CN106788041A - 一种定子永磁型记忆电机高效率和宽调速控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定子永磁型记忆电机高效率和宽调速控制方法。该方法通过区域判断模块判断电机转速所在区域，并按照分区控制策略在不同区域采取不同的电流分配方式。在低速区域，以步长自适应搜索算法寻找输入功率在铝镍钴永磁磁链变化区间的极小值来实现电机的效率优化控制，不仅避免了采用电机损耗公式法计算误差大的问题，而且将不易通过数学建模计算的逆变器损耗、杂散损耗等包括在效率优化控制中，减少了与控制***实际损耗的差异，提高了效率优化控制的精度。在高速区域，通过电压差法和公式法获得弱磁控制所需弱磁磁链的弱磁方法可使定子永磁型记忆电机在宽速范围内具有较高的稳定裕度以及较快的动态性能。

Description

一种定子永磁型记忆电机高效率和宽调速控制方法

技术领域

本发明属于电气传动技术领域，涉及一种具有较强鲁棒性的定子永磁型记忆电机高效率和宽速控制方法。

背景技术

定子永磁型记忆电机在调磁过程中,调磁脉冲作用时间较短，其在调磁绕组产生的调磁损耗可忽略不计,与普通的永磁同步电机类似,其损耗主要包括定子铜耗、定子铁耗及杂散损耗等部分。为了提高定子永磁型记忆电机的运行效率，有必要研究合理的控制策略减小***损耗。然而,目前对该类型电机的研究主要集中在新拓扑结构和新原理等方面,对其进行效率优化和宽调速闭环控制方法未见研究报道。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种定子永磁型记忆电机高效率和宽速控制方法。

技术方案：一种定子永磁型记忆电机高效率和宽调速控制方法，包括以下步骤：

1)利用位置传感器采集电机位置信号，并送入控制器进行信号处理，得到电机的实际转速ω_e和转子位置角θ，然后将电机的实际转速ω_e和给定转速比较后得到转速偏差信号，该转速偏差信号经速度调节器得到的信号作为转矩给定

2)采集电机主电路相电流i_a和i_b及调磁脉冲i_f，其中相电流经Clark和Park变换得到两相旋转坐标系下的直轴电流i_d和交轴电流i_q；

3)根据额定电枢电流i_s、逆变器直流母线电压U_dc及铝镍钴正向饱和充磁时电机永磁磁链ψ_pm(i_f)_max计算电机的额定转速ω_eN，当电机给定转速小于额定转速ω_eN时，电机工作于低速区域；当大于ω_eN时，电机工作于高速区域；

4)当电机工作于低速区域时，根据下列方程组求解计算直轴电流参考交轴电流参考和调磁脉冲参考

式中，p为电机极对数，ψ_pmc为采用步长自适应搜索算法获得最大效率所对应的铝镍钴磁链，ψ_pm(i_f)为磁链观测器观测的电机实际永磁磁链，为充磁曲线，为去磁曲线；

5)当电机工作于高速区域时，根据下列方程组求解计算直轴电流参考交轴电流参考和调磁脉冲参考

式中，ψ_pm1为通过电压差法获得的弱磁磁链，ψ_pm2为通过公式法获得的弱磁磁链；

6)将步骤(4)和(5)所得的直轴电流参考和交轴电流参考与步骤(2)所得的直轴电流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；

7)将两相旋转坐标系下的直轴电压u_d和交轴电压u_q经Park逆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，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，将采集的调磁脉冲i_f与步骤(4)和(5)所得的调磁脉冲给定一起送入PWM生成模块生成能够驱动调磁变换器功率管的PWM信号。

进一步的，所述ψ表示磁链变量。

进一步的，采用步长自适应搜索算法获得最大效率所对应的铝镍钴磁链ψ_pmc包括如下步骤：

(1)采用固定步长法，按照以下公式获得输入功率和交轴电压的基值；

其中，ΔP_base为输入功率基值，Δu_qbase为交轴电压基值，P(1)为第一次采样获得的输入功率，P(2)为第二次采样获得的输入功率，u_q(1)为第一次采样获得的交轴电压，u_q(2)为第二次采样获得的交轴电压，输入功率P的计算公式为P＝u_di_d+u_qi_q；

