CN102324882B - 混合励磁同步电动机宽调速***中的电流分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合励磁同步电动机宽调速***及电流分配方法，对电枢驱动和励磁驱动同时施加了控制策略。当电机处于启动阶段时，通过给励磁绕组施加额定的正向增磁电流，可提高电机的启动转矩，使电机在不过流的情况下获得超过额定转矩的电磁转矩，缩短了电机启动的过渡时间；当电机处于低速运行区间时，如果电机负载超过额定负载，通过施加正向增磁电流提升电机的电磁转矩，使电机在不过流、不过热的情况下，获得超额负载能力；当需要电机高速运行时，通过给HESM施加一个合适的反向励磁电流与d轴电枢电流进行弱磁调节，可以获得一个远高于额定转速的恒功率运行区间。

Description

混合励磁同步电动机宽调速***中的电流分配方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，具体地说是涉及一种混合励磁同步电动机(HESM)的控制***，并在该控制***中对电流如何分配提出了方法。

背景技术

HESM是在永磁同步电机和电励磁同步电机的基础上发展起来的，内部包含永磁体磁势和电励磁磁势两个磁势源。永磁体产生的磁势为主磁势，励磁绕组产生的磁势为辅助磁势。因此这种电机既具有永磁同步电机效率高、转矩/质量比大的特点，同时又具有电励磁同步电机调磁方便、调磁容量大的优点，使电机具备很宽的调速范围，具有较大的推广应用价值。

近年来，国内外学者、专家对这类电机理论研究及本体设计做了大量研究工作，取得了很多有意义的成果。国内已经有不少关于混合励磁电机的专利。如专利号为200510040938.7的专利“混合励磁无刷爪极电动机”、专利号为200510112091.9的专利“双馈电混合励磁轴向磁场永磁电机”、专利号为200510112090.4的专利“旁路式混合励磁电机”等介绍不同混合励磁电机结构、功能及调磁特性。但是，对该类电机的驱动***研究相对较少。目前已有的文献大多是从控制理论，动态仿真的角度来进行研究，没有从软件和硬件设计两个方面***给出完整的基于矢量控制的最优效率控制方案，国内也尚未见到有关HESM控制***设计的专利公开。

HESM的控制和永磁同步电机相比，多了一个控制变量，是个典型的多变量、强耦合的非线性***。HESM的启动与永磁同步电机一样，需要确定电机转子的初始位置。如何采用简单有效的方式解决电机的启动问题，如何协调控制电枢电流与励磁电流的合理分配，以及采用何种方式对HESM进行解耦控制，是解决HESM控制的几个关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够协调控制电枢电流与励磁电流的混合励磁同步电动机宽调速***，并相应地提出了一种电流分配方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种混合励磁同步电动机宽调速***中电流分配器的电流分配方法，该***从HESM电机主电路中采集相电流i_A，i_B和励磁电流i_f，从HESM电机上采集的实测转速n_r；

所述的相电流经过A/D转换模块处理后，依次在Clarke模块和Park模块中进行Clarke变换和Park变换，得到两相旋转直角坐标系下的d轴电流i_d和q轴电流i_q；所述的实测转速n_r与给定转速n_ref进行比较，比较值在速度控制器中进行PID运算，得到转矩参考电流i_tref，转矩参考电流i_tref与给定转速n_ref和实测转速n_r送入电流分配器中，电流分配器对电枢转矩电流和励磁电流进行合理分配，最终输出d轴参考电流i_dref、q轴参考电流i_qref和励磁参考电流i_fref；

其中，d轴参考电流i_dref和q轴参考电流i_qref分别与d轴电流i_d和q轴电流i_q进行比较，并将比较值分别送入电流控制器中进行PID运算，得到d轴电压u_d和q轴电压u_q，d轴电压u_d和q轴电压u_q在Ipark模块中经过Ipark变换，得到静止两相坐标系下的电压信号，该电压信号传递到SVPWM模块中经过空间电压矢量变换后，输出PWM1～6的占空比信号至PWM1～6EVA模块中，通过该PWM1～6EVA模块产生的PWM信号控制电枢驱动模块相应功率管的导通与关断；

从HESM电机主电路中采集的励磁电流i_f经过A/D转换模块处理后，送入励磁电流PWM产生模块；同时，电流分配器输出的励磁参考电流i_fref也传递到励磁电流PWM产生模块中；该励磁电流PWM产生模块计算得到PWM7～10信号的占空比，该占空比值传递到PWM7～10EVB模块中进行处理，得到励磁驱动模块的PWM控制信号，该PWM控制信号送至励磁驱动模块中。

