一种定子永磁型记忆电机大转矩输出控制方法与流程

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大转矩输出控制方法。

背景技术：

由于具有高效率，高功率密度和高控制精度等优点，永磁同步电机被广泛应用于风力发电、电动汽车及家用电器等领域。然而，恒定的永磁体励磁使得电机气隙磁通不易调节，这限制了永磁同步电机的进一步应用。为了解决这一问题，研究者提出采用负的直轴电流控制方法或采用永磁体和励磁绕组进行混合励磁的混合励磁控制方法。这些方法拓展了永磁同步电机的恒功率工作范围，但在弱磁控制时需施加连续的弱磁电流，这增加了系统铜耗，降低了系统效率。

2001年，研究者提出一种将具有低矫顽力和高剩磁特性的铝镍钴永磁作为励磁源的记忆电机。该电机通过采用调磁脉冲可直接改变铝镍钴的磁化状态，进而实现了电机气隙磁通的控制，并且在调磁过程中所产生的调磁铜耗几乎可以忽略。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以下不足：

1)铝镍钴永磁和电枢绕组位置变化，这增加了调磁控制的难度；

2)电机在高速运行时，为了防止位于转子上的铝镍钴永磁体离心，需增加额外的固定装置，这增加了电机安装的难度，提高了电机的成本；

3)电机的电枢反应可能导致铝镍钴永磁发生不可逆去磁，不仅降低了电机控制精度，而且恶化了电机性能；

4)为了改变铝镍钴永磁的磁化状态，所需调磁脉冲的幅值较大。因而，需要选择较大功率定额的功率器件，这增加了系统的成本。

为了克服转子永磁型记忆电机的不足，学者提出了铝镍钴永磁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，铝镍钴永磁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。按照工作原理的不同，定子永磁型记忆电机可分为双凸极记忆电机和磁通切换记忆电机两种类型。目前，对于双凸极记忆电机，学者提出了该记忆电机的双模式工作及在单相短路故障下的容错控制。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。而对该类记忆电机大转矩输出控制的研究还未见诸报道。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种能够使电机在不同运行速度区间实现大转矩输出控制的方法。

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大转矩输出控制方法，包括以下步骤：

s1：基于额定转速nn，定子永磁型记忆电机在全速区可分为低速区和高速区，其中nn为铝镍钴永磁处于饱和磁化状态时所对应的转速；当给定转速n小于nn时，电机工作于低速区；当n大于nn时，电机工作于高速区；

s2：计算得到在低速区实现大转矩输出的条件，如式(1)所示：

式(1)中，为直轴电流参考值，为交轴电流参考值，为永磁磁链参考值，in为定子额定相电流，ψpm(ifk)为铝镍钴永磁饱和充磁状态时的永磁磁链，ifk为饱和调磁脉冲；

s3：计算得到在高速区实现大转矩输出的条件，如式(2)所示：

式(2)中，p为电机的极对数，lq为交轴电感，usmax为最大定子相电压；

s4：选取ψpm(if0)、ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)共k+1个永磁磁链，且ψpm(if(j-1))＞ψpm(ifj)，1≤j≤k；然后根据式(2)分别计算所述永磁磁链ψpm(if0)、ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)及对应的转速n0、n1……n(k-1)、nk，并将所计算的转速和永磁磁链关系存储于速度-永磁磁链表中；

s5：当给定转速n满足n(j-1)＜n≤nj，步骤s3中定子永磁型记忆电机大转矩输出控制的条件转换为

s6：通过比较永磁磁链观测器观测的永磁磁链ψpmo(if)和转速nj所对应的永磁磁链ψpm(ifj)判断步骤s2和步骤s5的调磁过程；其中，if调磁脉冲。

进一步，所述步骤s3中，式(2)具体通过以下步骤得到：

s3.11：在高速区，当调磁过程结束，且电机处于稳态时，定子永磁型记忆电机的电磁转矩te如式(4)所示：

te＝1.5p(ψpm(if))iq(4)

