CN107017807A - 一种定子永磁型记忆电机转矩脉动抑制方法 - Google Patents

一种定子永磁型记忆电机转矩脉动抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种定子永磁型记忆电机转矩脉动抑制方法，将永磁磁链与转速的关系预先存储在一个二维表中，通过查表的方式获得给定转速所对应的永磁磁链，提高了电机的调速范围，降低了电机参数对永磁磁链计算精度的影响。与采用两个滞环控制器的控制方法相比，该方法通过电压空间矢量方法使得三相逆变器开关频率恒定，降低了转矩脉动。该方法克服了低速时系统难以精确控制，以及因转矩脉动引起的高频噪声等问题。

Description

一种定子永磁型记忆电机转矩脉动抑制方法
技术领域
本发明涉及电气传动技术领域，特别是涉及一种定子永磁型记忆电机转矩脉动抑制方法。
背景技术
定子永磁型记忆电机是一类将电枢绕组和铝镍钴永磁放置于定子上的新型磁通可变永磁电机。与转子永磁型记忆电机相比，该拓扑结构的转子既无电枢绕组又无永磁，在电机高速运行时，转子无需加固，节约了材料和成本，并且该种电机在调磁过程中采用额外的调磁绕组方便电机的调磁控制和驱动控制。目前对定子永磁型记忆电机的研究主要集中在新拓扑和新原理等方面，而对其驱动控制系统的研究尚处于初步阶段。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的定子永磁型记忆电机转矩脉动抑制方法。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的定子永磁型记忆电机转矩脉动抑制方法，包括以下步骤：
S1：根据永磁体的磁化状态，选取ψpm(if0)、ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)共k+1个永磁磁链，且ψpm(if(j-1))＞ψpm(ifj)，1≤j≤k，并根据直流母线电压Udc、额定相电流In、第j种磁化状态时的交轴电感Lq(j)和永磁磁链ψpm(ifj)计算转速ωej,然后将所述永磁磁链ψpm(if0)、ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)及对应的转速ωe0、ωe1……ωe(k-1)、ωek存储于速度-永磁磁链表中；其中，if为调磁脉冲；
S2：当给定转速满足通过比较自适应永磁磁链观测器观测的永磁磁链ψpmo(if)和转速ωej对应的永磁磁链ψpm(ifj)判断永磁的调磁过程，具体包括以下步骤：
S2.11：如果ψpmo(if)小于ψpm(ifj)，则施加正向调磁脉冲使ψpmo(if)达到ψpm(ifj)，此时，调磁脉冲给定值为：
式(1)中，为充磁曲线；
S2.12：如果ψpmo(if)等于ψpm(ifj)，则不施加调磁脉冲；
S2.13：如果ψpmo(if)大于ψpm(ifj)，则施加反向调磁脉冲使ψpmo(if)达到ψpm(ifj)，此时，调磁脉冲给定值为：
式(2)中，为去磁曲线；
S3：电机的实际转速ωe与给定转速的偏差经过速度调节器得到的信号作为转矩给定值
S4：检测定子永磁型记忆电机的相电流和相电压，得到检测值，然后根据检测值计算定子永磁型记忆电机的转矩实际值Te和定子磁链实际值ψs；
S5：根据转矩给定值与转矩实际值Te的差以及定子磁链给定值与定子磁链实际值ψs的差，通过空间电压矢量调制方法使三相逆变器开关频率恒定，并根据步骤S2中的调磁脉冲给定值控制调磁变换器。
进一步，所述步骤S2.11中，步骤S2.13中，
进一步，所述步骤S2中，自适应永磁磁链观测器观测永磁磁链ψpmo(if)的过程如下：
S2.21：在不施加调磁脉冲时，定子永磁型记忆电机的电压方程为：
Di＝Ai+Bu+C (3)
式(3)中，i＝[id iq]，id为电机的直轴电流，iq为交轴电流；u＝[ud uq]，ud为电机的直轴电压，uq为交轴电压； 其中Rs(j)为电机在第j种磁化状态时的定子相电阻，Ld(j)为电机在第j种磁化状态时的直轴电感，Lq(j)为电机在第j种磁化状态时的交轴电感，ωe为电角速度，D为微分算子；
S2.22：根据步骤S2.21构造永磁磁链观测器模型为：
式(4)中，为状态电流观测值，为直轴电流观测值，为交轴电流观测值； 为反馈增益矩阵；其中为第j种磁化状态时定子相电阻的实际值，为电机在第j种磁化状态时直轴电感的实际值，为电机在第j种磁化状态时交轴电感的实际值，为永磁磁链的实际值，h1和h2为反馈增益矩阵中待设计的元素；
S2.23：定义 由式(4)减去式(3)，得到磁链观测器状态变量的偏差方程为：
式(5)中，为状态变量偏差；
S2.24：根据波波夫超稳定性理论，式(6)所描述系统满足稳定的条件为：
S2.25：利用波波夫积分不等式求解的永磁磁链自适应律为：
式(7)中，kp为比例系数，ki为积分系数；
根据步骤S2.23中的算式可得Δψpm(if)和ΔLq的函数关系为：
S2.26：为了减小交轴电感对混合永磁磁链的影响，在满足系统稳定的情况下，反馈增益矩阵h1，h2设定为：
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)将永磁磁链与转速的关系预先存储在一个二维表中，通过查表的方式获得给定转速所对应的永磁磁链值，提高了电机的调速范围，降低了电机参数对永磁磁链计算精度的影响；