其中，电流分配器的电流分配方法，它根据HESM电机所处的速度区域，分别采用不同的控制策略，使HESM电机在各区域均能保持效率最优的运行状态：

(1)低速区控制：该区域中n_r≤n_N，其中为n_r实测转速，n_N为额定转速，n_Binc为增磁基速，I_Tmax为转矩电流最大参考值，

$n_{\mathrm{Binc}}=\frac{{30P}_N}{\mathrm{\π}{T}_{\max }}=\frac{{20P}_N}{\mathrm{\π}{\mathrm{pI}}_{\mathrm{qN}}({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{pm}}+M_{\mathrm{sf}}{I}_{\mathrm{fN}})}$

$I_{T\max }=\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{qN}}(1+I_{\mathrm{fN}}\frac{M_{\mathrm{sf}}}{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}}),n_r\&le;n_{\mathrm{Binc}}\\ I_{\mathrm{qN}}(1+I_{\mathrm{fN}}\frac{M_{\mathrm{sf}}}{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}})\frac{n_{\mathrm{Binc}}}{n_r},n_{\mathrm{Binc}}<n_r\&le;n_N\end{array}\right.,$

其中，P_n为额定转速的功率，T_max为电机输出最大参考转矩，ψ_pm为永磁磁链，M_sf为电枢与励磁绕组之间的互感，I_qN为q轴额定电流，p为电机的极对数，I_fN为额定励磁电流；

(2)中速区控制：该区域中n_N＜n_r≤nBdec，其中，n_Bdec为弱磁基速，则i_fref＝0，i_dref＝0， $i_{\mathrm{qref}}=i_{\mathrm{tref}}\&le;I_{\mathrm{qN}}\frac{n_N}{n_r};$

(3)高速区控制：该区域中n_r＞n_Bdec，将该区域进一步细分为两个子区：

I)子区I：n_Bdec＜n_r≤n_Bdec2，其中，子区II的弱磁基速，则

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{fref}}=(\frac{n_{\mathrm{Bdec}}}{n_r}-1)\frac{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}}{M_{\mathrm{sf}}}\\ i_{\mathrm{dref}}=0\\ i_{\mathrm{qref}}=i_{\mathrm{tref}}\&le;I_{\mathrm{qN}}\frac{n_N}{n_{\mathrm{Bdec}}}\end{array}\right.;$

II)子区II：n_r＞n_Bdec2，则 $\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{fref}}=-I_{\mathrm{fN}}\\ i_{\mathrm{dref}}=\frac{1}{L_d}\left[{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}(\frac{n_{\mathrm{Bdec}}}{n_r}-1){+M}_{\mathrm{sf}}{I}_{\mathrm{fN}}\right]\\ i_{\mathrm{qref}}=i_{\mathrm{tref}}\end{array}\right.,$ L_d为d轴电感，其中n_Bdec2为子区I与子区II的转折速度，具体定义为

采用上述技术方案的本发明，对电枢驱动和励磁驱动同时施加了控制策略。当电机处于启动阶段时，通过给励磁绕组施加额定的正向增磁电流，可提高电机的启动转矩，使电机在不过流的情况下获得超过额定转矩的电磁转矩，缩短了电机启动的过渡时间；当电机处于低速运行区间时，如果电机负载超过额定负载，通过施加正向增磁电流提升电机的电磁转矩，使电机在不过流、不过热的情况下，获得超额负载能力；当需要电机高速运行时，通过给HESM施加一个合适的反向励磁电流与d轴电枢电流进行弱磁调节，可以获得一个远高于额定转速的恒功率运行区间。综上所述，本发明的HESM控制***，通过实时调节电机励磁电流与d轴电枢电流的大小和方向，不仅有效缩短了电机启动时间，提高了低速区间的负载能力，而且大大提高了电机转速范围，是一种具有广泛工程应用价值的宽调速***。

附图说明

图1为所述的HESM宽调速***框图。

图2为所述的电流分配器结构框图。

图3为所述的单片机控制主程序流程图。

图4为所述单片机按键控制子程序流程图。

图5为所述的DSP控制主程序流程图。

图6为所述产生PWM脉冲的中断子程序流程图。

图7为所述HESM启动过程实验电流波形。

图8为所述的HESM弱磁运行稳态电流实验波形。

图9为所述的HESM在不同转速下的最大输出转矩实验结果。

图10为所述的HESM在不同转速下最大输出功率实验。

具体实施方式

如图1所示为HESM控制***框图，电机的控制板是一个基于DSP+MCU架构的控制电路，被控电机为HESM电机4，电机内安装带磁极定位信号的增量式光电编码器6，它与HESM的转子同轴安装。

主电路42主要包括整流电路2、滤波电路43、电枢驱动模块3、励磁驱动模块7等。主电路的工作原理如下：交流电源1输出的220V通过接线端进入驱动板，首先通过整流电路2进行整流，整流电路2高压输出端连接到限流电阻与继电器并联的限流电路5上，限流电阻另一端与滤波电容43的“+”极相连，滤波电容的“-，，极连接整流电路2的低压输出端。滤波电容两端还并联了一个霍尔电压传感器，用来对母线电压进行检测。经过整流滤波后得到的直流电压输入到两个驱动模块中，为两个驱动模块提供直流电源，这两个驱动模块分别是电枢驱动模块3和励磁驱动模块7；其中电枢驱动模块3的3个输出端连接到电机的电枢绕组的三个输入端，电枢驱动模块3的PWM控制信号由DSP16的PWM1～6EVA模块17产生输出的PWM1～6信号控制。励磁驱动模块7的输出端连接到电机的励磁绕组上，励磁驱动模块7的PWM控制信号由DSP16的PWM7～10EVB模块19中产生的PWM7～10信号控制。

