CN107248830B - 一种记忆电机磁化状态选择与弱磁控制协同控制方法 - Google Patents

一种记忆电机磁化状态选择与弱磁控制协同控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种定子永磁型记忆电机磁化状态选择与弱磁控制协同控制方法，通过在不同永磁磁化状态下结合弱磁控制方法拓展定子永磁型记忆电机的恒功率工作范围。该方法在不同的转速区间采取不同的电流分配策略，优化了电机的控制性能。与采用id＝0的分段永磁磁通控制方法相比，该方法提高了电机在不同转速区的转矩输出能力。同时，在恒定的负载转矩下，该方法提高了定子永磁型记忆电机在不同转速区间的效率。

Description

一种记忆电机磁化状态选择与弱磁控制协同控制方法
技术领域
本发明涉及电气传动技术领域，特别是涉及一种定子永磁型记忆电机磁化状态选择与弱磁控制协同控制方法。
背景技术
2001年，德国人Ostovic首先提出记忆电机的概念。记忆电机将具有低矫顽力和高剩磁特性的铝镍钴永磁作为励磁源，通过施加调磁脉冲直接改变铝镍钴的磁化状态，进而实现电机气隙磁场磁密的调节。因而，记忆电机被认为是一种具有广泛应用前景的磁通可控永磁同步电机。但这种转子永磁型记忆电机存在调磁困难，散热不易及铝镍钴易去磁的缺点。
为了克服转子永磁型记忆电机的不足，学者提出了铝镍钴位于定子上的定子永磁型记忆电机。由于在定子上增加了额外的调磁绕组，铝镍钴和调磁绕组的位置固定，这简化了记忆电机的调磁控制。而且由于电枢绕组，调磁绕组和永磁体均位于定子上，转子结构简单，利于电机的高速运行。对于采用单一铝镍钴的双凸极型定子永磁型记忆电机，研究者提出了该电机的双模式工作，通过调节永磁体的磁化状态和电枢电流可实现电机的等转矩输出，但这种控制方法不适宜于采用混合永磁结构的定子永磁型记忆电机。而对于磁通切换记忆电机，研究者提出了一种id＝0的分段永磁磁通控制。该方法在一定程度上拓宽了电机的调速范围，但却牺牲了电机的转矩输出能力。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的定子永磁型记忆电机磁化状态选择与弱磁控制协同控制方法。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的定子永磁型记忆电机磁化状态选择与弱磁控制协同控制方法，包括以下步骤：
S1：根据永磁体的磁化状态，选取ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)共k个永磁磁链，且ψpm(if(j-1))＞ψpm(ifj)，2≤j≤k，并根据直流母线电压Udc、额定相电流In、第j种磁化状态时的交轴电感Lq(j)和永磁磁链ψpm(if(j))计算转速ωe(j),同时利用永磁处于饱和磁化状态时的永磁磁链ψpm(if1)和交轴电感Lq(1)计算转速ωe1，然后将所述永磁磁链ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)及对应的转速ωe1……ωe(k-1)、ωek存储于转速-永磁磁链表中；其中，if(j)为永磁在第j种磁化状态所对应的调磁脉冲；
S2：当给定转速ωe小于ωe1时，直轴电流参考值交轴电流参考值和永磁磁链参考值为
式(1)中in为定子额定相电流；ψpm(if1)为铝镍钴永磁饱和充磁状态时的永磁磁链；if1为饱和充磁时所需调磁脉冲；p为电机极对数；Te为速度调节器输出的电磁转矩；
S3：当给定转速ωe大于ωe1且满足ωe(j-1)＜ωe≤ωej时，直轴电流参考值交轴电流参考值和永磁磁链参考值为
式(2)中，ψpm(ifj)为对应转速ωej的永磁磁链；Q为直流母线电压Udc和逆变器输出线电压Us的偏差经PI调节器后所得调整角；ismax为电机最大定子相电流；m为弱磁控制过程中的中间变量；
S4：通过比较永磁磁链观测器观测的永磁磁链ψpmo(if)和转速ωe1所对应的永磁磁链ψpm(if1)判断步骤S2的调磁过程；
S5：通过比较永磁磁链观测器观测的永磁磁链ψpmo(if)和转速ωej所对应的永磁磁链ψpm(if(j))判断步骤S3的调磁过程。
