CN110995109A - 一种交流调磁型记忆电机直接转矩磁链控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转子永磁交流调磁型记忆电机直接转矩磁链控制方法，其主要步骤包括：在正常工作模式下，采用直轴电流i_d＝0条件下的直接转矩控制方法；需要进行调磁时通过短时给定磁链脉冲信号实现调磁；调磁过程结束后恢复i_d＝0条件下的直接转矩控制方法。相对于传统交流调磁型记忆电机矢量控制方法，本发明避免了复杂的实时解耦算法，在减小电机高速区定子铜耗的同时改善了其动态响应，实现系统转矩输出能力和运行效率的提高。与定子永磁直流调磁型记忆电机直接转矩控制方法相比，该方法无需额外的调磁绕组和调磁电源，大大简化了驱动控制系统结构。

Description

一种交流调磁型记忆电机直接转矩磁链控制方法

所属领域

本发明涉及电气传动技术领域，尤其涉及一种交流调磁型记忆电机直接转矩磁链控制方法。

背景技术

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine,PMSM)以其固有的高效率和高功率密度特性而被广泛应用于各种场合，特别是电动汽车场合。为获得较宽的恒功率速度区域(Constant Power Speed Range,CPSR)，目前多采用负向d轴电流的方法来抵消永磁磁链。但是，连续的弱磁电流会带来额外的铜耗，降低了系统效率。近年来，一类采用低矫顽力(Low Coercive Force,LCF)永磁体的记忆电机(Memory Machine,MM)以其方便的调磁特性受到了国内外学者的重视。这类电机通过施加瞬时退磁或磁化电流脉冲改变永磁材料磁化水平，在可以实现气隙磁场在线调节的同时，调磁损耗大大减小，保证了电机可以在较宽的速度范围内高效率运行。

与直流调磁型记忆电机相比，交流调磁型记忆电机结构相对简单，便于加工，且定子绕组兼具电枢绕组和调磁绕组的作用，无需额外的调磁电源，简化了其驱动控制系统组成。目前，交流调磁型记忆电机主要采用电流解耦的矢量控制方法，但该方法存在动态响应慢，实时坐标变换导致算法过程相对复杂的缺点。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明的目的是为交流调磁型记忆电机提供一种能够根据运行速度和需求的不同，实现电机驱动与在线调磁协调的直接转矩磁链控制方法，从而可以在提高电机转矩输出能力的同时改善系统动态响应。

技术方案：

为达到此目的，本发明所述交流调磁型记忆电机直接转矩磁链控制方法，包括以下步骤：

步骤1，电机在稳定工作状态下，采用直接转矩磁链控制与直轴电流i_d＝0协调控制策略，定子磁链在该控制条件下的表达式为：

式中，ψ_s是定子磁链，L_q是交轴电感，T_e是电磁转矩，p是电机极对数，ψ_f是电机永磁磁链；

步骤2，电机需要调磁时，通过短时给定磁链脉冲信号实现调磁，具体为：

2.1，若电机进行弱磁操作

弱磁指令时刻为t_{_DM}，在弱磁时间段[t_{_DM},t_{_DM}+Δt_{_DM}]内，电机转矩环输出保持T_{e_bDM}，定子给定磁链减小至ψ_{s_DM}：

式中，L_d和L_q分别是直轴电感和交轴电感，i_{d_DM}为期望弱磁电流峰值，n_{_bDM}为t_{_DM}时刻的电机转速，T_{e_bDM}为t_{_DM}时刻的电机转矩，ψ_{f_bDM}为t_{_DM}时刻的电机永磁磁链，ψ_{f_DM}为弱磁结束后的期望永磁磁链，Δt_{_DM}为电机弱磁时长；

2.2，若电机进行增磁操作

增磁指令时刻为t_{_RM}，在增磁时间段[t_{_RM},t_{_RM}+Δt_{_RM}]内，电机转矩环输出保持T_{e_bRM}，定子给定磁链增大至ψ_{s_RM}：

式中，n_{_bRM}为t_{_RM}时刻的电机转速，T_{e_bRM}为t_{_RM}时刻的电机转矩，i_{d_RM}为期望增磁电流峰值，ψ_{f_bRM}为t_{_RM}时刻的电机永磁磁链，ψ_{f_RM}为增磁结束后的期望永磁磁链，Δt_{_RM}为电机弱磁时长；

步骤3，调磁过程结束后恢复实施步骤1中的直接转矩磁链控制与直轴电流i_d＝0协调控制策略。

进一步地，步骤3具体为：

3.1，电机弱磁操作结束后，电机永磁磁链稳定为ψ_{f_aDM}，实施步骤1中的直接转矩磁链控制与直轴电流i_d＝0协调控制策略，此时电机转速由n_{_bDM}升至n_{_aDM}，电机转矩减小为T_{e_aDM}，弱磁后的定子磁链ψ_{s_aDM}为：