本发明混合励磁同步电动机宽调速***的具体结构如下：它从HESM电机主电路中采集相电流i_A，i_B和励磁电流i_f，从HESM电机上采集的实测转速n。

当电机转子的初始位置确定时，由光电编码器6采集到的数据即为转子的实测转速n，这是一种理想状态。通常情况下均需要确定转子的初始位置：光电编码器6与HESM电机4的转子同轴安装，它随转子转动时输出两组六路脉冲信号，该脉冲信号经过编码器信号处理电路15处理后输出，其中一组脉冲信号是相位相差60电角度脉冲信号U，V，W，各脉冲宽度为180电角度，这组信号在电机启动时用于转子磁极粗略定位，输入到QEP2单元51，QEP2单元51根据捕捉到的UVW值，采用方波控制对应的两相电枢绕组导通，使电机转动；电机在转过小于或等于一周的时间内，会捕捉到一个复位脉冲信号，捕捉到复位脉冲之后，电机转子的初始位置也就确定了，电机的运行状态就从方波控制方式跳出，进入矢量控制模式。光电编码器输出另一组脉冲信号包含上述的复位信号和两路正交编码脉冲信号，这一组信号被送入QEP1单元22，QEP1单元22对正交编码脉冲信号进行计数，计数值传递给转子位置计算单元25，实时算出电机转子的准确位置；同时QEP1单元22的计数值还传递到转速计算单元40，实时计算出电机的转速n。

同时，三个霍尔电流传感器45，46对电机相电流和励磁电流进行测量，得到的测量值为模拟电压，分别经过相电流处理电路13和励磁电流处理电路14进行滤波、电压偏置及过压保护等处理，送入DSP16的A/D转换及校正模块21进行模数转换，然后进行数据校正和数字滤波，最后得到数字电压U_d、相电流i_A，i_B和励磁电流i_f。

从A/D转换及校正模块21输出的相电流i_A，i_B，经过Clarke变换模块23、Park变换模块26，得到两相旋转直角坐标系下的d轴电流i_d和q轴电流i_q。

从转速计算模块40得到的实测转速n，与给定转速n_ref相比较，比较值送入到速度控制器32中进行PID运算，得到转矩参考电流i_tref，转矩参考电流i_tref与给定转速n_ref和实测转速n送入电流分配器31中，电流分配器31对电枢转矩电流和励磁电流进行合理分配，输出d轴参考电流i_dref、q轴参考电流i_qref和励磁参考电流i_fref。其中，d轴参考电流i_dref和q轴参考电流i_qref分别与d轴电流i_d和q轴电流i_q进行比较，并将比较值分别送入电流控制器29，30中进行PID运算，得到d轴电压u_d和q轴电压u_q，d轴电压u_d和q轴电压u_q在Ipark模块28中经过Ipark变换，得到静止两相坐标系下的电压信号u_α，u_β，该电压信号u_α，u_β传递到SVPWM模块27中经过空间电压矢量变换后，输出PWM1～6的占空比信号，该信号传递到DSP的PWM1～6EVA模块17中，由该模块产生的PWM信号经过电平转换与隔离电路I10的处理后，控制电枢驱动模块3相应功率管的导通与关断。励磁电流i_fref值传递到励磁电流PWM产生模块39，该模块计算得到PWM7～10信号的占空比，该占空比值传递到PWM7～10EVB模块19中进行处理，得到励磁驱动模块7的PWM控制信号，该PWM控制信号经过电平转换与隔离电路II11的处理后，控制励磁驱动模块7，从而使HESM电机4工作在增磁、弱磁或无励磁的三种工作状态之一。

为保证整个***的正常工作，本发明还设计了一系列的保护措施，它包括：(1)从A/D转换模块输出的相电流i_A，i_B和励磁电流i_f送入过流保护模块24中，与设定的电流值比较；如果电机产生过流或过压现象，则输出故障信号至封锁驱动模块18，封锁电枢驱动模块3和励磁驱动模块7，关闭电机。(2)电枢驱动模块3和励磁驱动模块7均与故障检测报警电路12相连接，当电枢驱动模块3和励磁驱动模块7中的任意一个发生故障时，该故障检测报警电路12输出驱动信号至封锁驱动模块18，封锁电枢驱动模块3和励磁驱动模块7，同时关闭电机。(3)母线电压信号检测装置44经测量得到电压信号后，通过母线电压处理电路8做信号调理，送入A/D转换及校正模块21，A/D转换及校正模块21将经过调理的母线电压信号进行A/D转换、数字滤波及校正处理，然后送入过流过压保护模块24，如发生过压，将故障信号送入封锁驱动模块18，关闭电枢驱动模块3和励磁驱动模块7。(4)在电枢驱动模块3和励磁驱动模块7的电源开关闭合上电过程中，当滤波电容43两端电压低于设定电压时，通过上电限流控制电路9控制上电限流保护模块5的继电器断开，电源通过与继电器并联的电阻对电容充电直至设定电压，然后继电器闭合，将电阻旁路。