2)与采用两个滞环控制器的控制方法相比，该方法通过电压空间矢量方法使得三相逆变器开关频率恒定，降低了转矩脉动；
3)该方法克服了低速时系统难以精确控制，以及因转矩脉动引起的高频噪声等问题。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中定子永磁型记忆电机转矩脉动抑制方法的原理框图；
图2为本发明具体实施方式中自适应永磁磁链观测器的控制框图；
图3为本发明具体实施方式中转矩滑膜调节器和定子磁链滑膜调节器的框图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种定子永磁型记忆电机转矩脉动抑制方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：根据永磁体的磁化状态，选取ψpm(if0)、ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)共k+1个永磁磁链，且ψpm(if(j-1))＞ψpm(ifj)，1≤j≤k，并根据直流母线电压Udc、额定相电流In、第j种磁化状态时的交轴电感Lq(j)和永磁磁链ψpm(ifj)计算转速ωej,然后将所述永磁磁链ψpm(if0)、ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)及对应的转速ωe0、ωe1……ωe(k-1)、ωek存储于速度-永磁磁链表中；其中，if为调磁脉冲；
S2：当给定转速满足通过比较自适应永磁磁链观测器观测的永磁磁链ψpmo(if)和转速ωej对应的永磁磁链ψpm(ifj)判断永磁的调磁过程，具体包括以下步骤：
S2.11：如果ψpmo(if)小于ψpm(ifj)，则施加正向调磁脉冲使ψpmo(if)达到ψpm(ifj)，此时，调磁脉冲给定值为：
式(1)中，为充磁曲线；
S2.12：如果ψpmo(if)等于ψpm(ifj)，则不施加调磁脉冲；
S2.13：如果ψpmo(if)大于ψpm(ifj)，则施加反向调磁脉冲使ψpmo(if)达到ψpm(ifj)，此时，调磁脉冲给定值为：
式(2)中，为去磁曲线；
S3：电机的实际转速ωe与给定转速的偏差经过速度调节器得到的信号作为转矩给定值
S4：采集电机主电路相电压ua、ub、uc和相电流ia、ib及调磁绕组的调磁脉冲if，所述相电压经Clark和Park变换可得两相旋转坐标系下d轴电压ud和q轴电压uq，所述相电流经Clark和Park变换可得两相旋转坐标系下的d轴电流id和q轴电流iq；检测定子永磁型记忆电机的相电流和相电压，得到检测值，然后根据检测值计算定子永磁型记忆电机的转矩实际值Te和定子磁链实际值ψs：
式(3)中，p为电机的极对数；
S5：根据转矩给定值与转矩实际值Te的差以及定子磁链给定值与定子磁链实际值ψs的差，通过空间电压矢量调制方法使三相逆变器开关频率恒定，并根据步骤S2中的调磁脉冲给定值控制调磁变换器。具体地，步骤S5包括以下步骤：
S5.1：根据转矩给定值与转矩实际值Te的差ΔT以及定子磁链给定值与定子磁链实际值ψs的差Δψ，分别经过转矩滑膜调节器和定子磁链滑膜调节器的作用后得到信号和
S5.2：步骤S5.1中的转矩滑膜调节器和定子磁链滑膜调节器如图3所示，转矩偏差ΔT和定子磁链偏差Δψ与转矩滑膜调节器和定子磁链滑膜调节器输出和的关系为
式(4)中，kp和ki分别为转矩滑膜调节器和定子磁链滑膜调节器的比例系数和积分系数；
S5.3：将两相旋转坐标系下的直轴电压和交轴电压经dq/αβ变换得到两相静止坐标系下α轴电压uα和β轴电压uβ，将uα和uβ及直流母线电压Udc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，将调磁脉冲if与调磁脉冲给定值一起送入PWM生成模块生成能够驱动调磁变换器功率管的PWM信号。
步骤S2.11中，步骤S2.13中，
步骤S2中，如图2所示，自适应永磁磁链观测器观测永磁磁链ψpmo(if)的过程如下：
S2.21：在不施加调磁脉冲时，定子永磁型记忆电机的电压方程为：
Di＝Ai+Bu+C (4)
式(4)中，i＝[id iq]，id为电机的直轴电流，iq为交轴电流；u＝[ud uq]，ud为电机的直轴电压，uq为交轴电压； 其中Rs(j)为电机在第j种磁化状态时的定子相电阻，Ld(j)为电机在第j种磁化状态时的直轴电感，Lq(j)为电机在第j种磁化状态时的交轴电感，ωe为电角速度，D为微分算子；
S2.22：根据步骤S2.21构造永磁磁链观测器模型为：
式(5)中，为状态电流观测值，为直轴电流观测值，为交轴电流观测值； 为反馈增益矩阵；其中为第j种磁化状态时定子相电阻的实际值，为电机在第j种磁化状态时直轴电感的实际值，为电机在第j种磁化状态时交轴电感的实际值，为永磁磁链的实际值，h1和h2为反馈增益矩阵中待设计的元素；
S2.23：定义 由式(5)减去式(4)，得到磁链观测器状态变量的偏差方程为：
式(6)中，为状态变量偏差；
S2.24：根据波波夫超稳定性理论，式(7)所描述系统满足稳定的条件为：
S2.25：利用波波夫积分不等式求解的永磁磁链自适应律为：
式(8)中，kp为比例系数，ki为积分系数；
根据步骤S2.23中的算式可得Δψpm(if)和ΔLq的函数关系为：
S2.26：为了减小交轴电感对混合永磁磁链的影响，在满足系统稳定的情况下，反馈增益矩阵h1，h2设定为：

