一種定子永磁型記憶電機磁化狀態選擇與弱磁控制協同控制方法與流程
2023-06-07 07:23:51
本發明涉及電氣傳動技術領域，特別是涉及一種定子永磁型記憶電機磁化狀態選擇與弱磁控制協同控制方法。
背景技術：
2001年，德國人ostovic首先提出記憶電機的概念。記憶電機將具有低矯頑力和高剩磁特性的鋁鎳鈷永磁作為勵磁源，通過施加調磁脈衝直接改變鋁鎳鈷的磁化狀態，進而實現電機氣隙磁場磁密的調節。因而，記憶電機被認為是一種具有廣泛應用前景的磁通可控永磁同步電機。但這種轉子永磁型記憶電機存在調磁困難，散熱不易及鋁鎳鈷易去磁的缺點。
為了克服轉子永磁型記憶電機的不足，學者提出了鋁鎳鈷位於定子上的定子永磁型記憶電機。由於在定子上增加了額外的調磁繞組，鋁鎳鈷和調磁繞組的位置固定，這簡化了記憶電機的調磁控制。而且由於電樞繞組，調磁繞組和永磁體均位於定子上，轉子結構簡單，利於電機的高速運行。對於採用單一鋁鎳鈷的雙凸極型定子永磁型記憶電機，研究者提出了該電機的雙模式工作，通過調節永磁體的磁化狀態和電樞電流可實現電機的等轉矩輸出，但這種控制方法不適宜於採用混合永磁結構的定子永磁型記憶電機。而對於磁通切換記憶電機，研究者提出了一種id＝0的分段永磁磁通控制。該方法在一定程度上拓寬了電機的調速範圍，但卻犧牲了電機的轉矩輸出能力。
技術實現要素：
發明目的：本發明的目的是提供一種能夠解決現有技術中存在的缺陷的定子永磁型記憶電機磁化狀態選擇與弱磁控制協同控制方法。
技術方案：為達到此目的，本發明採用以下技術方案：
本發明所述的定子永磁型記憶電機磁化狀態選擇與弱磁控制協同控制方法，包括以下步驟：
s1：根據永磁體的磁化狀態，選取ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)共k個永磁磁鏈，且ψpm(if(j-1))＞ψpm(ifj)，2≤j≤k，並根據直流母線電壓udc、額定相電流in、第j種磁化狀態時的交軸電感lq(j)和永磁磁鏈ψpm(if(j))計算轉速ωe(j),同時利用永磁處於飽和磁化狀態時的永磁磁鏈ψpm(if1)和交軸電感lq(1)計算轉速ωe1，然後將所述永磁磁鏈ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)及對應的轉速ωe1……ωe(k-1)、ωek存儲於轉速-永磁磁鍊表中；其中，if(j)為永磁在第j種磁化狀態所對應的調磁脈衝；
s2：當給定轉速ωe小於ωe1時，直軸電流參考值交軸電流參考值和永磁磁鏈參考值為
式(1)中in為定子額定相電流；ψpm(if1)為鋁鎳鈷永磁飽和充磁狀態時的永磁磁鏈；if1為飽和充磁時所需調磁脈衝；p為電機極對數；te為速度調節器輸出的電磁轉矩；
s3：當給定轉速ωe大於ωe1且滿足ωe(j-1)＜ωe≤ωej時，直軸電流參考值交軸電流參考值和永磁磁鏈參考值為
式(2)中，ψpm(ifj)為對應轉速ωej的永磁磁鏈；q為直流母線電壓udc和逆變器輸出線電壓us的偏差經pi調節器後所得調整角；ismax為電機最大定子相電流；m為弱磁控制過程中的中間變量；
s4：通過比較永磁磁鏈觀測器觀測的永磁磁鏈ψpmo(if)和轉速ωe1所對應的永磁磁鏈ψpm(if1)判斷步驟s2的調磁過程；
s5：通過比較永磁磁鏈觀測器觀測的永磁磁鏈ψpmo(if)和轉速ωej所對應的永磁磁鏈ψpm(if(j-1))判斷步驟s3的調磁過程。
進一步，所述步驟s3具體包括以下步驟：
s3.11：直流母線電壓udc與逆變器輸出線電壓us的差值經pi調節器後得到調整角q，其中，逆變器輸出線電壓分別為兩相靜止坐標系下α軸電壓和β軸電壓；
s3.12：當調整角q≥0時，得到中間變量當調整角q＜0時，得到中間變量
s3.13：對進行限幅處理後作為直軸電流參考值
s3.14：交軸電流參考值的模等於當m≥0時，得到交軸電流參考值當m＜0時，得到交軸電流參考值