HESM驱动***的控制与显示模块41主要包括以下各部分电路：模拟转速输入电路47和单片机37，单片机的输入端连接键盘35和编码电路50，其输出端连接显示模块38，还包括用于DSP16与单片机37进行通信的双口RAM36。

其中，模拟转速输入电路47是一个可调精密电位器，电位器输出电压在0～3V之间，该电压信号经过滤波电路进入DSP中，在DSP的A/D转换模块中将模拟电压信号转换为数字信号，经过数字滤波及将电压信号转换为速度信号的相关计算，最终将电压信号与给定转速信号对应起来。在本发明的驱动***设计中，1mV电压对应2rpm，模拟转速输入范围最高约6000rpm。

键盘35用来输入各种操作命令，如电机启动、停止、正转和反转，通过按键设置电机的运行转速、切换液晶显示的各个菜单选项等。某个按键被按下后，按键信号通过编码电路50进行编码，然后输入到单片机37中，单片机根据程序指令进行相应的操作，或把数据发送到显示模块38上进行显示，或把数据保存到双口RAM36中，以便DSP进行读取执行相关操作。控制器运行过程中，DSP把一些运行参数如模拟给定转速信号、实测转速信号、电压信号和电流信号等数字量存放在双口RAM36中，单片机通过扫描的方式读取保存在各地址中的数值，执行相关操作。

如图2所示，电流分配器31是HESM的DSP控制程序中的一个核心功能模块，该模块在基于磁场定向与分区控制基础上，根据电机所处的速度区域，

分别采用不同的控制策略，使电机在各区域都能保持效率最优的运行状态。具体的电流分配方法如下：由于HESM类似于永磁同步电机，以额定转速n_N和弱磁基速n_Bdec划分，可以把HESM的运行区域分为3个区域来进行分区控制，区域I(n_r≤n_N)为额定转速以下低速运行区域，该区域实施增磁或无励磁控制方式，电机可以在负载转矩超额状态下运行；区域II(n_N＜n_r≤n_Bdec)为额定转速与弱磁基速之间的中速运行区，实施恒功率无励磁电流控制方式，通过提高电枢电压来增速；区域III(n_r＞n_Bdec)为弱磁基速以上的高速运行区，该区域在保持电机反电势恒定的情况下，通过电流分配器对励磁电流和d轴电流进行合理分配，可扩展恒功率区和提升电机的最高转速。

下面进一步分析电机的分区控制原理，不失一般性，对于普通的HESM，根据矢量控制原理，采用d-q轴坐标系，可得到HESM的几个基本方程。

电路方程：

$\left[\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\\ u_f\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{R}_s+{\mathrm{sL}}_d& -{\mathrm{\&omega;}}_e{L}_q& {\mathrm{sM}}_{\mathrm{sf}}\\ {\mathrm{\&omega;}}_e{L}_d& R_s+{\mathrm{sL}}_q& {\mathrm{\&omega;}}_e{M}_{\mathrm{sf}}\\ {\mathrm{sM}}_{\mathrm{sf}}& 0& R_f+{\mathrm{sL}}_f\end{array}\right]\&times;\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\\ i_f\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ {\mathrm{\&omega;}}_e\\ 0\end{array}{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}\right]---\left(1\right)$

转矩方程：

$T_e=\frac{3}{2}p(i_q{\mathrm{\&psi;}}_d-i_d{\mathrm{\&psi;}}_q)---\left(2\right)$

$=\frac{3}{2}p[i_a{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}{+i}_d{i}_q(L_d-L_q)+M_{\mathrm{sf}}{i}_f{i}_q]$

功率方程：

$P_{\mathrm{in}}=P_s+P_f$

$=\frac{3}{2}(u_d{i}_d+u_q{i}_q)+u_f{i}_f$

$=\frac{3}{2}{\mathrm{\&omega;}}_e(i_q{\mathrm{\&psi;}}_d-i_d{\mathrm{\&psi;}}_q)+\frac{3}{2}({\mathrm{s\&psi;}}_d{i}_d+{\mathrm{s\&psi;}}_q{i}_q)+[\frac{3}{2}{R}_s(i_d^2+i_q^2)+R_f{i}_f^2]---\left(3\right)$

