CN111585493B - 一种基于无永磁磁链观测器的定子永磁型记忆电机电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无永磁磁链观测器的定子永磁型记忆电机电流控制方法，根据永磁体的磁化状态，选取k个永磁磁链，并计算所对应的转速区间；然后通过转速给定n ^*和其前一时刻的转速给定n ^**确定转速给定的变化方向；依据转速给定n ^*满足的转速区间确定转速给定n ^*所对应的永磁磁链；最后基于转速给定n ^*、转速给定的变化方向和永磁磁链，确定永磁体的调磁过程。本发明具有易于实现、鲁棒性强和避免了频繁磁化状态调节甚至磁化状态调节失败等优点。

Description

一种基于无永磁磁链观测器的定子永磁型记忆电机电流控制 方法

技术领域

本发明涉及电气传动技术领域，特别是一种基于无永磁磁链观测器的定子永磁型记忆电机电流控制方法。

背景技术

为使定子永磁型记忆电机在不同转速区间实现增磁或去磁的磁化状态调节，可采用永磁磁链观测器实时观测电机永磁磁链。但基于永磁磁链观测器的定子永磁型记忆电机电流控制策略存在以下不足：

1)永磁磁链观测器利用电压、电流、转速等信号获取电机实时永磁磁链，计算、调试复杂；

2)永磁磁链自适应律的稳定性和快速性易受电机参数影响，并且不易选择合适的反馈增益矩阵；

3)永磁磁链观测器观测精度亦受到电机参数影响，为获得较好分段磁化调节效果，不宜划分较多永磁磁化状态；

4)为避免磁化状态频繁调节，甚至磁化状态调节失败，需对观测的永磁磁链进行整形处理。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于无永磁磁链观测器的定子永磁型记忆电机电流控制方法，具有易于实现、鲁棒性强和避免了频繁磁化状态调节甚至磁化状态调节失败等优点。

本发明采用以下方案实现：一种基于无永磁磁链观测器的定子永磁型记忆电机电流控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据永磁体的磁化状态，选取k个永磁磁链，分别为ψ_pm(i_f1)……ψ_pm(i_f(k-1))、ψ_pm(i_fk)，且ψ_pm(i_f(j-1))＞ψ_pm(i_fj)，其中1＜j≤k；依次计算ψ_pm(i_f1)、……ψ_pm(i_f(k-1))、ψ_pm(i_fk)所对应的转速n₁、……、n_(k-1)、n_k，并建立转速区间：0～n₁、n₁～n₂、……、n_(k-1)～n_k；其中，ψ_pm(i_fj)表示第j种磁化状态的磁链，i_fj为第i种磁化状态所对应的调磁脉冲电流；

步骤S2：通过转速给定n^*和其前一时刻的转速给定n^**确定转速给定的变化方向；若n^*＞n^**，方向设定为-1；若n^*＜n^**，方向设定为1；若n^*＝n^**，方向设定为0；

步骤S3：依据转速给定n^*满足的转速区间确定转速给定n^*所对应的永磁磁链ψ_pm(i_fj)^*，基于ψ_pm(i_fj)^*获取其前一时刻的永磁磁链ψ_pm(i_fj)^**；

步骤S4：基于转速给定n^*、步骤S2得到的转速给定的变化方向和步骤S3得到的永磁磁链ψ_pm(i_fj)^*和ψ_pm(i_fj)^**，确定永磁体的调磁过程。

进一步地，步骤S4具体包括以下的一个或多个情况：

情况一：若转速给定n^*位于(0,n₁]，变化后转速给定n^**仍位于(0,n₁]，根据相应的ψ_pm(i_fj)^*和ψ_pm(i_fj)^**，此时，直轴电流给定值

交轴电流给定值

和调磁脉冲电流给定值

的分配策略为：

式中，p表示电机极对数，T_e为电磁转矩；

情况二：若转速给定n^*位于(0,n₁]，变化后转速给定n^**位于(n_(j-1),n_j]，这里2≤j≤k，根据相应的ψ_pm(i_fj)^*和ψ_pm(i_fj)^**，此时，直轴电流给定值

交轴电流给定值

和调磁脉冲给定值

的分配策略为：

式中，M_f表示电枢绕组和励磁绕组互感，F₁(ψ_pm(i_fj))的计算为：

情况三：若转速给定n^*位于(n_(j-1),n_j]，这里2≤j≤k，根据相应的ψ_pm(i_fj)^*和ψ_pm(i_fj)^**，此时，直轴电流给定值

交轴电流给定值

和调磁脉冲给定值

的分配策略为：

情况四：若转速给定n^*位于(n_(j-1),n_j]，这里2≤j≤k，变化后转速给定n^**位于(0,n₁]，根据相应的ψ_pm(i_fj)^*和ψ_pm(i_fj)^**，此时，直轴电流给定值

