专利名称：混合励磁同步电动机宽调速系统及电流分配方法
技术领域：
本发明属于电机控制领域，具体地说是涉及一种混合励磁同步电动机(HESM)的控制系统，并在该控制系统中对电流如何分配提出了方法。
背景技术：
HESM是在永磁同步电机和电励磁同步电机的基础上发展起来的，内部包含永磁体磁势和电励磁磁势两个磁势源。永磁体产生的磁势为主磁势，励磁绕组产生的磁势为辅助磁势。因此这种电机既具有永磁同步电机效率高、转矩/质量比大的特点，同时又具有电励磁同步电机调磁方便、调磁容量大的优点，使电机具备很宽的调速范围，具有较大的推广应用价值。近年来，国内外学者、专家对这类电机理论研究及本体设计做了大量研究工作， 取得了很多有意义的成果。国内已经有不少关于混合励磁电机的专利。如专利号为 200510040938. 7的专利“混合励磁无刷爪极电动机”、专利号为200510112091. 9的专利“双馈电混合励磁轴向磁场永磁电机”、专利号为200510112090. 4的专利“旁路式混合励磁电机”等介绍不同混合励磁电机结构、功能及调磁特性。但是，对该类电机的驱动系统研究相对较少。目前已有的文献大多是从控制理论，动态仿真的角度来进行研究，没有从软件和硬件设计两个方面系统给出完整的基于矢量控制的最优效率控制方案，国内也尚未见到有关 HESM控制系统设计的专利公开。HESM的控制和永磁同步电机相比，多了一个控制变量，是个典型的多变量、强耦合的非线性系统。HESM的启动与永磁同步电机一样，需要确定电机转子的初始位置。如何采用简单有效的方式解决电机的启动问题，如何协调控制电枢电流与励磁电流的合理分配， 以及采用何种方式对HESM进行解耦控制，是解决HESM控制的几个关键问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够协调控制电枢电流与励磁电流的混合励磁同步电动机宽调速系统，并相应地提出了一种电流分配方法。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案本发明从HESM电机主电路中采集相电流iA，iB和励磁电流if，从HESM电机上采集的实测转速所述的相电流经过A/D转换模块处理后，依次在Clarke模块和Park模块中进行 Clarke变换和Park变换，得到两相旋转直角坐标系下的d轴电流id和q轴电流i,；所述的实测转速r^与给定转速nMf进行比较，比较值在速度控制器中进行PID运算，得到转矩参考电流，转矩参考电流itref与给定转速nMf和实测转速送入电流分配器中，电流分配器对电枢转矩电流和励磁电流进行合理分配，最终输出d轴参考电流idMf、q轴参考电流
和励磁参考电流ifref ；其中，d轴参考电流idref和q轴参考电流分别与d轴电流id和q轴电流i,进行比较，并将比较值分别送入电流控制器中进行PID运算，得到d轴电压Ud和q轴电压U,， d轴电压Ud和q轴电压U,在Ipark模块中经过Ipark变换，得到静止两相坐标系下的电压信号，该电压信号传递到SVPWM模块中经过空间电压矢量变换后，输出PWMl 6的占空比信号至PWMl 6EVA模块中，通过该PWMl 6EVA模块产生的P丽信号控制电枢驱动模块相应功率管的导通与关断；从HESM电机主电路中采集的励磁电流if经过A/D转换模块处理后，送入励磁电流PWM产生模块；同时，电流分配器输出的励磁参考电流也传递到励磁电流PWM产生模块中；该励磁电流PWM产生模块计算得到PWM7 10信号的占空比，该占空比值传递到 PWM7 10 EVB模块中进行处理，得到励磁驱动模块的PWM控制信号，该PWM控制信号送至励磁驱动模块中。在从HESM电机上采集的实测转速η,之前，确定HESM电机转子的初始位置与 HESM电机转子同轴安装的光电编码器，随转子转动时输出两组六路脉冲信号；其中一组脉冲信号是相位相差60电角度的脉冲信号U，V，W，各脉冲宽度为180电角度，这组信号在电机启动时用于转子磁极粗略定位，输入到QEP2单元，QEP2单元根据捕捉到的UVW值，采用方波控制对应的两相电枢绕组导通，使电机转动；电机在转过小于或等于一周的时间内，会捕捉到一个复位脉冲信号，根据所述的复位脉冲信号得到电机转子的初始位置；光电编码器输出另一组脉冲信号包含复位信号和两路正交编码脉冲信号，这一组信号被送入QEPl单元， 并最终获得实测转速rv从A/D转换模块输出的相电流iA，iB和励磁电流仁送入过流保护模块中，与设定的电流值比较；如果电机产生过流或过压现象，则输出故障信号至封锁驱动模块，封锁电枢驱动模块和励磁驱动模块，同时关闭电机。所述的电枢驱动模块和励磁驱动模块均与故障检测报警电路相连接，当电枢驱动模块、励磁驱动模块中的任意一个发生故障时，该故障检测报警电路输出驱动信号至封锁驱动模块，封锁电枢驱动模块和励磁驱动模块，同时关闭电机。一种电流分配器的电流分配方法，它根据HESM电机所处的速度区域，分别采用不同的控制策略，使HESM电机在各区域均能保持效率最优的运行状态(1)低速区控制该区域中η,彡ηΝ，其中为η,实测转速，ηΝ为额定转速，nBinc为增
