一種定子永磁型記憶電機大轉矩輸出控制方法與流程
2023-04-24 19:51:26
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大轉矩輸出控制方法。
背景技術：
由於具有高效率，高功率密度和高控制精度等優點，永磁同步電機被廣泛應用於風力發電、電動汽車及家用電器等領域。然而，恆定的永磁體勵磁使得電機氣隙磁通不易調節，這限制了永磁同步電機的進一步應用。為了解決這一問題，研究者提出採用負的直軸電流控制方法或採用永磁體和勵磁繞組進行混合勵磁的混合勵磁控制方法。這些方法拓展了永磁同步電機的恆功率工作範圍，但在弱磁控制時需施加連續的弱磁電流，這增加了系統銅耗，降低了系統效率。
2001年，研究者提出一種將具有低矯頑力和高剩磁特性的鋁鎳鈷永磁作為勵磁源的記憶電機。該電機通過採用調磁脈衝可直接改變鋁鎳鈷的磁化狀態，進而實現了電機氣隙磁通的控制，並且在調磁過程中所產生的調磁銅耗幾乎可以忽略。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以下不足：
1)鋁鎳鈷永磁和電樞繞組位置變化，這增加了調磁控制的難度；
2)電機在高速運行時，為了防止位於轉子上的鋁鎳鈷永磁體離心，需增加額外的固定裝置，這增加了電機安裝的難度，提高了電機的成本；
3)電機的電樞反應可能導致鋁鎳鈷永磁發生不可逆去磁，不僅降低了電機控制精度，而且惡化了電機性能；
4)為了改變鋁鎳鈷永磁的磁化狀態，所需調磁脈衝的幅值較大。因而，需要選擇較大功率定額的功率器件，這增加了系統的成本。
為了克服轉子永磁型記憶電機的不足，學者提出了鋁鎳鈷永磁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，鋁鎳鈷永磁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。按照工作原理的不同，定子永磁型記憶電機可分為雙凸極記憶電機和磁通切換記憶電機兩種類型。目前，對於雙凸極記憶電機，學者提出了該記憶電機的雙模式工作及在單相短路故障下的容錯控制。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。而對該類記憶電機大轉矩輸出控制的研究還未見諸報導。
技術實現要素：
發明目的：本發明的目的是提供一種能夠使電機在不同運行速度區間實現大轉矩輸出控制的方法。
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大轉矩輸出控制方法，包括以下步驟：
s1：基於額定轉速nn，定子永磁型記憶電機在全速區可分為低速區和高速區，其中nn為鋁鎳鈷永磁處於飽和磁化狀態時所對應的轉速；當給定轉速n小於nn時，電機工作於低速區；當n大於nn時，電機工作於高速區；
s2：計算得到在低速區實現大轉矩輸出的條件，如式(1)所示：
式(1)中，為直軸電流參考值，為交軸電流參考值，為永磁磁鏈參考值，in為定子額定相電流，ψpm(ifk)為鋁鎳鈷永磁飽和充磁狀態時的永磁磁鏈，ifk為飽和調磁脈衝；
s3：計算得到在高速區實現大轉矩輸出的條件，如式(2)所示：
式(2)中，p為電機的極對數，lq為交軸電感，usmax為最大定子相電壓；
s4：選取ψpm(if0)、ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)共k+1個永磁磁鏈，且ψpm(if(j-1))＞ψpm(ifj)，1≤j≤k；然後根據式(2)分別計算所述永磁磁鏈ψpm(if0)、ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)及對應的轉速n0、n1……n(k-1)、nk，並將所計算的轉速和永磁磁鏈關係存儲於速度-永磁磁鍊表中；
s5：當給定轉速n滿足n(j-1)＜n≤nj，步驟s3中定子永磁型記憶電機大轉矩輸出控制的條件轉換為
s6：通過比較永磁磁鏈觀測器觀測的永磁磁鏈ψpmo(if)和轉速nj所對應的永磁磁鏈ψpm(ifj)判斷步驟s2和步驟s5的調磁過程；其中，if調磁脈衝。