$P_e=T_e{\mathrm{\&omega;}}_r$

$=\frac{3}{2}{\mathrm{p\&omega;}}_r[i_q{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}{+i}_d{i}_q(L_d-L_q)+M_{\mathrm{sf}}{i}_f{i}_q]$

上式中，输入功率方程第一项为电磁功率，等于P_e，第二项为磁场储能的变化量，第三项为电机铜耗，包括励磁损耗。

反电势方程

E_d＝ω_eL_qi_q

E_q＝ω_e(ψ_pm+i_dL_d+i_fM_sf)           (4)

在式(1)～(4)中，各符号的含义如下：s为微分算子；u_d、u_q、i_d、i_q分别为电枢d、q轴电压和电流分量0ψ_d、ψ_q、ψ_pm分别为d、q轴磁链与永磁磁链；u_f、i_f分别为励磁电压与电流；R_s、R_f分别为电枢绕组电阻和励磁绕组电阻；L_d、L_q、M_sf分别为电枢d、q轴电感及电枢与励磁绕组之间的互感；L_s、L_f分别为电枢和励磁绕组电感；ω_e、ω_r分别为电角速度和机械角速度；p为电机的极对数；T_e为电磁转矩；P_s、P_f分别为电枢绕组输入功率和励磁绕组输入功率；P_in为输入功率；E_d、E_q分别为反电势的d、q轴分量。

基于以上4个基本方程，下面详细介绍图2所示电流分配模块的分区控制原理：

1.低速区控制(n_r≤n_N)

根据HESM的电磁特性，如无励磁电流调速，速度控制器输出的参考转矩电流i_tref就是电枢电流的转矩分量i_qref，此时HESM就等效于PMSM，可采用i_d＝0的矢量控制方法。因此，由HESM的转矩方程(2)及转矩平衡关系，可得到电磁转矩参考值：

$T_e^{*}=\frac{3}{2}P({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}+M_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{fref}})i_{\mathrm{qref}}=\frac{3}{2}P{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}{i}_{\mathrm{tref}}---\left(5\right)$

式中，i_fref为励磁电流参考值。当增磁励磁电流与q轴电流分别取额定值I_fN、I_qN时，电机输出最大参考转矩：

$T_{\max }=\frac{3}{2}P({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}+M_{\mathrm{sf}}{I}_{\mathrm{fN}})I_{\mathrm{qN}}---\left(6\right)$

由式(5)可得到电流基本分配关系：

$i_{\mathrm{qref}}=\frac{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}{i}_{\mathrm{tref}}}{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}+M_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{fref}}}---\left(7\right)$

式中，i_qref和i_fref都是未知的，为使HESM获得最优效率，这里以电机铜耗最小作为另一个约束条件，来求解这两个电流值。

在功率方程(3)中，忽略电机磁滞和涡流损耗，仅考虑铜耗，且i_d＝0时有：

$P_{\mathrm{cu}}=\frac{3}{2}{R}_s(i_d^2+i_q^2)+R_f{i}_f^2=\frac{3}{2}{R}_s{i}_q^2+R_f{i}_f^2---\left(8\right)$

在负载转矩一定的情况下，采用拉格朗日乘数法求P_cu的最小值。结合式(5)、(8)，并令i_q＝i_qref、i_f＝i_fref，得到拉格朗日函数：

$L(i_q,i_f,\mathrm{\&lambda;})=P_{\mathrm{cu}}+\mathrm{\&lambda;}[\frac{3}{2}P({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}+M_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{fref}})i_{\mathrm{qref}}-\frac{3}{2}{\mathrm{P\&psi;}}_{\mathrm{pm}}{i}_{\mathrm{tref}}]---\left(9\right)$

对上式分别求i_qref、i_fref的偏导数，并令其为0，消去λ，可得铜耗最小时i_qref与i_fref的关系式：

${2R}_f{i}_{\mathrm{fref}}({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}+M_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{fref}})-{3R}_s{M}_{\mathrm{sf}}{i}_{\mathrm{qref}}^2=0---\left(10\right)$

将式(7)代入式(10)，整理得：

${2R}_f{M}_{\mathrm{sf}}^3{i}_{\mathrm{fref}}^4+{6R}_f{M}_{\mathrm{sf}}^2{\text{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}{i}_{\mathrm{fref}}^3+{6R}_f{M}_{\mathrm{sf}}{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}^2{i}_{\mathrm{fref}}^2+{2R}_f{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}^3{i}_{\mathrm{fref}}-{3R}_s{M}_{\mathrm{sf}}{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}^2{i}_{\mathrm{tref}}^2=0---\left(11\right)$

