CN104767446B - 一种混合励磁同步电机气隙磁通与电流相量角控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合励磁同步电机气隙磁通与电流相量角控制方法，通过控制d轴电流i_d、q轴电流i_q和励磁电流i_f，保持气隙磁通与电流相量角θ等于90°。电机运行于低速区，根据负载大小控制控制i_d、i_q和i_f使θ等于90°。当负载转矩小于额定转矩时，励磁电流为0，通过控制i_d和i_q使θ等于90°；当负载转矩大于额定转矩时，通过协调i_d、i_q和i_f使θ等于90°。电机运行于高速区时，利用i_d与i_f共同弱磁，通过i_d、i_q和i_f协调控制θ等于90°。混合励磁同步电机气隙磁通与电流相量角控制方法使逆变器的容量得到充分利用，且对定子电压和伏安容量要求较低，特别适用于大功率和大容量调速***。

Description

一种混合励磁同步电机气隙磁通与电流相量角控制方法

技术领域

本发明属于电气传动技术领域，涉及一种气隙磁通与电流相量角控制策略，特别是涉及一种混合励磁同步电机控制方法。

背景技术

混合励磁同步电机是在永磁同步与电励磁同步电机的基础上发展起来的一种宽调速电机，其主要目的是为了解决永磁同步电机气隙磁场难以调节的问题。混合励磁同步电机具有两种励磁源，一种是永磁体，另一种是电励磁，永磁体产生的磁势为主磁势，励磁绕组产生的磁势为辅磁势。这种电机结合了永磁同步与电励磁同步电机的优点，两种励磁源在电机气隙中相互作用产生主磁通，当电励磁线圈通入正向的励磁电流时，产生正向电磁转矩而增大了电机转矩；反之，当电励磁线圈通入反向励磁电流时，则产生反向磁场削弱气隙磁场达到弱磁升速的目的，从而拓宽了电机的调速范围。

目前，国内外对于混合励磁同步电机控制方法及驱动***研究较少，相关资料也不是很多。基于矢量控制，基本可以归为四类，一是i_d＝0控制，二是弱磁控制，三是效率优化控制，四是单位功率因数控制。前三类控制方法的优点是简单方便，恒功率运行范围宽，全运行区域效率高；缺点是功率因数降低，端电压升高等问题。单位功率因数控制虽然提高了控制***的功率因数，但伏安容量要求高，同样对定子电压要求也较高。而国内外对于混合励磁同步电机气隙磁通与电流相量角控制研究基本处于空白状态。

发明内容

技术问题：本发明提出了一种无论混合励磁同步电机运行在低速区还是高速区，都保持气隙磁通与电流相量角等于90°，降低了控制***对定子电压和伏安容量的需求、提高了电网输电效率的混合励磁同步电机气隙磁通与电流相量角控制方法。

技术方案：本发明的混合励磁同步电机气隙磁通与电流相量角控制方法，包括以下步骤：

(1)从电机主电路采集相电流i_a、i_b和励磁电流i_f，对电机进行初始位置检测，从电机编码器上采集信号，送入控制器进行处理，得出转速n和转子位置角θ；

(2)将采集的相电流i_a、i_b经跟随、滤波、偏置和A/D转换，然后进行帕克变换，得到两相旋转坐标系下的定子d轴电流i_d和q轴电流i_q；

(3)用给定转速n^*减去编码器实测转速n，将得到的转速偏差△n输入速度调节器，经比例积分运算后得到转矩参考值将转矩参考值实测转速n和给定转速n^*输入电流分配器，根据转速判断电机运行区间：当实际转速小于额定转速时，则混合励磁同步电机运行于低速区，进入步骤(4)，否则，混合励磁同步电机运行于高速区，进入步骤(5)；

(4)判断负载转矩是否满足T_L≤T_N，其中T_L为负载转矩、T_N为额定转矩；

当T_L≤T_N时，无需增磁控制，i_fref＝0，保持气隙合成磁链与电流相量之间的夹角θ等于90°，根据下列方程组求解计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref，电流分配器按照求解得到的电流分配方案输出电流，然后进入步骤(6)：

当T_L>T_N时，进行增磁控制，根据下列方程组求解计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref，电流分配器按照求解得到的电流分配方案输出电流，然后进入步骤(6)：

