CN107017818B - 一种定子永磁型记忆电机直接转矩控制方法 - Google Patents

一种定子永磁型记忆电机直接转矩控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种定子永磁型记忆电机直接转矩控制方法，与矢量控制方法相比，定子永磁型记忆电机直接转矩控制方法避免了复杂的旋转坐标变化，这简化了系统结构，提高了系统响应速度。同时，该控制方法仅需两个滞环控制器和一个速度调节器，因而磁化状态所造成的电机参数变化对系统性能的影响较小。本发明定子磁链给定值由负载和转速实时计算得到，与直接给定定子磁链的传统直接转矩控制方法相比，该方法减少了电枢电流励磁分量，降低了系统铜耗。

Description

一种定子永磁型记忆电机直接转矩控制方法
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直接转矩控制方法。
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，该拓扑不仅便于对电枢绕组和铝镍钴永磁进行冷却降温，而且通过在额外的调磁绕组中施加调磁脉冲来改变铝镍钴的磁化状态，可实现电机气隙磁场的控制，进而拓宽了电机的恒功率速度范围。另外，既无电枢绕组又无永磁的凸极转子适合高速运行。目前对定子永磁型记忆电机驱动控制系统的研究主要采用矢量控制方法，但该方法存在以下缺点
(1)在不同的磁化状态下，电机的参数不同，因而会影响电机的控制性能，甚至使电机失稳；
(2)为了实现矢量控制，需要旋转坐标变换，但这增大了系统的运算处理过程，降低了速度和转矩的动态响应能力。
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直接转矩控制方法。
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直接转矩控制方法，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滑膜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当调磁脉冲消失后，根据定子永磁性记忆电机的转矩表达式Te1计算两相旋转坐标系下的交轴电流iq，并令转矩给定值等于Te1；所述的转矩Te1表达式为：
Te1＝1.5p(ψpmo(if))iq (3)
式(3)中，p为极对数；
S4：通过式(4)计算得到定子永磁型记忆电机的定子磁链给定值
式(4)中，Lq(j)为电机在第j种磁化状态时的交轴电感；
S5：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；
S6：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，查询开关表控制三相逆变器，同时根据步骤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，滑膜永磁磁链观测器观测永磁磁链ψpmo(if)的过程如下：
S2.21：当调磁脉冲消失后，定子永磁型记忆电机在两相静止坐标系下以α轴电流iα和β轴电流iβ为状态变量的状态方程为：
记
则式(5)简写为：
式(5)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，uα为α轴电压，uβ为β轴电压，eα＝[-(Ld(j)-Lq(j))(iαωej-Diβ)]sin(θ)，eα＝[(Ld(j)-Lq(j))(iαωej-Diβ)]cos(θ)，θ为相电流转角；
S2.22：采用的滑膜永磁磁链观测器如式(7)所示：
式(7)中，其中为α轴电流的观测值，为β轴电流的观测值，为观测器的开关增益，k为常数，为符号函数；
S2.23：将式(7)减去式(6)得到iα和iβ偏差的状态方程为：
式(8)中，
S2.24：选择为滑膜超平面，且滑膜超平面s(x)满足s(x)TDs(x)≤0，步骤S2.23中的偏差状态方程是稳定的；
S2.25：由步骤S2.24计算满足偏差状态方程的稳定条件为：
k＞max(|eα|,|eβ|) (9)
S2.26：步骤S2.23的偏差状态方程进入滑动模态时，α轴电流iα和β轴电流iβ的偏差量满足的条件为：
S2.27：将步骤S2.26的滑动模态条件代入到步骤S2.23的偏差状态方程中，得到滑膜永磁磁链观测器观测的永磁磁链ψpmo(if)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)与矢量控制方法相比，定子永磁型记忆电机直接转矩控制方法避免了复杂的旋转坐标变化，这简化了系统结构，提高了系统响应速度。同时，该控制方法仅需两个滞环控制器和一个速度调节器，因而磁化状态所造成的电机参数变化对系统性能的影响较小；
2)在不同速度区域直接控制电机的转矩和定子磁链，拓宽了电机的调速范围；
3)定子磁链给定值由负载和转速实时计算得到，与直接给定定子磁链的传统直接转矩控制方法相比，该方法减少了电枢电流励磁分量，降低了系统铜耗。
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直接转矩控制方法的原理框图；
图2为本发明具体实施方式中滑膜永磁磁链观测器的控制框图。
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直接转矩控制方法，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滑膜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，相电压经Clark变换可得两相静止坐标系下α轴电压uα和β轴电压uβ，相电流经Clark变换可得两相静止坐标系下的α轴电流iα和β轴电流iβ，定子电压uα和uβ、定子电流iα和iβ计算的转矩实际值Te和定子磁链的实际值ψs为：
当调磁脉冲消失后，根据定子永磁性记忆电机的转矩表达式Te1计算两相旋转坐标系下的交轴电流iq，并令转矩给定值等于Te1；所述的转矩Te1表达式为：
Te1＝1.5p(ψpmo(if))iq (4)
式(4)中，p为极对数；
S4：通过式(5)计算得到定子永磁型记忆电机的定子磁链给定值
式(5)中，Lq(j)为电机在第j种磁化状态时的交轴电感；
S5：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；
S6：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，查询开关表控制三相逆变器，同时根据步骤S2中的调磁脉冲给定值控制调磁变换器。
步骤S2.11中，步骤S2.13中，
步骤S2中，滑膜永磁磁链观测器观测永磁磁链ψpmo(if)的过程如下：
S2.21：当调磁脉冲消失后，定子永磁型记忆电机在两相静止坐标系下以α轴电流iα和β轴电流iβ为状态变量的状态方程为：
记
则式(6)简写为：
式(6)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，uα为α轴电压，uβ为β轴电压，eα＝[-(Ld(j)-Lq(j))(iαωej-Diβ)]sin(θ)，eα＝[(Ld(j)-Lq(j))(iαωej-Diβ)]cos(θ)，θ为相电流转角；
S2.22：采用的滑膜永磁磁链观测器如式(8)所示：
式(8)中，其中为α轴电流的观测值，为β轴电流的观测值，为观测器的开关增益，k为常数，为符号函数；
S2.23：将式(8)减去式(7)得到iα和iβ偏差的状态方程为：
式(9)中，
S2.24：选择为滑膜超平面，且滑膜超平面s(x)满足s(x)TDs(x)≤0，步骤S2.23中的偏差状态方程是稳定的；
S2.25：由步骤S2.24计算满足偏差状态方程的稳定条件为：
k＞max(|eα|,|eβ|) (10)
S2.26：步骤S2.23的偏差状态方程进入滑动模态时，α轴电流iα和β轴电流iβ的偏差量满足的条件为：
S2.27：将步骤S2.26的滑动模态条件代入到步骤S2.23的偏差状态方程中，得到滑膜永磁磁链观测器观测的永磁磁链ψpmo(if)为：
步骤S6中的开关表如下表表示：
表1开关表
表1中u0、u1、u2、u3、u4、u5、u6、u7为三相逆变器的8种不同输出电压矢量,θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6为6个扇区。