方程组(11)的第一个方程是个一元四次方程，难以直接计算，采用迭代法求解，令：

$F\left(i_{\mathrm{fref}}\right)=2R_f{M}_{\mathrm{sf}}^3{i}_{\mathrm{fref}}^4+{6R}_f{M}_{\mathrm{sf}}^2{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}{i}_{\mathrm{fref}}^3+{6R}_f{M}_{\mathrm{sf}}{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}^2{i}_{\mathrm{fref}}^2+{2R}_f{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}^3{i}_{\mathrm{fref}}-{3R}_s{M}_{\mathrm{sf}}{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}^2{i}_{\mathrm{tref}}^2---\left(12\right)$

式中，令x_n＝i_fref， $k_4={2R}_f{M}_{\mathrm{sf}}^3,$ $k_3=6R_f{M}_{\mathrm{sf}}^2{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}},$ $k_2=6R_f{M}_{\mathrm{sf}}{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}^2,$ $k_1={2R}_f{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}^3,$ $g=i_{\mathrm{tref}}^2,$ $k_0={3R}_s{M}_{\mathrm{sf}}{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}^2,$ 整理可得：

$F\left(x_n\right)=k_4{x}_n^4+k_3{x}_n^3+k_2{x}_n^2+k_1{x}_n^1-k_{0}g---\left(13\right)$

将式(13)两边对x_n求导：

$F\&prime;\left(x_n\right)=4k_4{x}_n^3+{3k}_3{x}_n^2+{2k}_2{x}_n+k_1---\left(14\right)$

显然，当x_n＞0时，F′(x_n)＞0。因此式(13)在x_n＞0时是单调递增的，由电机特性可知方程F(x_n)＝0在0到额定值I_fN之间有唯一解，可采用如下式(15)具有3阶收敛速度的两步牛顿迭代法求F(x_n)＝0的解x_n：

$z_n=x_n-\frac{F\left(x_n\right)}{F\&prime;\left(x_n\right)}---\left(15\right)$

$x_{n+1}=z_n-\frac{F\left(z_n\right)}{F\&prime;\left(x_n\right)}$

x_n的初值可设置为0至额定励磁电流I_fN之间的任何值，为保证电机在任何运行状态下都能较快的求出x_n的值，可设定x_n的初值为I_fN/2，以后每次迭代运算的初值采用上一次的计算值。将电机各参数代入式(12)～(15)，仿真和实验证明，x_n的初值即使在取极值的最坏情况下，也只需要执行4次迭代运算，就可以得到x_n误差小于1％的近似解。因此使用一般DSP来控制HESM，实时性完全可以满足要求。

在以上电流分配运算过程中，由于整个区域转速较低，增磁运行不会导致反电势过高，不需考虑电压极限环的限制。但是当电机速度超过增磁基速n_Binc时，为防止电机过载，应限制转矩电流参考值，结合式(3)、(6)可得n_Binc与转矩电流最大参考值I_Tmax：

$n_{\mathrm{Binc}}=\frac{{30P}_N}{{\mathrm{\&pi;T}}_{\max }}=\frac{{20P}_N}{{\mathrm{\&pi;pI}}_{\mathrm{qN}}({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}+M_{\mathrm{sf}}{I}_{\mathrm{fN}})}$

$I_{T\max }=\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{qN}}(1+I_{\mathrm{fN}}\frac{M_{\mathrm{sf}}}{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}}),n_r\&le;n_{\mathrm{Binc}}\\ I_{\mathrm{qN}}(1+I_{\mathrm{fN}}\frac{M_{\mathrm{sf}}}{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}})\frac{n_{\mathrm{Binc}}}{n_r},n_{\mathrm{Binc}}<n_r\&le;n_N\end{array}---\left(12\right)\right.$

2.中速区控制(n_N＜n_r≤n_Bdec)

由式(4)可知，当i_d＝i_f＝0时，HESM的n_r与E_q成线性关系。因此无励磁的电机最高转速n_max与直流母线电压U_dc也为线性关系，弱磁基速n_Bdec受n_max限制，其值可由下式得到：

n_max＝k_vU_dc+N₀                                   (13)

n_Bdec＝k_bn_max

式中，对于本文的实验样机，最高转速电压比系数k_v＝5.69，偏置值N₀＝-13。为保证电机弱磁运行时有一定的转矩输出能力，弱磁基速系数k_b的值可设为0.8～0.95之间，本发明令k_b＝0.85。

该区域的电流分配策略比较简单，只需保持i_dref＝0，i_fref＝0，把HESM当作普通PMSM来进行控制即可，因此，可得各电流参考值：

$i_{\mathrm{fref}}=0,i_{\mathrm{dref}}=0,i_{\mathrm{qref}}=i_{\mathrm{tref}}\&le;I_{\mathrm{qN}}\frac{n_N}{n_r}---\left(14\right)$

3.高速区控制(n_r＞n_Bdec)：

该区为弱磁控制区，可进一步细划为两个子区i和ii，分别采用不同的控制策略，有效扩展电机的恒功率调速范围。子区I(n_Bdec＜n_r≤n_Bdec2，n_Bdec2为子区ii弱磁基速)为励磁电流调速区，该子区仅采用励磁电流弱磁调速，最大弱磁电流为-I_fN；子区II(n_r＞n_Bdec2)保持励磁电流为-I_fN，调节d轴电流调速。下面进一步分析这两个子区的控制策略。