3.2，电机增磁操作结束后，电机永磁磁链稳定为ψ_{f_aRM}，实施步骤1中的直接转矩磁链控制与直轴电流i_d＝0协调控制策略，此时电机转速由n_{_bRM}降低至n_{_aRM}，电机电磁转矩增加为T_{e_aRM}，增磁后的定子磁链ψ_{s_aRM}为：

进一步地，电机弱磁和增磁过程中不同磁化状态下电机与负载转矩平衡所需的最小定子磁链通过对应的T_e-ψ_s曲线利用查表法进行获取，该曲线通过有限元仿真或实验的方法获取。

有益效果

1、该控制方法采用转矩-磁链级联结构的双闭环控制策略，在非调磁状态下，定子给定磁链结合了直轴电流等于0的控制条件，在保持了直接转矩控制动态响应快的特性的同时，保证了电机铜耗最小，可最大限度地防止意外退磁情况的发生；

2、调磁方法无需进行实时电流矢量解耦计算，避免了实时坐标变换导致算法过程相对复杂的缺点，调磁过程简单快速。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中交流调磁型记忆电机直接转矩磁链控制方法原理框图；

图2为本发明具体实施方式中该电机弱磁状态下的给定转矩-磁链(T_e-ψ_s)轨迹；

图3为本发明具体实施方式中该电机增磁状态下的给定转矩-磁链(T_e-ψ_s)轨迹；

图4为本发明具体实施方式中该电机进行磁化状态选择的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本具体实施方式公开了一种交流调磁型记忆电机直接转矩磁链控制方法，其原理框图如图1所示。该方法与传统永磁同步电机直接转矩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选择和调节特性，可保证电机能在运行过程中进行气隙磁链实时调节。

记忆电机磁链和电磁转矩T_e在转子坐标系中可表示为：

公式(1)中，ψ_s，ψ_d和ψ_q分别是定子磁链、直轴磁链分量和交轴磁链分量，i_d和i_q分别是直轴电流和交轴电流，L_d和L_q分别是直轴电感和交轴电感，p是电机极对数，ψ_f是电机永磁磁链。

为了满足转矩要求，减少铜损耗，同时避免不正确的磁化操作，电机在额定工作状态下采用直接转矩磁链控制与直轴电流i_d＝0协调控制策略。即保持i_d＝0的情况下，选择电压空间矢量的最优方案，从而快速改变电磁转矩。将i_d＝0的控制条件代入式(1)中，可得定子磁链在该控制条件下的表达式为：

在非调磁的额定状态下，电机永磁磁链和交轴电感是确定常量，因此式(2)中T_e是与ψ_s关联的唯一变量。对于直接转矩控制系统的每个控制周期内，电磁转矩都要进行计算估计。因此，在单个控制周期内，T_e可认为是已知常量。这样，可以根据式(2)计算出电机在i_d＝0限定条件下的电子磁链ψ_s，可构成转矩-磁链的级联控制结构。即控制系统形成由外环转矩环和内环磁链环构成的控制结构，其中，磁链环中的给定磁链根据式(2)求得，转矩环中的给定转矩由电机转速环输出确定。这种控制方式可以保证电机在额定工作状态下铜耗最小，且大大降低了发生意外退磁的概率。

该方法与定子永磁型记忆电机直接转矩控制策略所不同的是其调磁与驱动采用同一电路，而无需额外调磁电路，调磁过程简单。该方法原理框图如图1所示，整个控制系统包括控制单元、转矩-磁链控制器、观测器、检测模块、逆变器和交流调磁型记忆电机几个模块。

该方法具体实施包括以下几个步骤：

1、图1中检测模块通过传感器和编码器实时检测电机abc三相电压u_abc、三相电流i_abc和转子位置角θ_s，并通过坐标变换和微分变换后转化为αβ两相静止坐标系下的电压电流u_α、u_β、i_α、i_β和转子角速度ω后输出备用。

2、图1中观测器模块利用步骤1检测到的u_α、u_β、i_α、i_β并根据式(3)计算出观测器所得电磁转矩和定子磁链T_eo和ψ_so：

式中，ψ_α、ψ_β分别表示静止坐标系下α和β轴的定子磁链，R_s表示定子绕组相电阻。

3、控制单元按照额定工作状态工作，即给定速度ω*为额定速度ω_r，该速度与检测速度ω相减后可得速度误差信号Δω，即：

Δω_r＝ω*-ω (4)

