CN109150022A - 一种基于电流解耦的记忆电机调磁转矩脉动的抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流解耦的记忆电机调磁转矩脉动的抑制方法，包括设定d、q轴电流给定值，两者与d、q轴电流给定值的偏差输入PI调节器，对d轴电流PI调节器的输出结果减去ω_eL_qi_q得到d轴电压给定值，对q轴电流PI调节器的输出结果加上ω_e(L_di_d+ψ_r)得到q轴电压给定值，d、q轴电压给定值经过坐标变换和SVPWM调制方法控制逆变器驱动电机工作；当电机转速大于基速时，使用记忆调磁方法离散地调节永磁体的磁化状态，并配合使用d轴电流弱磁方法在每个磁化状态下连续调磁，在施加d轴调磁电流的同时施加q轴解耦电流，以保持调磁期的转矩恒定，实现调磁期转矩脉动的抑制。

Description

一种基于电流解耦的记忆电机调磁转矩脉动的抑制方法

技术领域

本发明涉及一种电机调磁转矩脉动的抑制方法，特别是涉及一种基于电流解耦的记忆电机调磁转矩脉动的抑制方法。

背景技术

可变磁通记忆电机(Variable Flux Memory Machine，VFMM)被认为是一种真正意义上的可调磁通永磁电机。该类电机通过电枢绕组或者附加的调磁线圈施加瞬时的充、去磁电流脉冲来改变低矫顽力永磁材料的磁化状态，从而灵活地调节气隙磁场，并几乎没有电励磁损耗。VFMM作为一种新概念的永磁电机，在电动汽车、风力发电及家用电器等领域具有广阔的应用前景。

交流调磁型记忆电机通过电枢绕组施加的d轴电流脉冲改变低矫顽力永磁材料的磁化状态，不需要额外的调磁线圈，具有结构简单、利用率高等优点。传统的控制方法中，通过施加直接d轴电流脉冲对磁化状态进行调节。然而负载情况下，直接施加d轴电流脉冲进行调磁时将会有剧烈的转矩脉动(Pulsating torque)产生，这将会导致输出转矩的剧烈波动和电机噪声大等问题。

目前，调磁瞬态的转矩脉动问题的解决方法为“离线调磁”，即在零速空载的状态下调节磁化状态。然而，为了真正利用记忆电机的灵活调磁的优点，必须实现“在线调磁”，即在转速和负载均不为零的工作状态下进行调磁控制，并且实现调磁瞬态转矩脉动的抑制。

发明内容

针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于电流解耦的记忆电机调磁转矩脉动的抑制方法，实现在线调磁，抑制调磁瞬态转矩脉动，解决负载状态下输出转矩的剧烈波动等问题。

本发明技术方案如下：一种基于电流解耦的记忆电机调磁转矩脉动的抑制方法，包括以下电机控制过程：实际的电机转速ω_m与给定转速的偏差经过比例-积分调节器得到的信号作为转矩给定值除以转子磁链ψ_r得到q轴电流给定值设定d轴电流给定值电机的d、q轴电流实际值i_d、i_q与给定值的偏差输入比例-积分调节器，对d轴电流比例-积分调节器的输出结果减去一项ω_eL_qi_q得到d轴电压给定值对q轴电流比例-积分调节器的输出结果加上ω_e(L_di_d+ψ_r)得到q轴电压给定值d、q轴电压给定值经过坐标变换和SVPWM调制方法控制逆变器驱动电机工作，其中R_S为定子绕组电阻，L_d和L_q分别为d、q轴电感；

当电机转速ω_m在基速ω_base以下时，d轴电流给定值当电机转速ω_m大于基速ω_base时，将d轴电流给定值加上d轴弱磁电流给定值在需要记忆操作时，根据电机转速ω_m得到对应的磁化状态给定值并根据磁化状态给定值得到对应的d轴调磁电流脉冲给定值为将d轴电流给定值加上d轴调磁电流脉冲给定值为同时q轴电流给定值减去q轴解耦电流给定值

进一步的，q轴解耦电流给定值由以下方式得到：

S1、检测d轴电流值i_d和转子磁链ψ_r；

S2、根据转矩给定值将i_d和ψ_r代入瞬态转矩方程：

其中N_r为转子极对数，ψ_r为转子磁链，L_d、L_q为d、q轴电感，解出的i_q作为q轴解耦电流计算值

S3、检测q轴电流值i_q，将与i_q的偏差输入比例-积分调节器，输出q轴解耦电流给定值

进一步的，所述d轴弱磁电流给定值由定子电压给定值与逆变器最大相电压最大值的差值经过比例-积分调节器获得。

进一步的，所述根据电机转速ω_m得到对应的磁化状态给定值中的对应关系是由永磁体不同磁化状态可达到的电机机械特性运行范围，选取 共k个磁化状态给定值及其对应的转速ω_{m_1}、ω_{m_2}……ω_{m_k}构成的离散对应关系。