進一步，所述步驟s3中，式(2)具體通過以下步驟得到：
s3.11：在高速區，當調磁過程結束，且電機處於穩態時，定子永磁型記憶電機的電磁轉矩te如式(4)所示：
te＝1.5p(ψpm(if))iq(4)
式(4)中，ψpm(if)永磁體永磁磁鏈，iq交軸電流；
s3.12：定義目標函數為：
f(ψpm(if),iq)＝-ψpm(if)iq(5)
s3.13：上述目標函數需滿足如下電壓和電流約束條件：
式(6)中，h1(ψpm(if),iq)為電流約束條件；h2(ψpm(if),iq)為電壓約束條件；
s3.14：根據式(5)和式(6)可定義拉格朗日函數f(ψpm(if),iq,λ1,λ2)為：
f(ψpm(if),iq,λ1,λ2)＝f(ψpm(if),iq)+λ1h1(ψpm(if),iq)+λ2h2(ψpm(if),iq)(7)
式(7)中，λ1為電流約束因子；λ2為電壓約束因子；
s3.15：式(7)分別對ψpm(if)、iq、λ1和λ2求偏導得：
s3.16：求解式(8)可得定子永磁型記憶電機大轉矩輸出控制的條件如式(2)所示。
進一步，所述步驟s6具體包括以下步驟：
s6.11：如果ψpmo(if)小於ψpm(ifj)，則施加正向調磁脈衝使ψpmo(if)達到ψpm(ifj)，此時，調磁脈衝給定值的分配策略為：
式(9)中，f1(ψpm(ifj))如式(10)所示：
s6.12：如果ψpmo(if)等於ψpm(ifj)，調磁脈衝給定值的分配策略為：
s6.13：如果ψpmo(if)大於ψpm(ifj)，則施加反向調磁脈衝使ψpmo(if)達到ψpm(ifj)，此時，調磁脈衝給定值的分配策略為：
式(12)中，f2(ψpm(ifj))如式(13)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)本發明方法在低速區和高速區時的大轉矩輸出條件受到電機參數的影響較小，魯棒性強。
2)本發明根據鋁鎳鈷永磁磁化狀態的可調特性，在高速區內採用類似於低速區的大轉矩輸出條件，同時避免頻繁的調磁控制，甚至調磁失敗。
附圖說明
圖1為本發明具體實施方式中定子永磁型記憶電機大轉矩輸出控制方法的不同永磁磁鏈時電壓極限橢圓軌跡圖；
圖2為本發明具體實施方式中定子永磁型記憶電機大轉矩輸出控制方法控制框圖；
圖3為本發明具體實施方式中定子永磁型記憶電機大轉矩輸出控制方法速度仿真波形；
圖4為本發明具體實施方式中定子永磁型記憶電機大轉矩輸出控制方法調磁脈衝仿真波形；
圖5為本發明具體實施方式中定子永磁型記憶電機大轉矩輸出控制方法觀測永磁磁鏈仿真波形；
圖6為本發明具體實施方式中定子永磁型記憶電機大轉矩輸出控制方法轉矩仿真波形；
圖7為本發明具體實施方式中定子永磁型記憶電機大轉矩輸出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大轉矩輸出控制方法，如圖2所示，包括以下步驟：
s1：基於額定轉速nn，定子永磁型記憶電機在全速區可分為低速區和高速區，其中nn為鋁鎳鈷永磁處於飽和磁化狀態時所對應的轉速；當給定轉速n小於nn時，電機工作於低速區；當n大於nn時，電機工作於高速區；
s2：計算得到在低速區實現大轉矩輸出的條件，如式(1)所示：
式(1)中，為直軸電流參考值，為交軸電流參考值，為永磁磁鏈參考值，in為定子額定相電流，ψpm(ifk)為鋁鎳鈷永磁飽和充磁狀態時的永磁磁鏈，ifk為飽和調磁脈衝；
s3：計算得到在高速區實大轉矩輸出的條件，如式(2)所示：
式(2)中，p為電機的極對數，lq為交軸電感，usmax為最大定子相電壓；
s4：在不同磁化狀態下，電機的交軸電感和永磁磁鏈在是變化的。為了降低參數的變化對鋁鎳鈷永磁磁化控制的影響，同時避免頻繁的調磁控制，甚至調磁失敗，可根據永磁體的磁化狀態確定電機在不同速度區間轉折速度。具體為選取ψpm(if0)、ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)共k+1個永磁磁鏈，且ψpm(if(j-1))＞ψpm(ifj)，1≤j≤k；然後根據式(2)分別計算所述永磁磁鏈ψpm(if0)、ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)及對應的轉速n0、n1……n(k-1)、nk，並將所計算的轉速和永磁磁鏈關係存儲於速度-永磁磁鍊表中；