Claims (3)

1.一种定子永磁型记忆电机直接转矩控制方法，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滑膜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当调磁脉冲消失后，根据定子永磁型记忆电机的转矩表达式Te1计算两相旋转坐标系下的交轴电流iq，并令转矩给定值等于Te1；所述的转矩Te1表达式为：
Te1＝1.5p(ψpmo(if))iq (3)
式(3)中，p为极对数；
S4：通过式(4)计算得到定子永磁型记忆电机的定子磁链给定值
式(4)中，Lq(j)为电机在第j种磁化状态时的交轴电感；
S5：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；
S6：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，查询开关表控制三相逆变器，同时根据步骤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直接转矩控制方法，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直接转矩控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，滑膜永磁磁链观测器观测永磁磁链ψpmo(if)的过程如下：
S2.21：当调磁脉冲消失后，定子永磁型记忆电机在两相静止坐标系下以α轴电流iα和β轴电流iβ为状态变量的状态方程为：
记
则式(5)简写为：
式(5)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，uα为α轴电电压，uβ为β轴电压，eα＝[-(Ld(j)-Lq(j))(iαωej-Diβ)]sin(θ)，eβ＝[(Ld(j)-Lq(j))(iαωej-Diβ)]cos(θ)，θ为相电流相位角，D为微分算子；
S2.22：采用的滑膜永磁磁链观测器如式(7)所示：
式(7)中，其中为α轴电流的观测值，为β轴电流的观测值，为观测器的开关增益，k为常数，为符号函数；
S2.23：将式(7)减去式(6)得到iα和iβ偏差的状态方程为：
式(8)中，
S2.24：选择为滑膜超平面，且滑膜超平面s(x)满足s(x)TDs(x)≤0，D为微分算子，步骤S2.23中的偏差状态方程是稳定的；
S2.25：由步骤S2.24计算满足偏差状态方程的稳定条件为：
k＞max(|eα|,|eβ|) (9)
S2.26：步骤S2.23的偏差状态方程进入滑动模态时，α轴电流iα和β轴电流iβ的偏差量满足的条件为：
S2.27：将步骤S2.26的滑动模态条件代入到步骤S2.23的偏差状态方程中，得到滑膜永磁磁链观测器观测的永磁磁链ψpmo(if)为：
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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