(1)子区I(n_Bdec＜n_r≤n_Bdec2)

当电机转速达到n_Bdec时，其反电势接近母线电压，采用保持反电势q轴分量恒定的控制策略，反电势基值E_base可由下式得到：

E_base＝pn_Bdecψ_pmπ/30                        (15)

结合式(4)、(15)，令i_d＝0，可得：

$i_{\mathrm{fref}}=\frac{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}}{M_{\mathrm{sf}}}(\frac{n_{\mathrm{Bdec}}}{n_r}-1)---\left(16\right)$

由此可得电流分配策略如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{fref}}=(\frac{n_{\mathrm{Bdec}}}{n_r}-1)\frac{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}}{M_{\mathrm{sf}}}\\ i_{\mathrm{dref}}=0\\ i_{\mathrm{qref}}=i_{\mathrm{tref}}\&le;I_{\mathrm{qN}}\frac{n_N}{n_{\mathrm{Bdec}}}\end{array}\right.---\left(17\right)$

(2)子区II(n_r＞n_Bdec2)

当电机转速达到n_Bdec2时，弱磁励磁电流i_fref＝-I_fN，此时励磁电流产生的磁场趋于饱和，进一步增加反向励磁电流，弱磁效果有限，如需继续提速，应保持i_fref不变，调节d轴电流，由式(17)，当i_fref＝-I_fN时，可得到n_Bdec2：

$n_{\mathrm{Bdec}2}=\frac{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}{n}_{\mathrm{Bdec}}}{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}-I_{\mathrm{fN}}{M}_{\mathrm{sf}}}---\left(18\right)$

由式(4)，得反电势q轴分量：

E_bq＝pn_r(ψ_pm-I_fNM_sf+i_drefL_d)π/30                    (19)

结合式(15)、(19)，令E_bq＝E_base，可得到电流分配关系：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{fref}}=-I_{\mathrm{fN}}\\ i_{\mathrm{dref}}=\frac{1}{L_d}[{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{pm}}(\frac{n_{\mathrm{Bdec}}}{n_r}-1)+M_{\mathrm{sf}}{I}_{\mathrm{fN}}]\\ i_{\mathrm{qref}}=i_{\mathrm{tref}}\end{array}\right.---\left(20\right)$

如图3、4所示，为液晶显示主程序和按键控制程序流程图，液晶显示和按键控制程序为单片机程序，采用的单片机型号是AT89C55WD，控制板上电后，通过按键操作，可以通过按键设定电机转速，也可以通过精密可调电位器设置电机转速，通过按键切换各菜单，还可以查看其它电机运行参数如母线电压，电枢电流，励磁电流等。

如图5所示为DSP控制程序主程序，其原理如下：控制板上电后，首先执行DSP的初始化程序，等待电机启动命令；当程序检测到电机启动命令“start_flag”的值由“0xaa”变成“0x55”之后，根据光电编码盘输出的3路UVW磁极定位信号(这3路脉冲信号是通过DSP的管脚CAP4～6捕捉得到的)，由UVW对应的二进制数值，采用一次导通2相、每相导通角为1200的控制方式令电机旋转，电机进入无刷直流电机运行方式，在等待编码盘的复位脉冲信号“Z”信号出现之前，电机一直保持这样一种运行模式。在HESM旋转小于或等于一周的时间里，DSP的“CAP3””引脚将捕捉到一个宽度为正交编码脉冲信号周期的低电平脉冲，程序将复位标识“qep1.index_sync_flag”的值置为“0xf0”，然后跳出无刷直流电机运行模式，禁止CAP4～6的捕捉中断，使能DSP事件管理器A的定时器T1的下溢中断，HESM就进入矢量控制运行模式。在程序进入矢量控制运行模式后，程序将不断扫描双口RAM的相应地址，对这些地址进行读写操作，完成DSP与单片机之间的数据通信。

如图6所示为DSP的定时器T1中断子程序(T1的中断周期为0.1ms)，该程序用来完成电枢驱动和励磁驱动的PWM信号的占空比计算，在该程序中，主要包括以下子程序：速度PID运算、电流分配子程序、电流CLARKE变换、PARK与IPARK变换、电流PID运算、SVPWM子程序等。

如图7所示为负载1Nm时HESM的启动电流波形(励磁电流与检测电压对应关系为1A/1.5V，电路设计中加了1.5V偏置电压，故检测到1.5V时对应励磁电流为0A)，HESM的给定转速为2000rpm，大于电机的弱磁基速(1400rpm)。为提高电机的启动转矩，考虑到励磁绕组电感较大，启动电机前0.5s给HESM施加一个正向额定励磁电流增磁，随着电机转速升高励磁电流减小，当转速达到nBdec后，开始弱磁调速，励磁电流与电枢A相电流波形如图5所示。