交轴电流给定值

和调磁脉冲给定值

的分配策略为：

式中，i_f1为饱和充磁时的脉冲电流，也即第1种磁化状态所对应的调磁脉冲电流；

情况五：若转速给定n^*位于(n_(j-1),n_j]，这里2＜j≤k，变化后转速给定n^**位于n^*的左侧速度区间，根据相应的ψ_pm(i_fj)^*和ψ_pm(i_fj)^**，此时，直轴电流给定值

交轴电流给定值

和调磁脉冲给定值

的分配策略为：

式中，F₂(ψ_pm(i_fj))的计算为：

情况六：若转速给定n^*位于(n_(j-1),n_j]，这里2＜j≤k，变化后转速给定n^**位于n^*所在的速度区间，根据相应的ψ_pm(i_fj)^*和ψ_pm(i_fj)^**，此时，直轴电流给定值i_d ^*、交轴电流给定值

和调磁脉冲给定值

的分配策略为：

情况七：若转速给定n^*位于(n_(j-1),n_j]，这里2≤j＜k，变化后转速给定n^**位于n^*的右侧速度区间，根据相应的ψ_pm(i_fj)^*和ψ_pm(i_fj)^**，此时，直轴电流给定值

交轴电流给定值

和调磁脉冲给定值

的分配策略为：

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1)无需利用定子永磁型记忆电机电压、电流及转速等电信号和物理信号获取电机实时永磁磁链，计算简单，易于实现。

2)分段磁化状态调节受电机参数变化较小，鲁棒性较强。

3)可在更多永磁磁化状态下运行，使电机运行在较佳的工作点上。

4)永磁磁链给定不存在波动的问题，不需进行整形处理，避免了频繁磁化状态调节或磁化状态调节失败等问题。

附图说明

图1为本发明实施例的原理示意图。

图2为本发明实施例的方法性能仿真示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种基于无永磁磁链观测器的定子永磁型记忆电机电流控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据永磁体的磁化状态，选取k个永磁磁链，分别为ψ_pm(i_f1)……ψ_pm(i_f(k-1))、ψ_pm(i_fk)，且ψ_pm(i_f(j-1))＞ψ_pm(i_fj)，其中1＜j≤k；依次计算ψ_pm(i_f1)、……ψ_pm(i_f(k-1))、ψ_pm(i_fk)所对应的转速n₁、……、n_(k-1)、n_k，并建立转速区间：0～n₁、n₁～n₂、……、n_(k-1)～n_k；其中，ψ_pm(i_fj)表示第j种磁化状态的磁链，i_fj为第i种磁化状态所对应的调磁脉冲电流；转速区间与磁链一一对应；

步骤S2：通过转速给定n^*和其前一时刻的转速给定n^**确定转速给定的变化方向；若n^*＞n^**，方向设定为-1；若n^*＜n^**，方向设定为1；若n^*＝n^**，方向设定为0；

步骤S3：依据转速给定n^*满足的转速区间确定转速给定n^*所对应的永磁磁链ψ_pm(i_fj)^*，基于ψ_pm(i_fj)^*获取其前一时刻的永磁磁链ψ_pm(i_fj)^**；

步骤S4：基于转速给定n^*、步骤S2得到的转速给定的变化方向和步骤S3得到的永磁磁链ψ_pm(i_fj)^*和ψ_pm(i_fj)^**，确定永磁体的调磁过程。

在本实施例中，步骤S1中，与第j种磁化状态的磁链ψ_pm(i_fj)所对应的转速n_j的计算方法为：根据直流母线电压U_dc、额定相电流I_n、第j种磁化状态时的交轴电感L_qj和永磁磁链ψ_PM(i_fj)计算转速n_j：

在本实施例中，步骤S4具体包括以下的一个或多个情况：

情况一：若转速给定n^*位于(0,n₁]，变化后转速给定n^**仍位于(0,n₁]，根据相应的ψ_pm(i_fj)^*和ψ_pm(i_fj)^**，此时，直轴电流给定值