進一步，所述步驟s4具體包括以下步驟：
s4.11：如果ψpmo(if)小於ψpm(if1)，則施加正向調磁脈衝使ψpmo(if)達到ψpm(if1)，此時，調磁脈衝給定值的分配策略為：
s4.12：如果ψpmo(if)大於等於ψpm(if1)，調磁脈衝給定值的分配策略為：
進一步，所述步驟s5具體包括以下步驟：
s5.11：如果ψpmo(if)小於ψpm(if(j))，則施加正向調磁脈衝使ψpmo(if)達到ψpm(if(j))，此時，調磁脈衝給定值的分配策略為：
式(5)中，ψpm(if(j-1))如式(6)所示：
s5.12：如果ψpmo(if)等於ψpm(if(j))，調磁脈衝給定值的分配策略為：
s5.13：如果ψpmo(if)大於ψpm(if(j))，則施加反向調磁脈衝使ψpmo(if)達到ψpm(if(j))，此時，調磁脈衝給定值的分配策略為：
式(8)中，ψpm(if(j))如式(9)所示：
有益效果：與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：
1)在分段永磁磁通控制的基礎上結合弱磁控制方法進一步拓寬定子永磁型記憶電機的恆功率運行範圍；
2)與採用id＝0的分段永磁磁通控制方法相比，該方法提高了電機在不同轉速區間的轉矩輸出能力；
3)在恆定的負載轉矩下，該方法提高了定子永磁型記憶電機在不同轉速區間的效率。
附圖說明
圖1為本發明的具體實施方式中定子永磁型記憶電機磁化狀態選擇與弱磁控制協同控制方法控制框圖；
圖2為本發明具體實施方式中定子永磁型記憶電機磁化狀態選擇與弱磁控制協同控制方法直軸電流和交軸電流分配框圖；
圖3為本發明具體實施方式中定子永磁型記憶電機磁化狀態選擇與弱磁控制協同控制方法轉速仿真波形；
圖4為本發明具體實施方式中定子永磁型記憶電機磁化狀態選擇與弱磁控制協同控制方法觀測永磁磁鏈仿真波形；
圖5為本發明具體實施方式中定子永磁型記憶電機磁化狀態選擇與弱磁控制協同控制方法轉矩仿真波形；
圖6為本發明具體實施方式中定子永磁型記憶電機磁化狀態選擇與弱磁控制協同控制方法電流仿真波形。
具體實施方式
下面結合具體實施方式和附圖對本發明的技術方案作進一步的介紹。
本具體實施方式公開了一種定子永磁型記憶電機磁化狀態選擇與弱磁控制協同控制方法，如圖1所示，包括以下步驟：
s1：根據永磁體的磁化狀態，選取ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)共k個永磁磁鏈，且ψpm(if(j-1))＞ψpm(ifj)，2≤j≤k，並根據直流母線電壓udc、額定相電流in、第j種磁化狀態時的交軸電感lq(j)和永磁磁鏈ψpm(if(j))計算轉速ωe(j),同時利用永磁處於飽和磁化狀態時的永磁磁鏈ψpm(if1)和交軸電感lq(1)計算轉速ωe1，然後將所述永磁磁鏈ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)及對應的轉速ωe1……ωe(k-1)、ωek存儲於轉速-永磁磁鍊表中；其中，if(j)為永磁在第j種磁化狀態所對應的調磁脈衝；
s2：當給定轉速ωe小於ωe1時，直軸電流參考值交軸電流參考值和永磁磁鏈參考值為
式(1)中in為定子額定相電流；ψpm(if1)為鋁鎳鈷永磁飽和充磁狀態時的永磁磁鏈；if1為飽和充磁時所需調磁脈衝；p為電機極對數；te為速度調節器輸出的電磁轉矩；
s3：當給定轉速ωe大於ωe1且滿足ωe(j-1)＜ωe≤ωej時，直軸電流參考值交軸電流參考值和永磁磁鏈參考值為
式(2)中，ψpm(ifj)為對應轉速ωej的永磁磁鏈；q為直流母線電壓udc和逆變器輸出線電壓us的偏差經pi調節器後所得調整角；ismax為電機最大定子相電流；m為弱磁控制過程中的中間變量；
s4：通過比較永磁磁鏈觀測器觀測的永磁磁鏈ψpmo(if)和轉速ωe1所對應的永磁磁鏈ψpm(if1)判斷步驟s2的調磁過程；