如图8所示，为HESM弱磁运行稳态电流实验波形，电机转速为2000rpm，励磁电流if为-1A，A相电流为正弦波，幅值1.6A，因负载较轻，电枢电流的主要分量为d轴弱磁电流id，相电流波形比较平滑，谐波较小。

如图9所示，为HESM是否施加励磁电流调磁运行情况下的转速与对应最大输出转矩的实验结果。图中转矩与转速关系波形可分为三个区域：区域I为增磁调速区，如无励磁电流，HESM输出的最大转矩为9Nm，当施加励磁电流进行增磁运行时，最大转矩达到12Nm。区域II为无励磁调速区，电机最大输出转矩随转速线性下降。第III区域为弱磁调速区，输出转矩为0～5Nm，当无励磁电流参与调速时，采用id＝0的矢量控制，HESM的特性接近于普通PMSM，转矩输出能力迅速下降，电机的最高转速为1600rpm；而励磁电流参与弱磁调速后，负载0.5Nm时最高转速达到4700rpm。该实验结果表明，HESM具有低速大转矩和宽调速特性。

如图10所示，给出HESM有、无励磁电流参与调速下的转速与最大输出功率实验结果。无励磁调速时，恒功率区对应转速为700rpm～1300rpm，转速超过1300rpm后，输出功率迅速下降，转速达到1600rpm后，基本已无转矩和功率输出能力。当施加励磁电流时，由于其增磁和弱磁作用，恒功率区扩大至450rpm～1600rpm，转速超过1600rpm后，虽然不能保持恒功率，但输出功率下降较慢，转速达4000rpm时还能输出约200W功率。该实验结果表明，通过励磁电流的调节作用，有效地提高了HESM在低速和高速运行区的负载能力。

Claims (1)

1.一种混合励磁同步电动机宽调速***中电流分配器的电流分配方法，该***从HESM电机主电路中采集相电流i_A，i_B和励磁电流i_f，从HESM电机上采集的实测转速n_r； 

所述的相电流经过A/D转换模块处理后，依次在Clarke模块和Park模块中进行Clarke变换和Park变换，得到两相旋转直角坐标系下的d轴电流i_d和q轴电流f_q；所述的实测转速n_r与给定转速n_ref进行比较，比较值在速度控制器中进行PID运算，得到转矩参考电流i_tref，转矩参考电流it_ref与给定转速n_ref和实测转速n_r送入电流分配器中，电流分配器对电枢转矩电流和励磁电流进行合理分配，最终输出d轴参考电流i_dref、q轴参考电流i_qref和励磁参考电流i_fref； 

其中，d轴参考电流i_dref和q轴参考电流i_qref分别与d轴电流i_d和q轴电流i_q进行比较，并将比较值分别送入电流控制器中进行PID运算，得到d轴电压u_d和q轴电压u_q，d轴电压u_d和q轴电压u_q在Ipark模块中经过Ipark变换，得到静止两相坐标系下的电压信号，该电压信号传递到SVPWM模块中经过空间电压矢量变换后，输出PWM1～6的占空比信号至PWM1～6EVA模块中，通过该PWM1～6EVA模块产生的PWM信号控制电枢驱动模块相应功率管的导通与关断； 

从HESM电机主电路中采集的励磁电流i_f经过A/D转换模块处理后，送入励磁电流PWM产生模块；同时，电流分配器输出的励磁参考电流i_fref也传递到励磁电流PWM产生模块中；该励磁电流PWM产生模块计算得到PWM7～10信号的占空比，该占空比值传递到PWM7～10EVB模块中进行处理，得到励磁驱动模块的PWM控制信号，该PWM控制信号送至励磁驱动模块中。 

其中，电流分配器的电流分配方法，其特征在于：它根据HESM电机所处的速度区域，分别采用不同的控制策略，使HESM电机在各区域均能保持效率 最优的运行状态： 

(1)低速区控制：该区域中n_r≤n_N，其中为n_r实测转速，n_N为额定转速，n_Binc为增磁基速，I_Tmax为转矩电流最大参考值， 

其中，P_N为额定转速的功率，T_max为电机输出最大参考转矩，ψ_pm为永磁磁链，M_sf为电枢与励磁绕组之间的互感，I_qN为q轴额定电流，p为电机的极对数，I_fN为额定励磁电流； 

(2)中速区控制：该区域中n_N＜n_r≤n_Bdec，其中，n_Bdec为弱磁基速，则i_fref＝0，i_dref＝0，

(3)高速区控制：该区域中n_r＞n_Bdec，将该区域进一步细分为两个子区： 

I)子区I：n_Bdec＜n_r≤n_Bdec2，其中，子区II的弱磁基速，则 

II)子区II：n_r＞n_Bdec2，则

L_d为d轴电感，其中n_Bdec2为子区I与子区II的转折速度，具体定义为

Images