控制精度。

附图说明

图1为定子永磁型记忆电机驱动和调磁协同控制结构框图；

图2为定子永磁型记忆电机驱动和调磁协同控制电流分配方式示意图。

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，一种定子永磁型记忆电机驱动和在线调磁协同控制方法，该方法具体包括以下步骤：

(1)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，可得电机的实际转速ω_e和转子位置角θ，然后将电机的实际转速ω_e和给定转速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及调磁脉冲i_f，其中相电流经Clark和Park变换可得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ψ_pm(i_f)_max计算电机的额定转速ω_eN：当电机给定转速小于额定转速ω_eN时，电机工作于低速区域；当大于ω_eN时，电机工作于高速区域。

(4)当电机工作于低速区域时，直轴电流参考交轴电流参考和调磁脉冲参考的给定如下式所示：

其中，a和b的表达式分别为：

为充磁曲线，为去磁曲线，ψ_pmc为定子永磁型记忆电机总损耗最小对应的永磁磁链，ψ_pm(i_f)为磁链观测器观测的电机实际永磁磁链；p为电机极对数，R_s、C_str、C_fe、γ分别为定子电阻、杂散损耗系数、铁耗系数及铁耗常数。

其中，定子永磁型记忆电机总损耗最小对应的永磁磁链ψ_pmc获取方法包括如下步骤：

(1)确定定子永磁型记忆电机总损耗为其中，为定子铜耗，为定子铁耗，为杂散损耗，L_q为交轴电感；

(2)确定定子永磁型记忆电机的稳态转矩方程为T_e＝1.5pψ_pm(i_f)i_q；

(3)将定子永磁型记忆电机的稳态电磁转矩方程代入到总损耗方程得：对ψ_pm(i_f)二次求导得：由于得到，存在ψ_pm(i_f)使定子永磁型记忆电机总损耗P_con最小，使P_con最小的永磁磁链ψ_pmc为

将ψ_pmc代入F₁(·)或F₂(·)得到：

(5)当电机工作于高速区域时，直轴电流参考交轴电流参考和调磁脉冲参考的给定如下式所示：

其中，

(6)将步骤(4)和(5)所得的直轴电流参考和交轴电流参考与步骤(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；

(7)将两相旋转坐标系下的直轴电压u_d和交轴电压u_q经Park逆变换得到两相静止坐标系下α轴电压u_α和β轴电压u_β，将u_α和u_β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，将采集的调磁脉冲i_f与步骤(4)和(5)所得的调磁脉冲给定一起送入PWM生成模块生成能够驱动调磁变换器功率管的PWM信号。

图2为定子永磁型记忆电机在低速区域和高速区域的电流分配方式示意图。通过区域判断模块判断电机转速所在区域，并按照分区控制策略在不同区域采取不同的电流分配方式。

若电机位于低速区域，通过比较按照效率最优控制所计算的永磁磁链ψ_pmc与磁链观测器观测的实际永磁磁链ψ_pm(i_f)的大小来确定对铝镍钴磁化状态的调磁方式，然后按照充磁函数或去磁函数确定所需方向和幅值的调磁脉冲参考依据速度调节器输出的转矩给定电机转速ω_e和按照效率最优控制所计算的永磁磁链ψ_pmc可得到交轴电流参考

若电机位于高速区域，依据直流母线电压U_dc和给定电机转速计算电机所需要的磁链，通过比较该磁链与磁链观测器观测的磁链的大小来确定对铝镍钴磁化状态的调磁方式，然后按照充磁曲线或去磁曲线确定所需方向和幅值的调磁脉冲参考依据速度调节器输出的转矩给定电机额定转速ω_eN、给定电机转速及铝镍钴饱和充磁后的磁链ψ_pm(i_f)_max可得到交轴电流参考

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)

1.一种定子永磁型记忆电机驱动和在线调磁协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)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，可得电机的实际转速ω_e和转子位置角θ，然后将电机的实际转速ω_e和给定转速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及调磁脉冲i_f，其中相电流经Clark和Park变换可得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ψ_pm(i_f)_max计算电机的额定转速ω_eN，当电机给定转速小于额定转速ω_eN时，电机工作于低速区域；当大于ω_eN时，电机工作于高速区域；