s5：通過比較永磁磁鏈觀測器觀測的永磁磁鏈ψpmo(if)和轉速ωej所對應的永磁磁鏈ψpm(if(j-1))判斷步驟s3的調磁過程。
如圖2所示，步驟s3具體包括以下步驟：
s3.11：直流母線電壓udc與逆變器輸出線電壓us的差值經pi調節器後得到調整角q，其中，逆變器輸出線電壓分別為兩相靜止坐標系下α軸電壓和β軸電壓；
s3.12：當調整角q≥0時，得到中間變量當調整角q＜0時，得到中間變量
s3.13：對進行限幅處理後作為直軸電流參考值
s3.14：交軸電流參考值的模等於當m≥0時，得到交軸電流參考值當m＜0時，得到交軸電流參考值
步驟s4具體包括以下步驟：
s4.11：如果ψpmo(if)小於ψpm(if1)，則施加正向調磁脈衝使ψpmo(if)達到ψpm(if1)，此時，調磁脈衝給定值的分配策略為：
s4.12：如果ψpmo(if)大於等於ψpm(if1)，調磁脈衝給定值的分配策略為：
步驟s5具體包括以下步驟：
s5.11：如果ψpmo(if)小於ψpm(if(j))，則施加正向調磁脈衝使ψpmo(if)達到ψpm(if(j))，此時，調磁脈衝給定值的分配策略為：
式(5)中，ψpm(if(j-1))如式(6)所示：
s5.12：如果ψpmo(if)等於ψpm(if(j))，調磁脈衝給定值的分配策略為：
s5.13：如果ψpmo(if)大於ψpm(if(j))，則施加反向調磁脈衝使ψpmo(if)達到ψpm(if(j))，此時，調磁脈衝給定值的分配策略為：
式(8)中，ψpm(if(j))如式(9)所示：
步驟s4和s5中永磁磁鏈觀測器觀測永磁磁鏈ψpmo(if)的過程如下：
s4-5.11：在不施加調磁脈衝時，定子永磁型記憶電機的電壓方程為：
di＝ai+bu+c(10)
式(10)中，i＝[idiq]，id為電機的直軸電流，iq為交軸電流；u＝[uduq]，ud為電機的直軸電壓，uq為交軸電壓；其中rs為電機飽和磁化狀態時的定子相電阻，ld為電機飽和磁化狀態時的直軸電感，ωe為電角速度，d為微分算子；
s4-5.12：根據步驟s4-5.31構造永磁磁鏈觀測器模型為：
式(11)中，為狀態電流觀測值，為直軸電流觀測值，為交軸電流觀測值；為反饋增益矩陣；其中為電機的定子相電阻的實際值，為電機飽和磁化狀態時的直軸電感的實際值，為電機飽和磁化狀態時的交軸電感的實際值，為永磁磁鏈的實際值，h1和h2為反饋增益矩陣中待設計的元素；
s4-5.13：定義由式(11)減去式(10)，得到磁鏈觀測器狀態變量的偏差方程為：
式(12)中，為狀態變量偏差；
s4-5.14：根據波波夫超穩定性理論，式(12)所描述系統滿足穩定的條件為：
s4-5.15：利用波波夫積分不等式求解的永磁磁鏈自適應律為：
式(14)中，kp為比例係數，ki為積分係數；
根據步驟s4-5.14中的算式可得δψpm(if)和δlq的函數關係為：
s4-5.16：為了減小交軸電感對永磁磁鏈的影響，在滿足系統穩定的情況下，反饋增益矩陣h1，h2設定為：
s10：將步驟s2和s3所得的直軸電流參考和交軸電流參考與直軸電流id和交軸電流iq比較後經電流調節器得到直軸電壓ud和交軸電壓uq。
s11：將兩相旋轉坐標系下的直軸電壓ud和交軸電壓uq經dq/αβ變換得到兩相靜止坐標系下α軸電壓uα和β軸電壓uβ，將uα和uβ及直流母線電壓udc輸入到空間矢量脈衝寬度調製單元(svpwm)，運算輸出的六路脈衝調製信號驅動三相逆變器的功率管。同時，將採集的調磁脈衝if與步驟s7和s8所得的調磁脈衝給定值一起送入pwm生成模塊生成能夠驅動調磁變換器功率管的pwm信號。
圖3、圖4、圖5和圖6分別給出了電機的轉速、觀測永磁磁鏈、轉矩和電流的仿真波形。由圖可知，在不同的速度區間，定子永磁型記憶電機採用磁化狀態選擇與弱磁控制協同控制方法拓寬了電機的恆功率工作範圍。