其中，ψ_exc＝ψ_m+M_fi_fref，i_dref为d轴电流参考值，i_qref为q轴电流参考值，i_fref为励磁电流参考值；ψ_m为永磁体磁链，p为电机极对数；I_fN为励磁电流额定值，L_d、L_q分别为定子绕组d轴和q轴电感，M_f为电枢绕组与励磁绕组之间的互感，T_eref为电磁转矩参考值；

(5)采用d轴电流i_d和励磁电流i_f同时弱磁，保持气隙合成磁链与电流相量之间的夹角θ等于90°，电流分配器按照如下电流分配方案输出电流，进入步骤(6)：

其中，ω_e为电角速度，U_dc为母线电压；

(6)用电流分配器所产生的d轴电流参考值i_dref减去步骤(2)中的d轴电流i_d得到d轴电流偏差△i_d，用q轴电流参考值i_qref减去步骤(2)中的q轴电流i_q得到q轴电流偏差△i_q，将所述d轴电流偏差△i_d输入d轴电流调节器进行比例积分运算，得到d轴电压u_d，将所述q轴电流偏差△i_q输入q轴电流调节器进行比例积分运算，得到q轴电压u_q，然后对所述d轴电压u_d和q轴电压u_q共同进行旋转正交-静止两相变换后，得到静止两相坐标系下α轴电压u_α和β轴电压u_β，将所述α轴电压u_α和β轴电压u_β输入脉冲宽度调制模块，运算输出6路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；

同时将步骤(1)中采集的励磁电流i_f，经跟随、滤波、偏置与A/D转换后和励磁电流参考值i_fref一起送入直流励磁脉宽调制模块，运算输出4路脉冲宽度调制信号来驱动励磁功率变换器。本发明方法的一种优选方案中，步骤6)中的脉冲宽度调制模块为空间矢量脉冲宽度调制模块。

有益效果：现有混合励磁同步电机的i_d＝0和效率最优控制方法存在诸多缺点，其中之一就是随着负载的增大，电机的功率因数随之减小；单位功率因数控制虽然提高了控制***的功率因数，但同时对定子电压和伏安容量要求较高。本发明通过步骤(4)和步骤(5)的气隙磁通与电流相量角控制方法，使混合励磁同步电机无论运行在低速区还是高速区，都保持气隙磁通与电流相量角等于90°。该控制方法在输出转矩、效率、功率因数等方面的特点和单位功率因数控制比较接近，但对电机电压与伏安容量的要求低了很多，所以本发明相对现有控制方法具有以下优点：

该方法控制***的功率因数约为1，使逆变器得到了充分利用，提高电网的输电效率；

相对于功率因数为1控制，该方法降低了控制***对定子电压的需求；

相对于功率因数为1控制，该方法降低了控制***对伏安容量的需求；

所以混合励磁同步电机气隙磁通与电流相量角控制在大容量、大功率调速***、高速电机领域有一定的应用前景。

附图说明

图1是本发明方法的逻辑流程框图；

图2是本发明方法的***框图；

图3是实现本发明方法的结构框图；

图4是混合励磁同步电机向量图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

图3为实现本发明混合励磁同步电机气隙磁通与电流相量角控制方法的***框图，该控制***由交流电源、整流器、稳压电容、DSP控制器、主功率变换器、辅功率变换器、传感器、混合励磁同步电机、光电编码器等组成。

交流电源给整个***供电，经过整流器整流后，滤波、稳压，送给主、辅功率变换器，霍尔电压传感器采集母线电压，调理后送入控制器。主、辅功率变换器的输出端接混合励磁同步电机，霍尔电流互感器采集相电流和励磁电流，调理后送入控制器，编码器信号采集转速与转子位置信号，处理后送入控制器计算转子位置角与转速。控制器输出10路PWM信号分别驱动主、励磁功率变换器。

本发明的混合励磁同步电机气隙磁通与电流相量角控制控制方法，图3所示，具体包括以下步骤：

(1)三个霍尔电流传感器分别从电机主电路采集相电流i_a、i_b和励磁电流i_f，将采集到的信号经电压跟随、滤波、偏置及过压保护等信号调理后送入控制器，对电机进行准确初始位置检测，从电机编码器上采集信号，处理送入控制器计算得出转速n和转子位置角θ；