进一步，所述步骤S3具体包括以下步骤：
S3.11：直流母线电压Udc与逆变器输出线电压Us的差值经PI调节器后得到调整角Q，其中，逆变器输出线电压 分别为两相静止坐标系下α轴电压和β轴电压；
S3.12：当调整角Q≥0时，得到中间变量当调整角Q＜0时，得到中间变量
S3.13：对进行限幅处理后作为直轴电流参考值
S3.14：交轴电流参考值的模等于当m≥0时，得到交轴电流参考值当m＜0时，得到交轴电流参考值
进一步，所述步骤S4具体包括以下步骤：
S4.11：如果ψpmo(if)小于ψpm(if1)，则施加正向调磁脉冲使ψpmo(if)达到ψpm(if1)，此时，调磁脉冲给定值的分配策略为：
S4.12：如果ψpmo(if)大于等于ψpm(if1)，调磁脉冲给定值的分配策略为：
进一步，所述步骤S5具体包括以下步骤：
S5.11：如果ψpmo(if)小于ψpm(if(j))，则施加正向调磁脉冲使ψpmo(if)达到ψpm(if(j))，此时，调磁脉冲给定值的分配策略为：
式(5)中，ψpm(if(j-1))如式(6)所示：
S5.12：如果ψpmo(if)等于ψpm(if(j))，调磁脉冲给定值的分配策略为：
S5.13：如果ψpmo(if)大于ψpm(if(j))，则施加反向调磁脉冲使ψpmo(if)达到ψpm(if(j))，此时，调磁脉冲给定值的分配策略为：
式(8)中，ψpm(if(j))如式(9)所示：
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)在分段永磁磁通控制的基础上结合弱磁控制方法进一步拓宽定子永磁型记忆电机的恒功率运行范围；
2)与采用id＝0的分段永磁磁通控制方法相比，该方法提高了电机在不同转速区间的转矩输出能力；
3)在恒定的负载转矩下，该方法提高了定子永磁型记忆电机在不同转速区间的效率。
附图说明
图1为本发明的具体实施方式中定子永磁型记忆电机磁化状态选择与弱磁控制协同控制方法控制框图；
图2为本发明具体实施方式中定子永磁型记忆电机磁化状态选择与弱磁控制协同控制方法直轴电流和交轴电流分配框图；
图3为本发明具体实施方式中定子永磁型记忆电机磁化状态选择与弱磁控制协同控制方法转速仿真波形；
图4为本发明具体实施方式中定子永磁型记忆电机磁化状态选择与弱磁控制协同控制方法观测永磁磁链仿真波形；
图5为本发明具体实施方式中定子永磁型记忆电机磁化状态选择与弱磁控制协同控制方法转矩仿真波形；
图6为本发明具体实施方式中定子永磁型记忆电机磁化状态选择与弱磁控制协同控制方法电流仿真波形。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种定子永磁型记忆电机磁化状态选择与弱磁控制协同控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：根据永磁体的磁化状态，选取ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)共k个永磁磁链，且ψpm(if(j-1))＞ψpm(ifj)，2≤j≤k，并根据直流母线电压Udc、额定相电流In、第j种磁化状态时的交轴电感Lq(j)和永磁磁链ψpm(if(j))计算转速ωe(j),同时利用永磁处于饱和磁化状态时的永磁磁链ψpm(if1)和交轴电感Lq(1)计算转速ωe1，然后将所述永磁磁链ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)及对应的转速ωe1……ωe(k-1)、ωek存储于转速-永磁磁链表中；其中，if(j)为永磁在第j种磁化状态所对应的调磁脉冲；
S2：当给定转速ωe小于ωe1时，直轴电流参考值交轴电流参考值和永磁磁链参考值为
式(1)中in为定子额定相电流；ψpm(if1)为铝镍钴永磁饱和充磁状态时的永磁磁链；if1为饱和充磁时所需调磁脉冲；p为电机极对数；Te为速度调节器输出的电磁转矩；
S3：当给定转速ωe大于ωe1且满足ωe(j-1)＜ωe≤ωej时，直轴电流参考值交轴电流参考值和永磁磁链参考值为