式(4)中，ψpm(if)永磁体永磁磁链，iq交轴电流；

s3.12：定义目标函数为：

f(ψpm(if),iq)＝-ψpm(if)iq(5)

s3.13：上述目标函数需满足如下电压和电流约束条件：

式(6)中，h1(ψpm(if),iq)为电流约束条件；h2(ψpm(if),iq)为电压约束条件；

s3.14：根据式(5)和式(6)可定义拉格朗日函数f(ψpm(if),iq,λ1,λ2)为：

f(ψpm(if),iq,λ1,λ2)＝f(ψpm(if),iq)+λ1h1(ψpm(if),iq)+λ2h2(ψpm(if),iq)(7)

式(7)中，λ1为电流约束因子；λ2为电压约束因子；

s3.15：式(7)分别对ψpm(if)、iq、λ1和λ2求偏导得：

s3.16：求解式(8)可得定子永磁型记忆电机大转矩输出控制的条件如式(2)所示。

进一步，所述步骤s6具体包括以下步骤：

s6.11：如果ψpmo(if)小于ψpm(ifj)，则施加正向调磁脉冲使ψpmo(if)达到ψpm(ifj)，此时，调磁脉冲给定值的分配策略为：

式(9)中，f1(ψpm(ifj))如式(10)所示：

s6.12：如果ψpmo(if)等于ψpm(ifj)，调磁脉冲给定值的分配策略为：

s6.13：如果ψpmo(if)大于ψpm(ifj)，则施加反向调磁脉冲使ψpmo(if)达到ψpm(ifj)，此时，调磁脉冲给定值的分配策略为：

式(12)中，f2(ψpm(ifj))如式(13)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)本发明方法在低速区和高速区时的大转矩输出条件受到电机参数的影响较小，鲁棒性强。

2)本发明根据铝镍钴永磁磁化状态的可调特性，在高速区内采用类似于低速区的大转矩输出条件，同时避免频繁的调磁控制，甚至调磁失败。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中定子永磁型记忆电机大转矩输出控制方法的不同永磁磁链时电压极限椭圆轨迹图；

图2为本发明具体实施方式中定子永磁型记忆电机大转矩输出控制方法控制框图；

图3为本发明具体实施方式中定子永磁型记忆电机大转矩输出控制方法速度仿真波形；

图4为本发明具体实施方式中定子永磁型记忆电机大转矩输出控制方法调磁脉冲仿真波形；

图5为本发明具体实施方式中定子永磁型记忆电机大转矩输出控制方法观测永磁磁链仿真波形；

图6为本发明具体实施方式中定子永磁型记忆电机大转矩输出控制方法转矩仿真波形；

图7为本发明具体实施方式中定子永磁型记忆电机大转矩输出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大转矩输出控制方法，如图2所示，包括以下步骤：

s1：基于额定转速nn，定子永磁型记忆电机在全速区可分为低速区和高速区，其中nn为铝镍钴永磁处于饱和磁化状态时所对应的转速；当给定转速n小于nn时，电机工作于低速区；当n大于nn时，电机工作于高速区；

s2：计算得到在低速区实现大转矩输出的条件，如式(1)所示：

式(1)中，为直轴电流参考值，为交轴电流参考值，为永磁磁链参考值，in为定子额定相电流，ψpm(ifk)为铝镍钴永磁饱和充磁状态时的永磁磁链，ifk为饱和调磁脉冲；

s3：计算得到在高速区实大转矩输出的条件，如式(2)所示：

式(2)中，p为电机的极对数，lq为交轴电感，usmax为最大定子相电压；

s4：在不同磁化状态下，电机的交轴电感和永磁磁链在是变化的。为了降低参数的变化对铝镍钴永磁磁化控制的影响，同时避免频繁的调磁控制，甚至调磁失败，可根据永磁体的磁化状态确定电机在不同速度区间转折速度。具体为选取ψpm(if0)、ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)共k+1个永磁磁链，且ψpm(if(j-1))＞ψpm(ifj)，1≤j≤k；然后根据式(2)分别计算所述永磁磁链ψpm(if0)、ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)及对应的转速n0、n1……n(k-1)、nk，并将所计算的转速和永磁磁链关系存储于速度-永磁磁链表中；