进一步的，所述根据磁化状态给定值得到对应的d轴调磁电流脉冲给定值为中的对应关系是由调磁特性选取调磁电流脉冲 共k个调磁电流脉冲给定值及其对应的磁化状态给定值 构成的离散对应关系。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1、使用了记忆调磁和d轴电流弱磁方法结合的控制策略，减少了弱磁损耗、提高了调速系统效率，可实现理论上的无限扩速。

2、使用除法环节实现转矩与转子磁链的动态解耦，减弱了调磁操作对q轴电流控制的干扰，提高了电流控制的精度，改善了调速系统的动态性能。

3、在记忆调磁过程中，增加q轴解耦电流取代传统的直接d轴调磁脉冲电流方法，减小了调磁瞬态的转矩脉动。

附图说明

图1为基于电流解耦的记忆电机调磁转矩脉动的抑制方法的控制框图。

图2为q轴解耦电流发生器的原理框图。

图3为全局调速控制策略图。

图4为基于电流解耦的调磁轨迹图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

请结合图1所示，本实施例涉及的基于电流解耦的记忆电机调磁转矩脉动的抑制方法包括以下控制过程：

实际的电机转速ω_m与给定转速的偏差经过比例-积分调节器得到的信号作为转矩给定值除以转子磁链ψ_r得到q轴电流给定值d轴电流给定值

电机的d、q轴电流实际值i_d、i_q与给定值的偏差输入比例-积分调节器，根据电机的电压方程

R_S为定子绕组电阻，ω_e为转子电角速度，L_d和L_q分别为d、q轴电感，对d轴电流调节器的输出结果减去一项ω_eL_qi_q得到d轴电压给定值对q轴电流调节器的输出结果加上一项ω_e(L_di_d+ψ_r)得到q轴电压给定值d、q轴电压给定值经过坐标变换和SVPWM调制方法控制逆变器驱动电机工作。

当电机转速ω_m在基速ω_base以下时，电机恒转矩运行，采用i_d＝0控制，不需要调磁，当电机转速ω_m大于基速ω_base时，需要采取弱磁操作，采用分步记忆调磁配合d轴电流弱磁控制的方法，具体的包括：

利用记忆调磁方法调节磁化状态，在每个磁化状态下利用传统的d轴电流弱磁方法实现连续调磁，因此d轴电流给定值需要加上d轴弱磁电流给定值该值由定子电压给定值与逆变器最大相电压最大值的差值经过比例-积分调节器获得；在需要记忆操作时，根据电机转速ω_m在“磁化状态选择”查询表中选择对应的磁化状态给定值并根据该磁化状态值以及当前磁化状态ψ_MS在“调磁电流脉冲选择”查询表中选择对应的d轴调磁电流脉冲给定值为将加至d轴电流给定值控制d轴电流实现磁化状态调节，同时q轴电流给定值需要减去q轴解耦电流给定值施加q轴解耦电流。当为0时，d轴电流开始下降，继续施加q轴解耦电流，保持转矩恒定；当d轴实际值i_d与给定值相等时，调磁过程结束，停止施加q解耦电流。

“磁化状态选择”查询表和“调磁电流脉冲选择”查询表的建立如下：根据永磁体不同磁化状态可达到的电机机械特性运行范围，以及所需的直流母线电压，选取共k个磁化状态给定值及其对应的转速ω_{m_1}、ω_{m_2}……ω_{m_k}和所需的直流母线电压U_{dc_1}、U_{dc_2}……U_{dc_k}存储于“磁化状态选择”查询表；根据调磁特性，选取调磁电流脉冲 共k个调磁电流脉冲给定值及其对应的磁化状态给定值 存储于“调磁电流脉冲选择”查询表；