(2)输入功率P随u_q变化的斜率基值为

(3)根据下式获得铝镍钴磁链搜索步长：

式中，ψ_pmc(n)为第n次搜索的永磁磁链，ΔP(n)和Δu_q(n)分别为第(n-1)搜索得到输入功率和交轴电压的差值，ψ_{pmc_init}为设定的初始搜索步长；

(4)通过步骤(3)变步长搜索算法反复搜索使电机获得最大效率所对应的永磁磁链ψ_pmc。

进一步的，通过电压差法获得所述弱磁磁链ψ_pm1的具体步骤为：将直流母线电压U_dc和相电压的偏差经闭环调节器控制后得到所述ψ_pm1；

通过公式法获得所述弱磁磁链ψ_pm2的具体步骤为：由直流母线电压U_dc和给定电机转速所计算的永磁磁链为

有益效果：本发明的一种定子永磁型记忆电机高效率和宽速控制方法具有如下优点：

1.在低速区域，以步长自适应搜索算法寻找输入功率在铝镍钴永磁磁链变化区间的极小值来实现电机的效率优化控制，不仅避免了采用电机损耗公式法计算误差大的问题，而且将不易通过数学建模计算的逆变器损耗、杂散损耗等包括在效率优化控制中，减少了与控制***实际损耗的差异，提高了效率优化控制的精度；

2.在高速区域，通过电压差法和公式法获得弱磁控制所需弱磁磁链的复合弱磁方法可使定子永磁型记忆电机在宽速范围内具有较高的稳定裕度以及较快的动态性能。

附图说明

图1为定子永磁型记忆电机高效率和宽速控制结构框图；

图2为定子永磁型记忆电机高效率和宽速控制电流分配方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种定子永磁型记忆电机驱动和在线调磁协同控制方法，该方法具体包括以下步骤：

1)利用位置传感器采集电机位置信号，并送入控制器进行信号处理，可得电机的实际转速ω_e和转子位置角θ，然后将电机的实际转速ω_e和给定转速比较后得到转速偏差信号，该转速偏差信号经速度调节器得到的信号作为转矩给定

2)采集电机主电路相电流i_a和i_b及调磁脉冲i_f，其中相电流经Clark和Park变换可得两相旋转坐标系下的直轴电流i_d和交轴电流i_q。

3)根据额定电枢电流i_s、逆变器直流母线电压U_dc及铝镍钴正向饱和充磁时电机永磁磁链ψ_pm(i_f)_max计算电机的额定转速ω_eN：当电机给定转速小于额定转速ω_eN时，电机工作于低速区域；当大于ω_eN时，电机工作于高速区域。

4)当电机工作于低速区域时，根据下列方程组求解计算直轴电流参考交轴电流参考和调磁脉冲参考

式中，p为电机极对数，ψ_pmc为采用步长自适应搜索算法获得最大效率所对应的铝镍钴磁链，ψ_pm(i_f)为磁链观测器观测的电机实际永磁磁链，为充磁曲线，为去磁曲线。

采用步长自适应搜索算法获得最大效率所对应的铝镍钴磁链ψ_pmc包括如下步骤：

(1)采用固定步长法，按照以下公式获得输入功率和交轴电压的基值；

其中，ΔP_base为输入功率基值，Δu_qbase为交轴电压基值，P(1)为第一次采样获得的输入功率，P(2)为第二次采样获得的输入功率，u_q(1)为第一次采样获得的交轴电压，u_q(2)为第二次采样获得的交轴电压，输入功率P的计算公式为P＝u_di_d+u_qi_q；

(2)输入功率P随u_q变化的斜率基值为

(3)根据下式获得铝镍钴磁链搜索步长：

式中，ψ_pmc(n)为第n次搜索的永磁磁链，ΔP(n)和Δu_q(n)分别为第(n-1)搜索得到输入功率和交轴电压的差值，ψ_{pmc_init}为设定的初始搜索步长；