(2)将送入控制器的相电流i_a、i_b进行A/D转换，经过三相坐标系到两相旋转坐标系的帕克变换得到两相旋转坐标系下的d轴电流i_d和q轴电流i_q；

(3)用给定转速n^*减去编码器实测转速n，后得到转速偏差△n，转速偏差△n进入速度调节器后得到转矩参考值将转矩参考值实测转速n和给定转速n^*送入电流分配器，判断实际转速是否小于额定转速，如是，电机运行于低速区，进入步骤(4)，否则，电机运行于高速区，进入步骤(5)；

(4)判断负载转矩是否满足T_L≤T_N，T_L为负载转矩、T_N为额定转矩；

下面分析低速区混合励磁同步电机气隙磁通与电流相量角控制原理，根据矢量控制原理，在d-q坐标系中，得出混合励磁同步电机的数学模型。

磁链方程：

电压方程：

电磁转矩方程：

其中，i_d、i_q分别为d轴与q轴电流，I_s为额定电流，i_f为励磁电流；L_d、L_q分别为d轴与q轴电感，M_f为电枢与励磁绕组之间的互感；ω_e为电角速度；ψ_m为永磁体磁链，p为电机极对数，u_d、u_q分别为d轴与q轴的电压，u_f为励磁绕组电压；R_s为电枢绕组电阻，R_f为励磁绕组电阻；ψ_d、ψ_q、ψ_f分别d轴、q轴与励磁绕组磁链；T_e为电磁转矩。

混合励磁同步电机相量图如图4所示，从图中可见，可得如下等式

根据式(4)，电磁转矩T_e可以表示为

其中，θ为气隙合成磁链与电流相量之间的夹角，δ为负载角，β为转矩角，ψ_s为气隙合成磁链，i_s为定子电流矢量。

从式(5)可以看出，控制气隙合成磁链与电流相量之间的夹角θ就可以控制电磁转矩。

该发明控制气隙合成磁链与电流相量角θ＝90°，可得

从而可得

sinβ＝cosδ (7)

当T_L≤T_N时，无需增磁控制，所以励磁电流i_f＝0，保持θ＝90°，得

根据上式计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref为

按照上式进行电流分配，直接进入步骤(6)。

当T_L>T_N时，进行增磁控制，保持θ＝90°，可得

其中，ψ_exc＝ψ_m+M_fi_fref

则根据上式计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref与励磁电流参考值i_fref为

按照上式进行电流分配，直接进入步骤(6)。

(5)采用d轴电流i_d和励磁电流i_f同时弱磁，保持θ＝90°，弱磁计算式忽略d轴反电势，则有

根据上式计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref与励磁电流参考值i_fref为

按照上式进行电流分配，直接进入步骤(6)。

(6)用电流分配器所产生的d轴电流参考值i_dref减去步骤(2)中的d轴电流i_d得到d轴电流偏差△i_d，用q轴电流参考值i_qref减去步骤(2)中的q轴电流i_q得到q轴电流偏差△i_q，将d轴电流偏差△i_d输入d轴电流调节器进行比例积分运算，得到d轴电压u_d，将q轴电流偏差△i_q输入q轴电流调节器进行比例积分运算，得到q轴电压u_q，然后对所述d轴电压u_d和q轴电压u_q共同进行旋转正交-静止两相变换后，得到静止两相坐标系下α轴电压u_α和β轴电压u_β，将所述α轴电压u_α和β轴电压u_β输入脉冲宽度调制模块，运算输出6路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；同时将步骤(1)中采集的励磁电流i_f，经跟随、滤波、偏置与A/D转换后和励磁电流参考值i_fref一起送入直流励磁脉宽调制模块，运算输出4路脉冲宽度调制信号来驱动励磁功率变换器。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种混合励磁同步电机气隙磁通与电流相量角控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)从电机主电路采集相电流i_a、i_b和励磁电流i_f，对电机进行初始位置检测，从电机编码器上采集信号，送入控制器进行处理，得出转速n和转子位置角θ；

(2)将采集的相电流i_a、i_b经跟随、滤波、偏置和A/D转换，然后进行帕克变换，得到两相旋转坐标系下的定子d轴电流i_d和q轴电流i_q；

(3)用给定转速n^*减去编码器实测转速n，将得到的转速偏差△n输入速度调节器，经比例积分运算后得到转矩参考值将转矩参考值实测转速n和给定转速n^*输入电流分配器，根据转速判断电机运行区间：当实际转速小于额定转速时，则混合励磁同步电机运行于低速区，进入步骤(4)，否则，混合励磁同步电机运行于高速区，进入步骤(5)；

