CN108288933A - 一种交流调磁型记忆电机分段调磁控制方法 - Google Patents

一种交流调磁型记忆电机分段调磁控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种交流调磁型记忆电机分段调磁控制方法，包括如下步骤：首先在控制系统中加入调磁脉冲模块，实现电机磁链的在线调节；在电机运行过程中，选取n个目标磁化状态，确定对应T‑N曲线的交点，以及各交点所对应的电机转速；通过ψpm/Ld与ismax之间的关系，确定电机调磁过程中的最低磁化水平，之后只进行传统的电枢电流弱磁，不再通过调磁脉冲来削弱永磁磁场；为达最优调磁效果，合理配合调磁起始时刻的转子位置及调磁脉冲相位。相对于传统的弱磁扩速方法，本发明可极大地减小电机运行过程中的直轴电流分量，降低电机在高速运行区的定子铜耗，避免对永磁体频繁进行在线调磁，提高电机运行效率和控制系统可行性。

Description

一种交流调磁型记忆电机分段调磁控制方法
所属领域
本发明涉及电气传动控制方法，特别是涉及一种基于转子速度/位置检测的交流调磁型记忆电机分段调磁控制方法。
背景技术
现代高性能永磁同步电机(PermanentMagnet Synchronous Machine,PMSM)一般采用钕铁硼(NdFeB)永磁，具有高效率、高功率密度、结构简单、控制方便等优点。但是这种永磁电机的调速范围受到电机磁链、电感等固有特性的限制；而且在发电运行时，故障灭磁困难，限制了其应用范围。
近几年来，一类能够通过直接改变永磁体磁化水平调节气隙磁场的电机—记忆电机(Memory Machine，MM)，受到了国内外部分研究者的重视并取得了突破性进展。这类永磁电机采用高剩磁、低矫顽力的永磁材料，如铝镍钴(AlNiCo)，可通过施加瞬时脉冲改变永磁体的磁化水平，实现气隙磁场的调节，几无电励磁损耗，可以简单高效地实现在线调磁。
记忆电机根据永磁体位置的不同可分为交流调磁型记忆电机和直流调磁型记忆电机，后者的调磁绕组和电枢绕组分开，电机运行过程中永磁体不随转子旋转，可以实现直流调磁，控制过程相对简单。然而，由于两套绕组的存在，使得电机结构比较复杂，制作工艺要求也比较高，同时，由于电枢绕组中通交流电，而调磁绕组中通直流电，控制系统需要具备两个供电电源，电机结构和控制系统的复杂性在一定程度上限制了其在各个方面的应用。
发明内容
技术问题：为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种能够根据运行速度的不同，实时切换电机的磁化状态，从而提高电机的转矩输出能力的交流调磁型记忆电机分段调磁控制方法。
技术方案：一种交流调磁型记忆电机分段调磁控制方法，包括如下步骤：
(1)在控制系统中加入基于转速和转子位置反馈的调磁脉冲模块；
(2)以不同磁化状态magnetization state，MS下，电机运行T-N曲线的包络线作为最优控制目标，在电机运行过程中，选取n个目标磁化状态，由高到低依次为MS1,MS2,MS3,……MSn，确定对应T-N曲线的交点，以及各交点所对应的电机转速；n越大，电机稳态性能越好，但对应调磁损耗也会增大，因此n的取值范围选取为5-10；
其中最低磁化状态MSn为调磁临界状态，满足ψpmn/Ld≥ismax；
式中，ψpmn为MSn磁化状态下的永磁磁链值，ismax为每相电流限幅值；
(3)以转折速度作为磁化状态调节的判定依据，不同目标磁化状态对应不同幅值的调磁电流；n个目标磁化状态可由n-1个转折速度进行划分，通过实验测定n-1个转折速度，且由低到高依次命名为v1,v2,v3,……vn-1，则相互之间的对应关系如下：
式中t为电机各个磁化状态所对应的最优速度区间，用于反映前一次调磁后电机所处的磁化状态；
n-1个由低到高的转折速度v1,v2,v3,……vn-1，对应有2(n-1)个不同幅值的调磁电流，调磁脉冲作用时间为10-50ms，n-1个充磁调磁电流按幅值由低到高分别为ir1、ir2、ir3……ir(n-1)，n-1个去磁调磁电流按幅值由低到高分别为id1、id2、id3……id(n-1)；所述调磁脉冲作用时间优选为为20ms。
(4)在电机运行过程中，不断检测电机当前的转速，判定所处速度的区间，用T表示，根据T数值，以及与t的关系，判定施加调磁脉冲的幅值，具体对应关系如下：
当T＞t时，表示电机需要反向去磁，且
当T＝t时，电机处于同一速度区间，不需要进行脉冲调磁；
当T＜t时，表示电机需要正向充磁，且
式中I表示调磁电流幅值。