Claims (3)

1.一种定子永磁型记忆电机转矩脉动抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：根据永磁体的磁化状态，选取ψpm(if0)、ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)共k+1个永磁磁链，且ψpm(if(j-1))＞ψpm(ifj)，1≤j≤k，并根据直流母线电压Udc、额定相电流In、第j种磁化状态时的交轴电感Lq(j)和永磁磁链ψpm(ifj)计算转速ωej,然后将所述永磁磁链ψpm(if0)、ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)及对应的转速ωe0、ωe1……ωe(k-1)、ωek存储于速度-永磁磁链表中；其中，if为调磁脉冲；
S2：当给定转速满足通过比较自适应永磁磁链观测器观测的永磁磁链ψpmo(if)和转速ωej对应的永磁磁链ψpm(ifj)判断永磁的调磁过程，具体包括以下步骤：
S2.11：如果ψpmo(if)小于ψpm(ifj)，则施加正向调磁脉冲使ψpmo(if)达到ψpm(ifj)，此时，调磁脉冲给定值为：
式(1)中，为充磁曲线；
S2.12：如果ψpmo(if)等于ψpm(ifj)，则不施加调磁脉冲；
S2.13：如果ψpmo(if)大于ψpm(ifj)，则施加反向调磁脉冲使ψpmo(if)达到ψpm(ifj)，此时，调磁脉冲给定值为：
式(2)中，为去磁曲线；
S3：电机的实际转速ωe与给定转速的偏差经过速度调节器得到的信号作为转矩给定值
S4：检测定子永磁型记忆电机的相电流和相电压，得到检测值，然后根据检测值计算定子永磁型记忆电机的转矩实际值Te和定子磁链实际值ψs；
S5：根据转矩给定值与转矩实际值Te的差以及定子磁链给定值与定子磁链实际值ψs的差，通过空间电压矢量调制方法使三相逆变器开关频率恒定，并根据步骤S2中的调磁脉冲给定值控制调磁变换器。
2.根据权利要求1所述的定子永磁型记忆电机转矩脉动抑制方法，其特征在于：所述步骤S2.11中，步骤S2.13中，
3.根据权利要求1所述的定子永磁型记忆电机转矩脉动抑制方法，其特征在于：所述步骤S2中，自适应永磁磁链观测器观测永磁磁链ψpmo(if)的过程如下：
S2.21：在不施加调磁脉冲时，定子永磁型记忆电机的电压方程为：
Di＝Ai+Bu+C (3)
式(3)中，i＝[id iq]，id为电机的直轴电流，iq为交轴电流；u＝[ud uq]，ud为电机的直轴电压，uq为交轴电压；
其中Rs(j)为电机在第j种磁化状态时的定子相电阻，Ld(j)为电机在第j种磁化状态时的直轴电感，Lq(j)为电机在第j种磁化状态时的交轴电感，ωe为电角速度，D为微分算子；
S2.22：根据步骤S2.21构造永磁磁链观测器模型为：
式(4)中，为状态电流观测值，为直轴电流观测值，为交轴电流观测值；
为反馈增益矩阵；其中为第j种磁化状态时定子相电阻的实际值，为电机在第j种磁化状态时直轴电感的实际值，为电机在第j种磁化状态时交轴电感的实际值，为永磁磁链的实际值，h1和h2为反馈增益矩阵中待设计的元素；
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式(5)中，为状态变量偏差；
S2.24：根据波波夫超稳定性理论，式(6)所描述系统满足稳定的条件为：
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式(7)中，kp为比例系数，ki为积分系数；
根据步骤S2.23中的算式可得Δψpm(if)和ΔLq的函数关系为：
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