利用Δω_r和ω设计如下式所示的前馈阻尼控制器，其输出作为给定转矩

其中，K_p、K_i、B分别为比例系数、积分系数和前馈阻尼系数。

4、利用给定转矩

根据下式可求得给定定子磁链

5、根据

T_eo、ψ_so，利用表1的空间电压矢量开关表可以使三相全桥逆变器输出合适的空间电压矢量，从而驱动电机在额定工作状态下的转矩-磁链置环快速跟踪。

表1中参量τ的含义为：τ＝1增大转矩，τ＝0保持转矩，τ＝-1减小转矩；参数Φ的含义为Φ＝1增大给定定子磁链，Φ＝0减小给定定子磁链；θ_s为转子位置角，可以将一个圆周切割为6个扇区；u₀、u₁、u₂、u₃、u₄、u₅、u₆、u₇为逆变器输出的8种电压矢量。

表1空间电压矢量选择表

6、电机定子磁链的常规表达式可以根据式(1)可以变换推导得出：

由式(7)可以看出，若在某一个较短时间内保持电机转矩不变，则此时主动减小定子给定磁链会产生负方向的d轴电流，从而对低矫顽力永磁体产生退磁效果，以达到电机弱磁目的。

当电机速度大于ω_r，且电机负载小于等于T_LL时，为进一步提高电机转速，通过磁化状态选择器模块产生有效的弱磁信号，即此时弱磁信号DM＝1，此处T_LL表示小于额定负载T_Lr的轻载状态。图2所示的是弱磁过程中的T_e-ψ_s曲线，即弱磁过程中不同磁化状态下电机与负载转矩平衡所需的最小定子磁链，该曲线可通过有限元仿真或实验的方法获取。记弱磁指令时刻为t_{_DM}，此时刻转速为n_{_bDM}，转矩为T_{e_bDM}，永磁磁链为ψ_{f_bDM}，弱磁时长为Δt_{_DM}。则在[t_{_DM},t_{_DM}+Δt_{_DM}]这个时间段内电机转矩环输出保持T_{e_bDM}，定子给定磁链减小至ψ_{s_DM}，根据式(8)可以计算得：

这样，在[t_{_DM},t_{_DM}+Δt_{_DM}]时间段内，根据系统需求主动减小定子给定磁链到ψ_{s_DM}，以产生幅值为i_{d_DM}的负向直轴电流，该负向直轴电流会对永磁磁链产生去磁作用。考虑到直轴电流的上升时间，在i_d负向增加的过程中永磁磁链ψ_{f_DM}也在减小，因此，可以通过有限元和实验的方法确定弱磁过程中定子给定磁链ψ_{s_DM}与永磁磁链ψ_{f_DM}间的关系曲线。在t_{_DM}+Δt_{_DM}时刻，弱磁过程结束，永磁磁链减小到ψ_{f_aDM}。

7、弱磁结束后的控制策略

弱磁操作结束后，永磁磁链稳定为ψ_{f_aDM}，此时为防止电机意外退磁，直轴电流i_d恢复到0，即实施i_d＝0控制条件下的直接转矩控制策略。此时电机转速由n_{_bDM}升至n_{_aDM}，电磁转矩减小为T_{e_aDM}。此时弱磁后的定子磁链ψ_{s_aDM}根据式(9)可以求得：

8、电机需要增磁时，磁化状态选择器产生有效的增磁信号，即此时增磁信号RM＝1。图3所示的是增磁过程中的T_e-ψ_s曲线，即增磁过程中不同磁化状态下电机与负载转矩平衡所需的最小定子磁链，该曲线可通过有限元仿真或实验的方法获取。当电机需要工作在大负载转矩低转速场合下时，可以对其进行增磁操作以满足转矩输出需求。记增磁指令时刻为t_{_RM}，此时刻转速为n_{_bRM}，转矩为T_{e_bRM}，永磁磁链为ψ_{f_bRM}，增磁时长为Δt_{_RM}。则在[t_{_RM},t_{_RM}+Δt_{_RM}]这个时间段内电机转矩环输出保持T_{e_bRM}，定子给定磁链增大至ψ_{s_RM}，根据式(10)可以计算得：

这样，在[t_{_RM},t_{_RM}+Δt_{_RM}]时间段内，根据系统需求主动增加定子给定磁链到ψ_{s_RM}，以产生幅值为i_{d_RM}的正向直轴电流，该正向直轴电流会对永磁磁链产生增磁作用。考虑到直轴电流的上升时间，在i_d正向增加的过程中永磁磁链ψ_{f_RM}也在增加，因此，可以通过有限元和实验的方法确定增磁过程中定子给定磁链ψ_{s_RM}与永磁磁链ψ_{f_RM}间的关系曲线。在t_{_RM}+Δt_{_RM}时刻，增磁过程结束，永磁磁链增加到ψ_{f_aRM}。