(4)通过步骤(3)变步长搜索算法反复搜索使电机获得最大效率所对应的永磁磁链ψ_pmc。

将ψ_pmc代入F₁(·)或F₂(·)得到：

5)当电机工作于高速区域时，根据下列方程组求解计算直轴电流参考交轴电流参考和调磁脉冲参考

式中，ψ_pm1为通过电压差法获得的弱磁磁链，ψ_pm2为通过公式法获得的弱磁磁链。通过电压差法获得所述弱磁磁链ψ_pm1的具体步骤为：将直流母线电压U_dc和相电压的偏差经闭环调节器控制后得到ψ_pm1。通过公式法获得弱磁磁链ψ_pm2的具体步骤为：由直流母线电压U_dc和给定电机转速所计算的永磁磁链为

将ψ_pm1与ψ_pm2的和作为弱磁控制的目标铝镍钴磁链，代入F₁(·)或F₂(·)得到：

6)将步骤(4)和(5)所得的直轴电流参考和交轴电流参考与步骤(2)所得的直轴电流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。

7)将两相旋转坐标系下的直轴电压u_d和交轴电压u_q经Park逆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)，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，将采集的调磁脉冲i_f与步骤(4)和(5)所得的调磁脉冲给定一起送入PWM生成模块生成能够驱动调磁变换器功率管的PWM信号。

图2为定子永磁型记忆电机在低速区域和高速区域的电流分配方式示意图。通过区域判断模块判断电机转速所在区域，并按照分区控制策略在不同区域采取不同的电流分配方式。

若电机位于低速区域，比较按照变步长搜索算法获得使电机输入功率最小的永磁磁链ψ_pmc与磁链观测器观测的磁链ψ_pm(i_f)的大小来确定对铝镍钴磁化状态的调磁方式，然后按照充磁曲线或去磁曲线确定所需方向和幅值的调磁脉冲参考依据速度调节器输出的转矩给定电机转速ω_e和按照变步长搜索算法使电机获得最大效率所对应的铝镍钴磁链ψ_pmc，可得到交轴电流参考

若电机位于高速区域，通过比较由电压差法和公式法所得到的目标铝镍钴磁链与磁链观测器观测的磁链的大小来确定对铝镍钴磁化状态的调磁方式，然后按照磁链-调磁脉冲曲线确定所需方向和幅值的调磁脉冲参考依据速度调节器输出的转矩给定电机额定转速ω_eN、给定电机转速铝镍钴饱和充磁后的磁链ψ_pm(i_f)_max、直流母线电压U_dc、直轴电压分量u_d及交轴电压分量u_q可得到交轴电流参考

以上所述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润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种定子永磁型记忆电机高效率和宽调速控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用位置传感器采集电机位置信号，并送入控制器进行信号处理，得到电机的实际转速ω_e和转子位置角θ，然后将电机的实际转速ω_e和给定转速比较后得到转速偏差信号，该转速偏差信号经速度调节器得到的信号作为转矩给定

2)采集电机主电路相电流i_a和i_b及调磁脉冲i_f，其中相电流经Clark和Park变换得到两相旋转坐标系下的直轴电流i_d和交轴电流i_q；

3)根据额定电枢电流i_s、逆变器直流母线电压U_dc及铝镍钴正向饱和充磁时电机永磁磁链ψ_pm(i_f)_max计算电机的额定转速ω_eN，当电机给定转速小于额定转速ω_eN时，电机工作于低速区域；当大于ω_eN时，电机工作于高速区域；

4)当电机工作于低速区域时，根据下列方程组求解计算直轴电流参考交轴电流参考和调磁脉冲参考

$\left\{\begin{array}{c}{i}_d^{*}=0\\ i_q^{*}=\frac{2T_e^{*}}{3{\mathrm{p\&psi;}}_{pmc}}\\ i_f^{*}=\left\{\begin{array}{cc}0& ({\mathrm{\&psi;}}_{pmc}={\mathrm{\&psi;}}_{pm}(i_f\left)\right)\\ F_1\left({\mathrm{\&psi;}}_{pmc}\right)& ({\mathrm{\&psi;}}_{pmc}>{\mathrm{\&psi;}}_{pm}(i_f\left)\right)\\ F_2\left({\mathrm{\&psi;}}_{pmc}\right)& ({\mathrm{\&psi;}}_{pmc}<{\mathrm{\&psi;}}_{pm}(i_f\left)\right)\end{array}\right.\end{array}\right.$

式中，p为电机极对数，ψ_pmc为采用步长自适应搜索算法获得最大效率所对应的铝镍钴磁链，ψ_pm(i_f)为磁链观测器观测的电机实际永磁磁链，为充磁曲线，为去磁曲线；