4)当电机工作于低速区域时，直轴电流参考交轴电流参考和调磁脉冲参考的给定如下式所示：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_d^{*}=0\\ i_q^{*}=\frac{2T_e^{*}}{3p}{\&lsqb;\frac{4{\mathrm{aT}}_e^{*2}}{9{\mathrm{bp}}^2}\&rsqb;}^{-1/4}\\ i_f^{*}=\left\{\begin{array}{cc}0& ({\mathrm{\&psi;}}_{pmc}={\mathrm{\&psi;}}_{pm}(i_f\left)\right)\\ F_1\left({\mathrm{\&psi;}}_{pmc}\right)& ({\mathrm{\&psi;}}_{pmc}>{\mathrm{\&psi;}}_{pm}(i_f\left)\right)\\ F_2\left({\mathrm{\&psi;}}_{pmc}\right)& ({\mathrm{\&psi;}}_{pmc}<{\mathrm{\&psi;}}_{pm}(i_f\left)\right)\end{array}\right.\end{array}\right.$

其中，a和b的表达式分别为：

$\left\{\begin{array}{c}a=1.5R_s+1.5C_{str}{\mathrm{\&omega;}}_e^2+{\mathrm{bL}}_q^2\\ b=C_{fe}{\mathrm{\&omega;}}_e^{\mathrm{\&gamma;}}\end{array}\right.$

为充磁曲线，为去磁曲线，ψ_pmc为定子永磁型记忆电机总损耗最小对应的永磁磁链，ψ_pm(i_f)为磁链观测器观测的电机实际永磁磁链；p为电机极对数，R_s、C_str、C_fe、γ分别为定子电阻、杂散损耗系数、铁耗系数及铁耗常数；

5)当电机工作于高速区域时，直轴电流参考交轴电流参考和调磁脉冲参考的给定如下式所示：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_d^{*}=0\\ i_q^{*}=\frac{T_e^{*}{\mathrm{\&omega;}}_e^{*}}{1.5{\mathrm{\&psi;}}_{pm}{\left(i_f\right)}_{\max }{\mathrm{\&omega;}}_{eN}}\\ i_f^{*}=\left\{\begin{array}{cc}0& (\frac{{\mathrm{\&psi;}}_{pm}{\left(i_f\right)}_{\max }{\mathrm{\&omega;}}_{eN}}{{\mathrm{\&omega;}}_e^{*}}={\mathrm{\&psi;}}_{pm}(i_f\left)\right)\\ F_1\left(\frac{{\mathrm{\&psi;}}_{pm}{\left(i_f\right)}_{\max }{\mathrm{\&omega;}}_{eN}}{{\mathrm{\&omega;}}_e^{*}}\right)& (\frac{{\mathrm{\&psi;}}_{pm}{\left(i_f\right)}_{\max }{\mathrm{\&omega;}}_{eN}}{{\mathrm{\&omega;}}_e^{*}}>{\mathrm{\&psi;}}_{pm}(i_f\left)\right)\\ F_2\left(\frac{{\mathrm{\&psi;}}_{pm}{\left(i_f\right)}_{\max }{\mathrm{\&omega;}}_{eN}}{{\mathrm{\&omega;}}_e^{*}}\right)& (\frac{{\mathrm{\&psi;}}_{pm}{\left(i_f\right)}_{\max }{\mathrm{\&omega;}}_{eN}}{{\mathrm{\&omega;}}_e^{*}}<{\mathrm{\&psi;}}_{pm}(i_f\left)\right)\end{array}\right.\end{array}\right.$

6)将步骤(4)和(5)所得的直轴电流参考和交轴电流参考与步骤(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；

7)将两相旋转坐标系下的直轴电压u_d和交轴电压u_q经Park逆变换得到两相静止坐标系下α轴电压u_α和β轴电压u_β，将u_α和u_β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，将采集的调磁脉冲i_f与步骤(4)和(5)所得的调磁脉冲给定一起送入PWM生成模块生成能够驱动调磁变换器功率管的PWM信号。

2.根据权利要求1所述的定子永磁型记忆电机驱动和在线调磁协同控制方法，其特征在于：所述定子永磁型记忆电机总损耗最小对应的永磁磁链ψ_pmc获取方法包括如下步骤：

(1)确定定子永磁型记忆电机总损耗为其中，为定子铜耗，为定子铁耗，为杂散损耗，L_q为交轴电感；

(2)确定定子永磁型记忆电机的稳态转矩方程为T_e＝1.5pψ_pm(i_f)i_q；

(3)将定子永磁型记忆电机的稳态电磁转矩方程代入到总损耗方程得：对ψ_pm(i_f)二次求导得：由于得到，存在ψ_pm(i_f)使定子永磁型记忆电机总损耗P_con最小，使P_con最小的永磁磁链ψ_pmc为

3.根据权利要求1或2所述的定子永磁型记忆电机驱动和在线调磁协同控制方法，其特征在于：所述ψ表示磁链变量。