整个运行区域分为三个部分：恒转矩区、弱磁模式一区和弱磁模式二区；电机在恒转矩区，采取饱和磁化状态；在弱磁模式一区，调磁策略为传统矢量控制弱磁与脉冲弱磁相结合；在弱磁模式二区，调磁策略为仅采用传统矢量控制弱磁。
所述电机运行过程中的调磁电流为三相对称电流，为达最优调磁效果，需合理配合调磁起始时刻的转子位置及调磁脉冲相位。
具体的，选取转子直轴位于电枢绕组A相轴线时刻作为调磁起点，根据坐标变换，充磁起始时刻，ABC三相电流相位分别为去磁起始时刻，ABC三相电流相位分别为
有益效果
和现有技术相比，本发明具有如下显著进步：控制系统方面，在传统永磁同步电机基础之上，加入基于转速和转子位置反馈的调磁脉冲模块，实现电机磁链的在线调节；利用记忆电机永磁体磁化状态的可调节特性，在电机运行过程中只需选取特定几个永磁体的磁化状态，从而在恒定的电压限制下，实现电机在特定转速下恒功率调速范围的最大拓宽，改善电机弱磁性能；相对于传统的弱磁扩速方法，本发明能够最大限度地提升电机的转矩输出能力，拓宽调速范围，可以有效减小电机在弱磁区的直轴电枢电流，降低电枢铜耗。
附图说明
图1为分段调磁控制原理图；
图2为分段调磁控制流程图；
图3为电机运行的整体控制框图。
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。
一种基于转子速度/位置检测的交流调磁型记忆电机分段调磁控制方法，电机运行的整体控制框图如图3所示，该方法与传统永磁同步电机控制策略的最大不同之处在于其结合了记忆电机的磁化状态调节特性，在整体控制系统中加入了脉冲调磁模块，能够在电机运行过程中进行永磁体磁化状态的分段实时调节。
本实施例中，该控制策略首先选取电机运行过程中的5个目标磁化状态MS1,MS2,MS3,MS4,MS5，这5个磁化状态所对应的永磁磁动势依次递减，这样，通过控制永磁体磁动势在这5个状态之间来回反复切换，就能实现磁化状态的分段调节。
同时，以转折速度作为磁化状态调节的判定依据，5个目标磁化状态可由4个转折速度进行划分，通过实验测定4个转折速度，且由低到高依次命名为v1,v2,v3,v4，则相互之间的对应关系如下：
式中t为速度区间标识变量，与电机的当前磁化状态一一对应。
调磁脉冲用以实现磁化状态的调节，不同幅值的调磁脉冲对应不同的磁化状态调节目标，磁化状态共有4个转折点，对应有4个不同的充磁脉冲电流幅值，由低到高依次定义为ir1、ir2、ir3、ir4，以及4个不同的去磁脉冲电流幅值，由低到高依次定义为id1、id2、id3、id4。在电机运行过程中，不断检测电机当前的转速，判定所处速度的区间，用T表示，根据T数值，以及与t的关系，判定施加调磁脉冲的幅值，具体对应关系如下：
当T＞t时，表示电机需要反向去磁，且
当T＝t时，电机处于同一速度区间，不需要进行脉冲调磁；
当T＜t时，表示电机需要正向充磁，且
式中I表示调磁电流幅值。
如图1所示，整个运行区域可大致分为三个部分：恒转矩区、弱磁模式一区、弱磁模式二区。电机在恒转矩区，采取饱和磁化状态；在弱磁模式一区，调磁策略为传统矢量控制弱磁与脉冲弱磁相结合；在弱磁模式二区，调磁策略为仅采用传统矢量控制弱磁。通过上述方式进行合理的在线调磁，可以有效地拓宽电机运行区域，提高弱磁升速能力。
交流调磁型记忆电机通过电枢绕组施加调磁脉冲，调磁电流为三相对称交流电。为了达到最优的调磁效果，调磁开始之前先要检测转子位置，以此判定三相调磁脉冲的相位关系。三相调磁电流会产生以同步速旋转的调磁磁动势，当其与转子直轴磁动势同向时，充磁效果最佳，反向时，去磁效果最佳。为此，选择电机转子位于电枢绕组A相轴线时刻作为调磁起点，对应充磁时ABC三相电流相位依次为去磁时三相电流相位依次为结合转子速度/位置检测的交流调磁型记忆电机分段调磁控制策略的控制流程图如图2所示。
综上，本发明首先通过大量实验，测取电机在不同磁化水平下的T-N曲线，绘制出各条T-N曲线的包络线，然后，选取5-10个合适的磁化状态，确定对应T-N曲线的交点，以及各交点所对应的电机转速。通过ψpm/Ld与ismax之间的关系，确定电机调磁过程中的最低磁化水平，之后，只进行传统的电枢电流弱磁，不再通过调磁脉冲来削弱永磁磁场。在调磁过程中，先要检测转子位置角，然后依据角度来确定所施加三相调磁脉冲的相位关系，或者固定转子位置与调磁脉冲相位，只在转子到达特定位置时再开始充去磁。相对于传统的弱磁扩速方法，本发明可极大地减小电机运行过程中的直轴电流分量，降低电机在高速运行区的定子铜耗，避免对永磁体频繁进行在线调磁，提高电机运行效率和控制系统可行性。