式(2)中，ψpm(ifj)为对应转速ωej的永磁磁链；Q为直流母线电压Udc和逆变器输出线电压Us的偏差经PI调节器后所得调整角；ismax为电机最大定子相电流；m为弱磁控制过程中的中间变量；
S4：通过比较永磁磁链观测器观测的永磁磁链ψpmo(if)和转速ωe1所对应的永磁磁链ψpm(if1)判断步骤S2的调磁过程；
S5：通过比较永磁磁链观测器观测的永磁磁链ψpmo(if)和转速ωej所对应的永磁磁链ψpm(if(j))判断步骤S3的调磁过程。
如图2所示，步骤S3具体包括以下步骤：
S3.11：直流母线电压Udc与逆变器输出线电压Us的差值经PI调节器后得到调整角Q，其中，逆变器输出线电压 分别为两相静止坐标系下α轴电压和β轴电压；
S3.12：当调整角Q≥0时，得到中间变量当调整角Q＜0时，得到中间变量
S3.13：对进行限幅处理后作为直轴电流参考值
S3.14：交轴电流参考值的模等于当m≥0时，得到交轴电流参考值当m＜0时，得到交轴电流参考值
步骤S4具体包括以下步骤：
S4.11：如果ψpmo(if)小于ψpm(if1)，则施加正向调磁脉冲使ψpmo(if)达到ψpm(if1)，此时，调磁脉冲给定值的分配策略为：
S4.12：如果ψpmo(if)大于等于ψpm(if1)，调磁脉冲给定值的分配策略为：
步骤S5具体包括以下步骤：
S5.11：如果ψpmo(if)小于ψpm(if(j))，则施加正向调磁脉冲使ψpmo(if)达到ψpm(if(j))，此时，调磁脉冲给定值的分配策略为：
式(5)中，ψpm(if(j-1))如式(6)所示：
S5.12：如果ψpmo(if)等于ψpm(if(j))，调磁脉冲给定值的分配策略为：
S5.13：如果ψpmo(if)大于ψpm(if(j))，则施加反向调磁脉冲使ψpmo(if)达到ψpm(if(j))，此时，调磁脉冲给定值的分配策略为：
式(8)中，ψpm(if(j))如式(9)所示：
步骤S4和S5中永磁磁链观测器观测永磁磁链ψpmo(if)的过程如下：
S4-5.11：在不施加调磁脉冲时，定子永磁型记忆电机的电压方程为：
Di＝Ai+Bu+C (10)
式(10)中，i＝[id iq]，id为电机的直轴电流，iq为交轴电流；u＝[ud uq]，ud为电机的直轴电压，uq为交轴电压； 其中Rs为电机饱和磁化状态时的定子相电阻，Ld为电机饱和磁化状态时的直轴电感，ωe为电角速度，D为微分算子；
S4-5.12：根据步骤S4-5.31构造永磁磁链观测器模型为：
式(11)中，为状态电流观测值，为直轴电流观测值，为交轴电流观测值； 为反馈增益矩阵；其中为电机的定子相电阻的实际值，为电机饱和磁化状态时的直轴电感的实际值，为电机饱和磁化状态时的交轴电感的实际值，为永磁磁链的实际值，h1和h2为反馈增益矩阵中待设计的元素；
S4-5.13：定义由式(11)减去式(10)，得到磁链观测器状态变量的偏差方程为：
式(12)中，为状态变量偏差；
S4-5.14：根据波波夫超稳定性理论，式(12)所描述***满足稳定的条件为：
S4-5.15：利用波波夫积分不等式求解的永磁磁链自适应律为：
式(14)中，kp为比例系数，ki为积分系数；
根据步骤S4-5.14中的算式可得Δψpm(if)和ΔLq的函数关系为：
S4-5.16：为了减小交轴电感对永磁磁链的影响，在满足***稳定的情况下，反馈增益矩阵h1，h2设定为：
S10：将步骤S2和S3所得的直轴电流参考和交轴电流参考与直轴电流id和交轴电流iq比较后经电流调节器得到直轴电压ud和交轴电压uq。
S11：将两相旋转坐标系下的直轴电压ud和交轴电压uq经dq/αβ变换得到两相静止坐标系下α轴电压uα和β轴电压uβ，将uα和uβ及直流母线电压Udc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if与步骤S7和S8所得的调磁脉冲给定值一起送入PWM生成模块生成能够驱动调磁变换器功率管的PWM信号。