交轴电流给定值

和调磁脉冲电流给定值

的分配策略为：

式中，p表示电机极对数，T_e为电磁转矩；

情况二：若转速给定n^*位于(0,n₁]，变化后转速给定n^**位于(n_(j-1),n_j]，这里2≤j≤k，根据相应的ψ_pm(i_fj)^*和ψ_pm(i_fj)^**，此时，直轴电流给定值

交轴电流给定值

和调磁脉冲给定值

的分配策略为：

式中，M_f表示电枢绕组和励磁绕组互感，F₁(ψ_pm(i_fj))的计算为：

情况三：若转速给定n^*位于(n_(j-1),n_j]，这里2≤j≤k，根据相应的ψ_pm(i_fj)^*和ψ_pm(i_fj)^**，此时，直轴电流给定值

交轴电流给定值

和调磁脉冲给定值

的分配策略为：

情况四：若转速给定n^*位于(n_(j-1),n_j]，这里2≤j≤k，变化后转速给定n^**位于(0,n₁]，根据相应的ψ_pm(i_fj)^*和ψ_pm(i_fj)^**，此时，直轴电流给定值

交轴电流给定值

和调磁脉冲给定值

的分配策略为：

式中，i_f1为饱和充磁时的脉冲电流，也即，第1种磁化状态所对应的调磁脉冲电流。

情况五：若转速给定n^*位于(n_(j-1),n_j]，这里2＜j≤k，变化后转速给定n^**位于n^*的左侧速度区间，根据相应的ψ_pm(i_fj)^*和ψ_pm(i_fj)^**，此时，直轴电流给定值

交轴电流给定值

和调磁脉冲给定值

的分配策略为：

式中，F₂(ψ_pm(i_fj))的计算为：

情况六：若初始转速给定n^*位于(n_(j-1),n_j]，这里2＜j≤k，变化后转速给定n^**位于n^*所在的速度区间，根据相应的ψ_pm(i_fj)^*和ψ_pm(i_fj)^**，此时，直轴电流给定值

交轴电流给定值

和调磁脉冲给定值

的分配策略为：

情况七：若初始转速给定n^*位于(n_(j-1),n_j]，这里2≤j＜k，变化后转速给定n^**位于n^*的右侧速度区间，根据相应的ψ_pm(i_fj)^*和ψ_pm(i_fj)^**，此时，直轴电流给定值

交轴电流给定值

和调磁脉冲给定值

的分配策略为：

在本实施例中，其中电磁转矩T_e的获取具体为：获取电机的实际转速n，将实际转速n与给定转速n^*比较后得到转速偏差信号，将该转速偏差信号经速度调节器得到的信号作为转矩给定T_e。其中，可利用编码器采集电机的位置信号，并将其处理后得到电机的实际转速n以及转子位置角θ。

在本实施例中，还包括以下步骤：

步骤S5：将步骤S4获取的直轴电流给定值

交轴电流给定值

与电机实际的直轴电流i_d和交轴电流i_q比较后经电流调节器得到直轴电压u_d和交轴电压u_q：其中电机实际的直轴电流i_d和交轴电流i_q可通过采集电机主电路相电流i_a和i_b，将其经abc/dq变换得到；

步骤S6：将获取的直轴电压u_d和交轴电压u_q经dq/αβ变换得到两相静止坐标系下α轴电压u_α和β轴电压u_β，将u_α和u_β及直流母线电压U_dc输入到空间矢量脉冲宽度调制单元(SVPWM)，将其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，将实时采集的调磁脉冲i_f与步骤S4获取的调磁脉冲给定值

一起送入PWM生成模块，并将其输出的PWM信号送入调磁变换器以驱动其中的功率管；其中所述三相逆变器用以给定子永磁型记忆电机提供三相电流，所述调磁变换器用以向定子永磁型记忆电机提供调磁脉冲电流i_f。