磁基速，Ilfflax为转矩电流最大参考值， 30Pn _20Ρν nB,m Zrmax = 其中，Pn为额定转速的功率，Tmax为电机输出最大参考转矩，Ψρω为永磁磁链，Msf为电枢与励磁绕组之间的互感，Iqn为q轴额定电流，P为电机的极对数，Iffl为额定励磁电流；(2)中速区控制该区域中nN<nr彡nBde。，其中，nBde。为弱磁基速，则ifrrf = 0，idrrf(3)高速区控制该区域中r^ > nBde。，将该区域进一步细分为两个子区
I)子区I :nBdec <nr^ nBde。2，其中，子区II的弱磁基速，则
权利要求
1.一种混合励磁同步电动机宽调速系统，其特征在于它从HESM电机主电路中采集相电流iA，iB和励磁电流if，从HESM电机上采集的实测转速~ ；所述的相电流经过A/D转换模块处理后，依次在Clarke模块和Park模块中进行 Clarke变换和Park变换，得到两相旋转直角坐标系下的d轴电流id和q轴电流i,；所述的实测转速r^与给定转速nMf进行比较，比较值在速度控制器中进行PID运算，得到转矩参考电流，转矩参考电流itref与给定转速nMf和实测转速送入电流分配器中，电流分配器对电枢转矩电流和励磁电流进行合理分配，最终输出d轴参考电流idMf、q轴参考电流和励磁参考电流ifref ；其中，d轴参考电流idref和q轴参考电流分别与d轴电流id和q轴电流i,进行比较，并将比较值分别送入电流控制器中进行PID运算，得到d轴电压Ud和q轴电压U,，d 轴电压Ud和q轴电压U,在Ipark模块中经过Ipark变换，得到静止两相坐标系下的电压信号，该电压信号传递到SVPWM模块中经过空间电压矢量变换后，输出PWMl 6的占空比信号至PWMl 6EVA模块中，通过该PWMl 6EVA模块产生的PWM信号控制电枢驱动模块相应功率管的导通与关断；从HESM电机主电路中采集的励磁电流if经过A/D转换模块处理后，送入励磁电流PWM 产生模块；同时，电流分配器输出的励磁参考电流ifref也传递到励磁电流PWM产生模块中； 该励磁电流PWM产生模块计算得到PWM7 10信号的占空比，该占空比值传递到PWM7 10EVB模块中进行处理，得到励磁驱动模块的PWM控制信号，该PWM控制信号送至励磁驱动模块中。
2.根据权利要求1所述的混合励磁同步电动机宽调速系统，其特征在于在从HESM电机上采集的实测转速η,之前，确定HESM电机转子的初始位置与HESM电机转子同轴安装的光电编码器，随转子转动时输出两组六路脉冲信号；其中一组脉冲信号是相位相差60电角度的脉冲信号U，V，W，各脉冲宽度为180电角度，这组信号在电机启动时用于转子磁极粗略定位，输入到QEP2单元，QEP2单元根据捕捉到的UVW值，采用方波控制对应的两相电枢绕组导通，使电机转动；电机在转过小于或等于一周的时间内，会捕捉到一个复位脉冲信号， 根据所述的复位脉冲信号得到电机转子的初始位置；光电编码器输出另一组脉冲信号包含复位信号和两路正交编码脉冲信号，这一组信号被送入QEPl单元，并最终获得实测转速IV
3.根据权利要求1所述的混合励磁同步电动机宽调速系统，其特征在于从A/D转换模块输出的相电流iA，iB和励磁电流“送入过流保护模块中，与设定的电流值比较；如果电机产生过流或过压现象，则输出故障信号至封锁驱动模块，封锁电枢驱动模块和励磁驱动模块，同时关闭电机。
4.根据权利要求1所述的混合励磁同步电动机宽调速系统，其特征在于所述的电枢驱动模块和励磁驱动模块均与故障检测报警电路相连接，当电枢驱动模块、励磁驱动模块中的任意一个发生故障时，该故障检测报警电路输出驱动信号至封锁驱动模块，封锁电枢驱动模块和励磁驱动模块，同时关闭电机。
5.一种如权利要求1中电流分配器的电流分配方法，其特征在于它根据HESM电机所处的速度区域，分别采用不同的控制策略，使HESM电机在各区域均能保持效率最优的运行状态(1)低速区控制该区域中r^ ^ nN，其中为r^实测转速，nN为额定转速，nBinc为增磁基速，Ixmax为转矩电流最大参考值， 30Pn _20Pn _
全文摘要
本发明公开了一种混合励磁同步电动机宽调速系统及电流分配方法，对电枢驱动和励磁驱动同时施加了控制策略。当电机处于启动阶段时，通过给励磁绕组施加额定的正向增磁电流，可提高电机的启动转矩，使电机在不过流的情况下获得超过额定转矩的电磁转矩，缩短了电机启动的过渡时间；当电机处于低速运行区间时，如果电机负载超过额定负载，通过施加正向增磁电流提升电机的电磁转矩，使电机在不过流、不过热的情况下，获得超额负载能力；当需要电机高速运行时，通过给HESM施加一个合适的反向励磁电流与d轴电枢电流进行弱磁调节，可以获得一个远高于额定转速的恒功率运行区间。
文档编号H02P21/14GK102324882SQ20111027676
公开日2012年1月18日 申请日期2011年9月19日 优先权日2011年9月19日
发明者周成虎, 徐其兴, 李娜, 李小魁, 郭新军, 黄明明 申请人:河南工程学院