Claims (5)

1.一种交流调磁型记忆电机分段调磁控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在控制系统中加入基于转速和转子位置反馈的调磁脉冲模块；
(2)以不同磁化状态下，电机运行T-N曲线的包络线作为最优控制目标，在电机运行过程中，选取n个目标磁化状态，由高到低依次为MS1,MS2,MS3,……MSn，确定对应T-N曲线的交点，以及各交点所对应的电机转速，n的取值范围为5-10；
其中，最低磁化状态MSn为调磁临界状态，满足ψpmn/Ld≥ismax；
式中，ψpmn为MSn磁化状态下的永磁磁链值，ismax为每相电流限幅值；
(3)以转折速度作为磁化状态调节的判定依据，不同目标磁化状态对应不同幅值的调磁电流；n个目标磁化状态可由n-1个转折速度进行划分，通过实验测定n-1个转折速度，且由低到高依次命名为v1,v2,v3,……vn-1，则相互之间的对应关系如下：
式中，t为电机各个磁化状态所对应的最优速度区间，用于反映前一次调磁后电机所处的磁化状态；
n-1个由低到高的转折速度v1,v2,v3,……vn-1，对应有2(n-1)个不同幅值的调磁电流，调磁脉冲作用时间为10-50ms，n-1个充磁调磁电流按幅值由低到高分别为ir1、ir2、ir3……ir(n-1)，n-1个去磁调磁电流按幅值由低到高分别为id1、id2、id3……id(n-1)；
(4)在电机运行过程中，不断检测电机当前的转速，判定所处速度的区间，用T表示，根据T数值，以及与t的关系，判定施加调磁脉冲的幅值，具体对应关系如下：
当T＞t时，表示电机需要反向去磁，且
当T＝t时，电机处于同一速度区间，不需要进行脉冲调磁；
当T＜t时，表示电机需要正向充磁，且
式中I表示调磁电流幅值。
2.根据权利要求1所述的交流调磁型记忆电机分段调磁控制策略，其特征在于：整个运行区域分为三个部分：恒转矩区、弱磁模式一区和弱磁模式二区；电机在恒转矩区，采取饱和磁化状态；在弱磁模式一区，调磁策略为传统矢量控制弱磁与脉冲弱磁相结合；在弱磁模式二区，调磁策略为仅采用传统矢量控制弱磁。
3.根据权利要求1所述的交流调磁型记忆电机分段调磁控制策略，其特征在于：所述调磁脉冲作用时间为20ms。
4.根据权利要求1或2所述的交流调磁型记忆电机分段调磁控制策略，其特征在于：所述电机运行过程中的调磁电流为三相对称电流。
5.根据权利要求4所述的交流调磁型记忆电机分段调磁控制策略，其特征在于：选取转子直轴位于电枢绕组A相轴线时刻作为调磁起点，根据坐标变换，充磁起始时刻，ABC三相电流相位分别为去磁起始时刻，ABC三相电流相位分别为
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