具体的，本实施例令负载转矩给定为1.5N·m，在转速给定突变过程中，图2为采用基于无永磁磁链观测器的定子永磁型记忆电机电流控制方法仿真性能。转速给定如图2中的(a)所示，对应永磁磁链给定如图2中的(b)所示。永磁磁链初始值设定为0.0677Wb，初始转速给定位于[0,750]r/min速度区间内，无需施加脉冲电流。在0.4s时，转速给定上升到800r/min，由转速给定所处速度区间和转速给定变化方向，需施加幅值为16A的反向脉冲电流。在1s时，转速给定上升到1000r/min，由转速给定所处速度区间和转速给定变化方向，需施加幅值为48A的反向脉冲电流。在1.5s时，转速给定降到800r/min，由转速给定所处速度区间和转速给定变化方向，需施加幅值为19A的正向脉冲电流。在转速给定变化过程中，相应速度、脉冲电流、电磁转矩及直轴和交轴电流变化分别如图2中的(c)、(d)、(e)和(f)所示。以上仿真结果说明，本实施例基于无永磁磁链观测器的定子永磁型记忆电机电流控制方法，在省去永磁磁链观测器的情况下拓宽了电机的调速范围。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于无永磁磁链观测器的定子永磁型记忆电机电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：根据永磁体的磁化状态，选取k个永磁磁链，分别为ψ_pm(i_f1)……ψ_pm(i_f(k-1))、ψ_pm(i_fk)，且ψ_pm(i_f(j-1))＞ψ_pm(i_fj)，其中1＜j≤k；依次计算ψ_pm(i_f1)、……ψ_pm(i_f(k-1))、ψ_pm(i_fk)所对应的转速n₁、……、n_(k-1)、n_k，并建立转速区间：0～n₁、n₁～n₂、……、n_(k-1)～n_k；其中，ψ_pm(i_fj)表示第j种磁化状态的磁链，i_fj为第i种磁化状态所对应的调磁脉冲电流；

步骤S2：通过转速给定n^*和其变化后转速给定n^**确定转速给定的变化方向：若n*＞n**，n**不在n*所属的速度区间，方向设定为1；若n*＜n**，n**不在n*所属的速度区间，方向设定为-1；若n**在n*所属的速度区间，方向设定为0；

步骤S3：依据转速给定n^*满足的转速区间确定转速给定n^*所对应的永磁磁链ψ_pm(i_fj)^*，基于ψ_pm(i_fj)^*获取其前一时刻的永磁磁链ψ_pm(i_fj)^**；

步骤S4：基于转速给定n^*、步骤S2得到的转速给定的变化方向和步骤S3得到的永磁磁链ψ_pm(i_fj)^*和ψ_pm(i_fj)^**，确定永磁体的调磁过程；

步骤S4具体包括以下的一个或多个情况：

情况一：若转速给定n^*位于(0,n₁]，变化后转速给定n^**仍位于(0,n₁]，转速方向设定为0，变化后转速给定n**对应的永磁磁链ψ_pm(i_f1)^**与ψ_pm(i_f1)^*相同，此时，直轴电流给定值

交轴电流给定值

和调磁脉冲电流给定值

的分配策略为：

式中，p表示电机极对数，T_e为电磁转矩；

情况二：若转速给定n^*位于(0,n₁]，变化后转速给定n^**位于(n_(j-1),n_j]，这里2≤j≤k，转速方向设定为-1，变化后转速给定n**对应的永磁磁链ψ_pm(i_fj)^**，此时，直轴电流给定值

交轴电流给定值

和调磁脉冲给定值

的分配策略为：

式中，M_f表示电枢绕组和励磁绕组互感，F₁(ψ_pm(i_fj))的计算为：

情况三：若转速给定n^*位于(n_(j-1),n_j]，这里2≤j≤k，变化后转速给定n^**位于(0,n₁]，转速方向设定为1，变化后转速给定n**对应的永磁磁链ψ_pm(i_f1)^**，此时，直轴电流给定值

交轴电流给定值

和调磁脉冲给定值

的分配策略为：

式中，i_f1为饱和充磁时的脉冲电流；

情况四：若转速给定n^*位于(n_(j-1),n_j]，这里2＜j≤k，变化后转速给定n^**位于n^*的左侧速度区间，转速方向设定为1，变化后转速给定n**对应的永磁磁链ψ_pm(i_f(j-1))^**，此时，直轴电流给定值

交轴电流给定值

和调磁脉冲给定值

的分配策略为：

式中，F₂(ψ_pm(i_fj))的计算为：

情况五：若转速给定n^*位于(n_(j-1),n_j]，这里2＜j≤k，变化后转速给定n^**位于n^*所在的速度区间，转速方向设定为0，变化后转速给定n**对应的永磁磁链ψ_pm(i_fj)^**时，直轴电流给定值

交轴电流给定值

和调磁脉冲给定值

的分配策略为：

情况七：若初始转速给定n^*位于(n_(j-1),n_j]，这里2≤j＜k，变化后转速给定n^**位于n^*的右侧速度区间，转速方向设定为-1，变化后转速给定n**对应的永磁磁链ψ_pm(i_f(j+1))^**时，此时，直轴电流给定值

交轴电流给定值

和调磁脉冲给定值

的分配策略为：

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