图3、图4、图5和图6分别给出了电机的转速、观测永磁磁链、转矩和电流的仿真波形。由图可知，在不同的速度区间，定子永磁型记忆电机采用磁化状态选择与弱磁控制协同控制方法拓宽了电机的恒功率工作范围。

Claims (4)

1.一种定子永磁型记忆电机磁化状态选择与弱磁控制协同控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：根据永磁体的磁化状态，选取ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)共k个永磁磁链，且ψpm(if(j-1))＞ψpm(if(j))，2≤j≤k，并根据直流母线电压Udc、额定相电流In、第j种磁化状态时的交轴电感Lq(j)和永磁磁链ψpm(if(j))计算转速ωe(j),同时利用永磁处于饱和磁化状态时的永磁磁链ψpm(if1)和交轴电感Lq(1)计算转速ωe1，然后将所述永磁磁链ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)及对应的转速ωe1……ωe(k-1)、ωek存储于转速-永磁磁链表中；其中，if(j)为永磁在第j种磁化状态所对应的调磁脉冲；
S2：当给定转速ωe小于ωe1时，直轴电流参考值交轴电流参考值和永磁磁链参考值为
式(1)中ψpm(if1)为铝镍钴永磁饱和充磁状态时的永磁磁链；if1为永磁体饱和充磁时所需调磁脉冲；p为电机极对数；Te为速度调节器输出的电磁转矩；
S3：当给定转速ωe大于ωe1且满足ωe(j-1)＜ωe≤ωej时，直轴电流参考值交轴电流参考值和永磁磁链参考值为
式(2)中，ψpm(if(j))为对应转速ωej的永磁磁链；Q为直流母线电压Udc和逆变器输出线电压Us的偏差经PI调节器后所得调整角；ismax为电机最大定子相电流；m为弱磁控制过程中的中间变量；
S4：通过比较永磁磁链观测器观测的永磁磁链ψpmo(if)和转速ωe1所对应的永磁磁链ψpm(if1)判断步骤S2的调磁过程；
S5：通过比较永磁磁链观测器观测的永磁磁链ψpmo(if)和转速ωej所对应的永磁磁链ψpm(if(j))判断步骤S3的调磁过程。
2.根据权利要求1所述的定子永磁型记忆电机磁化状态选择与弱磁控制协同控制方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括以下步骤：
S3.11：直流母线电压Udc与逆变器输出线电压Us的差值经PI调节器后得到调整角Q，其中，逆变器输出线电压 分别为两相静止坐标系下α轴电压和β轴电压；
S3.12：当调整角Q≥0时，得到中间变量当调整角Q＜0时，得到中间变量
S3.13：对进行限幅处理后作为直轴电流参考值
S3.14：交轴电流参考值的模等于当m≥0时，得到交轴电流参考值当m＜0时，得到交轴电流参考值
3.根据权利要求1所述的定子永磁型记忆电机磁化状态选择与弱磁控制协同控制方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括以下步骤：
S4.11：如果ψpmo(if)小于ψpm(if1)，则施加正向调磁脉冲使ψpmo(if)达到ψpm(if1)，此时，调磁脉冲给定值的分配策略为：
S4.12：如果ψpmo(if)大于等于ψpm(if1)，调磁脉冲给定值的分配策略为：
4.根据权利要求1所述的定子永磁型记忆电机磁化状态选择与弱磁控制协同控制方法，其特征在于：所述步骤S5具体包括以下步骤：
S5.11：如果ψpmo(if)小于ψpm(if(j))，则施加正向调磁脉冲使ψpmo(if)达到ψpm(if(j))，此时，调磁脉冲给定值的分配策略为：
式(5)中，F1(ψpm(if(j)))如式(6)所示：
S5.12：如果ψpmo(if)等于ψpm(if(j))，调磁脉冲给定值的分配策略为：
S5.13：如果ψpmo(if)大于ψpm(if(j))，则施加反向调磁脉冲使ψpmo(if)达到ψpm(if(j))，此时，调磁脉冲给定值的分配策略为：
式(8)中，F2(ψpm(if(j)))如式(9)所示：
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