s5：如圖1所示，當給定轉速n滿足n(j-1)＜n≤nj，步驟s3中定子永磁型記憶電機大轉矩輸出控制的條件轉換為
s6：通過比較永磁磁鏈觀測器觀測的永磁磁鏈ψpmo(if)和轉速nj所對應的永磁磁鏈ψpm(ifj)判斷步驟s2和步驟s5的調磁過程；其中，if調磁脈衝。
步驟s3中，式(2)具體通過以下步驟得到：
s3.11：在高速區，當調磁過程結束，且電機處於穩態時，定子永磁型記憶電機的電磁轉矩te如式(2)所示：
te＝1.5p(ψpm(if))iq(4)
式(4)中，ψpm(if)永磁體永磁磁鏈，iq交軸電流；
s3.12：定義目標函數為：
f(ψpm(if),iq)＝-ψpm(if)iq(5)
s3.13：上述目標函數需滿足如下電壓和電流約束條件：
式(6)中，h1(ψpm(if),iq)為電流約束條件；h2(ψpm(if),iq)為電壓約束條件；
s3.14：根據式(5)和式(6)可定義拉格朗日函數f(ψpm(if),iq,λ1,λ2)為：
f(ψpm(if),iq,λ1,λ2)＝f(ψpm(if),iq)+λ1h1(ψpm(if),iq)+λ2h2(ψpm(if),iq)(7)
式(7)中，λ1為電流約束因子；λ2為電壓約束因子；
s3.15：式(7)分別對ψpm(if)、iq、λ1和λ2求偏導得：
s3.16：求解式(8)可得定子永磁型記憶電機大轉矩輸出控制的條件如式(2)所示。
步驟s6具體包括以下步驟：
s6.11：如果ψpmo(if)小於ψpm(ifj)，則施加正向調磁脈衝使ψpmo(if)達到ψpm(ifj)，此時，調磁脈衝給定值的分配策略為：
式(9)中，f1(ψpm(ifj))如式(10)所示：
s6.12：如果ψpmo(if)等於ψpm(ifj)，調磁脈衝給定值的分配策略為：
s6.13：如果ψpmo(if)大於ψpm(ifj)，則施加反向調磁脈衝使ψpmo(if)達到ψpm(ifj)，此時，調磁脈衝給定值的分配策略為：
式(12)中，f2(ψpm(ifj))如式(13)所示：
永磁磁鏈觀測器觀測永磁磁鏈ψpmo(if)的過程如下：
s6.31：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(14)
式(14)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；
s6.32：根據步驟s6.31構造永磁磁鏈觀測器模型為：
式(15)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；
s6.33：定義由式(15)減去式(14)，得到磁鏈觀測器狀態變量的偏差方程為：
式(16)中，為狀態變量偏差；
s6.34：根據波波夫超穩定性理論，式(16)所描述系統滿足穩定的條件為：
s6.35：利用波波夫積分不等式求解的永磁磁鏈自適應律為：
式(18)中，kp為比例係數，ki為積分係數；
根據步驟s6.33中的算式可得δψpm(if)和δlq的函數關係為：
s6.36：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：
還可以包括步驟s7和s8：
s7：將步驟s2和s5所得的直軸電流給定值和交軸電流給定值與直軸電流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。
s8：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s2和s5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、圖6和圖7分別給出了電機的轉速、調磁脈衝、觀測永磁磁鏈、矩仿和電流的仿真波形。由圖可知，在不同的速度區間，定子永磁型記憶電機採用大轉矩輸出控制方法實現了電機的大轉矩輸出。