q轴解耦电流给定值由以下方式得到：

1、检测d轴电流值i_d和转子磁链ψ_r；

2、根据转矩给定值将i_d和ψ_r代入瞬态转矩方程：

其中N_r为转子极对数，ψ_r为转子磁链，L_d、L_q为d、q轴电感，解出的i_q作为q轴解耦电流计算值

3、检测q轴电流值i_q，将与i_q的偏差输入比例-积分调节器，输出q轴解耦电流给定值

按本实施例方法进行控制的控制系统的全局调速策略如图3所示，在额定负载情况下，电机采用i_d＝0控制，为保持输出转矩恒定，需使i_q＝i_smax，此时电压方程为

随转速上升，当定子电压随之增加，当定子电压达到最大值u_smax时，电机达到额定转矩下的最大转速(基速)ω_base。

此后进入弱磁区，电机弱磁运行，传统的永磁同步电机控制方法采用d轴电流抵消永磁磁链的方法实现弱磁，而记忆电机能实现灵活地调节永磁磁链以降低传统方法的弱磁损耗，因此本发明采用记忆调磁配合传统d轴电流弱磁的弱磁方法，即使用记忆调磁方法离散地调节永磁体的磁化状态，并配合使用d轴电流弱磁方法在每个磁化状态下连续调磁，该方法既能利用记忆电机灵活高效在线调磁和宽调速性能优势，又能降低频繁调磁操作导致的附加损耗。

本发明方法与现有技术调此方法的调磁轨迹如图4所示，其中点划线轨迹代表的是现有方法的调磁轨迹，即直接d轴电流脉冲调磁方法，这种方法简单易行，但通常用于零速空载情况下调节磁化状态，而负载情况下则会产生剧烈的转矩脉动。为实现转速和负载均不为零的情况下磁化状态的调节，即“在线调磁”，如图4中短划线轨迹所示为本发明方法，在施加d轴调磁电流的同时施加q轴解耦电流，以保持调磁期的转矩恒定，实现调磁期转矩脉动的抑制。以充磁轨迹为例，当施加正的d轴调磁电流时，配合施加负的q轴解耦电流，即减小q轴电流，抵消因d轴电流增加以及磁链增加而引起的转矩增加。

Claims (5)

1.一种基于电流解耦的记忆电机调磁转矩脉动的抑制方法，其特征在于，包括以下电机控制过程：实际的电机转速ω_m与给定转速的偏差经过比例-积分调节器得到的信号作为转矩给定值除以转子磁链ψ_r得到q轴电流给定值设定d轴电流给定值电机的d轴电流实际值i_d、q轴电流实际值i_q与d轴电流给定值q轴电流给定值的偏差输入比例-积分调节器，对d轴电流比例-积分调节器的输出结果减去ω_eL_qi_q得到d轴电压给定值对q轴电流比例-积分调节器的输出结果加上ω_e(L_di_d+ψ_r)得到q轴电压给定值d轴电压给定值q轴电压给定值经过坐标变换和SVPWM调制方法控制逆变器驱动电机工作，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感；

当电机转速ω_m在基速ω_base以下时，d轴电流给定值当电机转速ω_m大于基速ω_base时，将d轴电流给定值加上d轴弱磁电流给定值在需要记忆操作时，根据电机转速ω_m得到对应的磁化状态给定值并根据磁化状态给定值得到对应的d轴调磁电流脉冲给定值为将d轴电流给定值加上d轴调磁电流脉冲给定值为同时q轴电流给定值减去q轴解耦电流给定值

2.根据权利要求1所述的基于电流解耦的记忆电机调磁转矩脉动的抑制方法，其特征在于，q轴解耦电流给定值由以下方式得到：

S1、检测d轴电流值i_d和转子磁链ψ_r；

S2、根据转矩给定值将i_d和ψ_r代入瞬态转矩方程：

其中N_r为转子极对数，ψ_r为转子磁链，L_d、L_q为d、q轴电感，解出的i_q作为q轴解耦电流计算值

S3、检测q轴电流值i_q，将与i_q的偏差输入比例-积分调节器，输出q轴解耦电流给定值

3.根据权利要求1所述的基于电流解耦的记忆电机调磁转矩脉动的抑制方法，其特征在于，所述d轴弱磁电流给定值由定子电压给定值与逆变器最大相电压最大值的差值经过比例-积分调节器获得。

4.根据权利要求1所述的基于电流解耦的记忆电机调磁转矩脉动的抑制方法，其特征在于，所述根据电机转速ω_m得到对应的磁化状态给定值中的对应关系是由永磁体不同磁化状态可达到的电机机械特性运行范围，选取 共k个磁化状态给定值及其对应的转速ω_{m_1}、ω_{m_2}……ω_{m_k}构成的离散对应关系。

5.根据权利要求1所述的基于电流解耦的记忆电机调磁转矩脉动的抑制方法，其特征在于，所述根据磁化状态给定值得到对应的d轴调磁电流脉冲给定值为中的对应关系是由调磁特性选取调磁电流脉冲共k个调磁电流脉冲给定值及其对应的磁化状态给定值构成的离散对应关系。