(4)判断负载转矩是否满足T_L≤T_N，其中T_L为负载转矩、T_N为额定转矩；

当T_L≤T_N时，无需增磁控制，i_fref＝0，保持气隙合成磁链与电流相量之间的夹角θ等于90°，根据下列方程组求解计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref，电流分配器按照求解得到的电流分配方案输出电流，然后进入步骤(6)：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{dref}=\frac{-{\mathrm{\ψ}}_m-\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_m^2+4L_d{L}_q{i}_{qref}^2}}{2L_d}\\ i_{qref}=\frac{2T_{eref}}{3p\[{\mathrm{\ψ}}_m+\left(L_d-L_q\right)\left(\frac{-{\mathrm{\ψ}}_m-\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_m^2+4L_d{L}_q{i}_{qref}^2}}{2L_d}\right)\]}\\ i_{fref}=0\end{array}\right.$

当T_L>T_N时，进行增磁控制，根据下列方程组求解计算d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref和励磁电流参考值i_fref，电流分配器按照求解得到的电流分配方案输出电流，然后进入步骤(6)：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{dref}=\frac{-{\mathrm{\ψ}}_{exc}-\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{exc}^2+4L_d{L}_q{i}_{qref}^2}}{2L_d}\\ i_{qref}=\frac{2T_{eref}}{3p\[{\mathrm{\ψ}}_{exc}+\left(L_d-L_q\right)\left(\frac{-{\mathrm{\ψ}}_{exc}-\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{exc}^2+4L_d{L}_q{i}_{qref}^2}}{2L_d}\right)\]}\\ i_{fref}=I_{fN}\end{array}\right.$

其中，ψ_exc＝ψ_m+M_fi_fref，i_dref为d轴电流参考值，i_qref为q轴电流参考值，i_fref为励磁电流参考值；ψ_m为永磁体磁链，p为电机极对数；I_fN为励磁电流额定值，L_d、L_q分别为定子绕组d轴和q轴电感，M_f为电枢绕组与励磁绕组之间的互感，T_eref为电磁转矩参考值；

(5)采用d轴电流i_d和励磁电流i_f同时弱磁，保持气隙合成磁链与电流相量之间的夹角θ等于90°，电流分配器按照如下电流分配方案输出电流，进入步骤(6)：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{dref}=\frac{\frac{U_{dc}}{\sqrt{3}{\mathrm{\ω}}_e}-\left({\mathrm{\ψ}}_m+M_f{i}_{fref}\right)}{L_d}\\ i_{qref}=\sqrt{\frac{i_{dref}\[{\mathrm{\ψ}}_m+L_d{i}_{dref}+M_f{i}_{fref}\]}{L_q}}\\ i_{fref}=\frac{\frac{2T_{eref}}{3{\mathrm{pi}}_{qref}}-\[{\mathrm{\ψ}}_m+i_{dref}\left(L_d-L_q\right)\]}{M_f}\end{array}\right.$

其中，ω_e为电角速度，U_dc为母线电压；

(6)用电流分配器所产生的d轴电流参考值i_dref减去步骤(2)中的d轴电流i_d得到d轴电流偏差△i_d，用q轴电流参考值i_qref减去步骤(2)中的q轴电流i_q得到q轴电流偏差△i_q，将所述d轴电流偏差△i_d输入d轴电流调节器进行比例积分运算，得到d轴电压u_d，将所述q轴电流偏差△i_q输入q轴电流调节器进行比例积分运算，得到q轴电压u_q，然后对所述d轴电压u_d和q轴电压u_q共同进行旋转正交-静止两相变换后，得到静止两相坐标系下α轴电压u_α和β轴电压u_β，将所述α轴电压u_α和β轴电压u_β输入脉冲宽度调制模块，运算输出6路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；

同时将步骤(1)中采集的励磁电流i_f，经跟随、滤波、偏置与A/D转换后和励磁电流参考值i_fref一起送入直流励磁脉宽调制模块，运算输出4路脉冲宽度调制信号来驱动励磁功率变换器。

2.根据权利要求1所述的混合励磁同步电机气隙磁通与电流相量角控制方法，其特征在于，所述步骤6)中的脉冲宽度调制模块为空间矢量脉冲宽度调制模块。