9、增磁结束后的控制策略

增磁操作结束后，永磁磁链稳定为ψ_{f_aRM}，此时为减小电机铜耗，直轴电流i_d恢复到0，即恢复实施i_d＝0控制条件下的直接转矩控制策略。此时电机转速由n_{_bRM}降低至n_{_aRM}，电磁转矩增加为T_{e_aRM}。此时增磁后的定子磁链ψ_{s_aRM}可根据下式求得：

10、上述步骤6和步骤8中弱磁信号DM和增磁信号RM是由磁化状态选择器确定的，其控制流程如图4所示。在非调磁工作状态下，DM＝0，RM＝0，即调磁信号为高有效信号。图4中，初始化状态为额定工作状态，即电机处于满磁化状态(MS＝100％)。弱磁信号有效的工况只发生在高速区，即当电机速度大于ω_r，负载小于等于T_LL且负载处于减小或保持状态即负载变化值ΔT_L≤0时，为进一步提高电机转速，通过磁化状态选择器模块产生弱磁信号DM＝1信号，此处T_LL表示小于额定负载T_Lr的轻载状态。增磁信号有效的工况分两种：一是在低速区，即电机速度小于等于ω_r，且电机负载大于T_Lr时的工况；二是在高速区，即电机速度大于ω_r，负载小于等于T_LL且负载处于增加过程即负载变化值ΔT_L>0时的工况。在这两种工作情况下磁化状态选择器模块产生增磁信号RM＝1信号。

综上，根据电机负载转矩大小，进行合适的磁化状态选择，并按照上述步骤进行操作即可方便地实现交流调磁型记忆电机气隙磁密的调节。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种交流调磁型记忆电机直接转矩磁链控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，电机在稳定工作状态下，采用直接转矩磁链控制与直轴电流i_d＝0协调控制策略，定子磁链在该控制条件下的表达式为：

式中，ψ_s是定子磁链，L_q是交轴电感，T_e是电磁转矩，p是电机极对数，ψ_f是电机永磁磁链；

步骤2，电机需要调磁时，通过短时给定磁链脉冲信号实现调磁，具体为：

2.1，若电机进行弱磁操作

弱磁指令时刻为t_{_DM}，在弱磁时间段[t_{_DM},t_{_DM}+Δt_{_DM}]内，电机转矩环输出保持T_{e_bDM}，定子给定磁链减小至ψ_{s_DM}：

式中，L_d和L_q分别是直轴电感和交轴电感，i_{d_DM}为期望弱磁电流峰值，n_{_bDM}为t_{_DM}时刻的电机转速，T_{e_bDM}为t_{_DM}时刻的电机转矩，ψ_{f_bDM}为t_{_DM}时刻的电机永磁磁链，ψ_{f_DM}为弱磁结束后的期望永磁磁链，Δt_{_DM}为电机弱磁时长；

2.2，若电机进行增磁操作

增磁指令时刻为t_{_RM}，在增磁时间段[t_{_RM},t_{_RM}+Δt_{_RM}]内，电机转矩环输出保持T_{e_bRM}，定子给定磁链增大至ψ_{s_RM}：

式中，n_{_bRM}为t_{_RM}时刻的电机转速，T_{e_bRM}为t_{_RM}时刻的电机转矩，i_{d_RM}为期望增磁电流峰值，ψ_{f_bRM}为t_{_RM}时刻的电机永磁磁链，ψ_{f_RM}为增磁结束后的期望永磁磁链，Δt_{_RM}为电机弱磁时长；

步骤3，调磁过程结束后恢复实施步骤1中的直接转矩磁链控制与直轴电流i_d＝0协调控制策略。

2.根据权利要求1所述的交流调磁型记忆电机直接转矩磁链控制策略，其特征在于，步骤3具体为：

3.1，电机弱磁操作结束后，电机永磁磁链稳定为ψ_{f_aDM}，实施步骤1中的直接转矩磁链控制与直轴电流i_d＝0协调控制策略，此时电机转速由n_{_bDM}升至n_{_aDM}，电机转矩减小为T_{e_aDM}，弱磁后的定子磁链ψ_{s_aDM}为：

3.2，电机增磁操作结束后，电机永磁磁链稳定为ψ_{f_aRM}，实施步骤1中的直接转矩磁链控制与直轴电流i_d＝0协调控制策略，此时电机转速由n_{_bRM}降低至n_{_aRM}，电机电磁转矩增加为T_{e_aRM}，增磁后的定子磁链ψ_{s_aRM}为：

3.根据权利要求1所述的交流调磁型记忆电机直接转矩磁链控制策略，其特征在于：电机弱磁和增磁过程中不同磁化状态下电机与负载转矩平衡所需的最小定子磁链通过对应的T_e-ψ_s曲线利用查表法进行获取，该曲线通过有限元仿真或实验的方法获取。

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