s5：如图1所示，当给定转速n满足n(j-1)＜n≤nj，步骤s3中定子永磁型记忆电机大转矩输出控制的条件转换为

s6：通过比较永磁磁链观测器观测的永磁磁链ψpmo(if)和转速nj所对应的永磁磁链ψpm(ifj)判断步骤s2和步骤s5的调磁过程；其中，if调磁脉冲。

步骤s3中，式(2)具体通过以下步骤得到：

s3.11：在高速区，当调磁过程结束，且电机处于稳态时，定子永磁型记忆电机的电磁转矩te如式(2)所示：

te＝1.5p(ψpm(if))iq(4)

式(4)中，ψpm(if)永磁体永磁磁链，iq交轴电流；

s3.12：定义目标函数为：

f(ψpm(if),iq)＝-ψpm(if)iq(5)

s3.13：上述目标函数需满足如下电压和电流约束条件：

式(6)中，h1(ψpm(if),iq)为电流约束条件；h2(ψpm(if),iq)为电压约束条件；

s3.14：根据式(5)和式(6)可定义拉格朗日函数f(ψpm(if),iq,λ1,λ2)为：

f(ψpm(if),iq,λ1,λ2)＝f(ψpm(if),iq)+λ1h1(ψpm(if),iq)+λ2h2(ψpm(if),iq)(7)

式(7)中，λ1为电流约束因子；λ2为电压约束因子；

s3.15：式(7)分别对ψpm(if)、iq、λ1和λ2求偏导得：

s3.16：求解式(8)可得定子永磁型记忆电机大转矩输出控制的条件如式(2)所示。

步骤s6具体包括以下步骤：

s6.11：如果ψpmo(if)小于ψpm(ifj)，则施加正向调磁脉冲使ψpmo(if)达到ψpm(ifj)，此时，调磁脉冲给定值的分配策略为：

式(9)中，f1(ψpm(ifj))如式(10)所示：

s6.12：如果ψpmo(if)等于ψpm(ifj)，调磁脉冲给定值的分配策略为：

s6.13：如果ψpmo(if)大于ψpm(ifj)，则施加反向调磁脉冲使ψpmo(if)达到ψpm(ifj)，此时，调磁脉冲给定值的分配策略为：

式(12)中，f2(ψpm(ifj))如式(13)所示：

永磁磁链观测器观测永磁磁链ψpmo(if)的过程如下：

s6.31：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(14)

式(14)中，i＝[idiq]，id为电机的直轴电流，iq为交轴电流；u＝[uduq]，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；

s6.32：根据步骤s6.31构造永磁磁链观测器模型为：

式(15)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；

s6.33：定义由式(15)减去式(14)，得到磁链观测器状态变量的偏差方程为：

式(16)中，为状态变量偏差；

s6.34：根据波波夫超稳定性理论，式(16)所描述系统满足稳定的条件为：

s6.35：利用波波夫积分不等式求解的永磁磁链自适应律为：

式(18)中，kp为比例系数，ki为积分系数；

根据步骤s6.33中的算式可得δψpm(if)和δlq的函数关系为：

s6.36：为了减小交轴电感对永磁磁链的影响，在满足系统稳定的情况下，反馈增益矩阵h1，h2设定为：

还可以包括步骤s7和s8：

s7：将步骤s2和s5所得的直轴电流给定值和交轴电流给定值与直轴电流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。

s8：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s2和s5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、图6和图7分别给出了电机的转速、调磁脉冲、观测永磁磁链、矩仿和电流的仿真波形。由图可知，在不同的速度区间，定子永磁型记忆电机采用大转矩输出控制方法实现了电机的大转矩输出。