5)当电机工作于高速区域时，根据下列方程组求解计算直轴电流参考交轴电流参考和调磁脉冲参考

$\left\{\begin{array}{c}{i}_d^{*}=0\\ i_q^{*}=\frac{T_e^{*}}{1.5p({\mathrm{\&psi;}}_{pm1}+{\mathrm{\&psi;}}_{pm2})}\\ i_f^{*}=\left\{\begin{array}{cc}0& \&lsqb;({\mathrm{\&psi;}}_{pm1}+{\mathrm{\&psi;}}_{pm2})={\mathrm{\&psi;}}_{pm}\left(i_f\right)\&rsqb;\\ F_1\left(\right({\mathrm{\&psi;}}_{pm1}+{\mathrm{\&psi;}}_{pm2}\left)\right)& \&lsqb;({\mathrm{\&psi;}}_{pm1}+{\mathrm{\&psi;}}_{pm2})>{\mathrm{\&psi;}}_{pm}\left(i_f\right)\&rsqb;\\ F_2\left(\right({\mathrm{\&psi;}}_{pm1}+{\mathrm{\&psi;}}_{pm2}\left)\right)& \&lsqb;({\mathrm{\&psi;}}_{pm1}+{\mathrm{\&psi;}}_{pm2})<{\mathrm{\&psi;}}_{pm}\left(i_f\right)\&rsqb;\end{array}\right.\end{array}\right.$

式中，ψ_pm1为通过电压差法获得的弱磁磁链，ψ_pm2为通过公式法获得的弱磁磁链；

6)将步骤(4)和(5)所得的直轴电流参考和交轴电流参考与步骤(2)所得的直轴电流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；

7)将两相旋转坐标系下的直轴电压u_d和交轴电压u_q经Park逆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，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，将采集的调磁脉冲i_f与步骤(4)和(5)所得的调磁脉冲给定一起送入PWM生成模块生成能够驱动调磁变换器功率管的PWM信号。

2.根据权利要求1所述定子永磁型记忆电机高效率和宽调速控制方法，其特征在于：所述ψ表示磁链变量。

3.根据权利要求1或2所述定子永磁型记忆电机高效率和宽调速控制方法，其特征在于：采用步长自适应搜索算法获得最大效率所对应的铝镍钴磁链ψ_pmc包括如下步骤：

(1)采用固定步长法，按照以下公式获得输入功率和交轴电压的基值；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;P}}_{base}=P\left(2\right)-P\left(1\right)\\ {\mathrm{\&Delta;u}}_{qbase}=u_q\left(2\right)-u_q\left(1\right)\end{array}\right.$

其中，ΔP_base为输入功率基值，Δu_qbase为交轴电压基值，P(1)为第一次采样获得的输入功率，P(2)为第二次采样获得的输入功率，u_q(1)为第一次采样获得的交轴电压，u_q(2)为第二次采样获得的交轴电压，输入功率P的计算公式为P＝u_di_d+u_qi_q；

(2)输入功率P随u_q变化的斜率基值为

(3)根据下式获得铝镍钴磁链搜索步长：

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\&psi;}}_{pmc}\left(n\right)=\frac{\mathrm{\&Delta;}P\left(n\right)}{{\mathrm{\&Delta;u}}_q\left(n\right)}{K}_{base}{\mathrm{\&psi;}}_{pmc\_init}& (n\&GreaterEqual;3)\end{array}$

式中，ψ_pmc(n)为第n次搜索的永磁磁链，ΔP(n)和Δu_q(n)分别为第(n-1)搜索得到输入功率和交轴电压的差值，ψ_{pmc_init}为设定的初始搜索步长；

(4)通过步骤(3)变步长搜索算法反复搜索使电机获得最大效率所对应的永磁磁链ψ_pmc。

4.根据权利要求3所述定子永磁型记忆电机高效率和宽调速控制方法，其特征在于：通过电压差法获得所述弱磁磁链ψ_pm1的具体步骤为：将直流母线电压U_dc和相电压的偏差经闭环调节器控制后得到所述ψ_pm1；

通过公式法获得所述弱磁磁链ψ_pm2的具体步骤为：由直流母线电压U_dc和给定电机转速所计算的永磁磁链为