混合勵(lì)磁同步電機(jī)低速大力矩控制策略的研究

1、第期（總第期）年月機(jī)械工程與自動(dòng)化文章編號(hào)：（）混合勵(lì)磁同步電機(jī)低速大力矩控制策略的研究馮杰，李優(yōu)新，黎勉，王勝?gòu)?qiáng)，楊賓（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州）摘要：根據(jù)混合勵(lì)磁同步電機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)合空間電壓矢量控制算法，提出了一種在額定轉(zhuǎn)速及以下時(shí)增大輸出力矩的新型控制策略，同時(shí)對(duì)如何有效增磁以實(shí)現(xiàn)低速大力矩的控制算法進(jìn)行了深入的研究。該控制思想是把電機(jī)控制分為常規(guī)力矩區(qū)與動(dòng)態(tài)增磁區(qū)，在不同的區(qū)域下采用不同的控制方法，使得電機(jī)在整個(gè)運(yùn)行中能表現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的控制策略，能夠有效實(shí)現(xiàn)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下力矩大幅的增加，且電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)性能良好。關(guān)鍵詞：混合勵(lì)磁同步電機(jī)；低速大力矩；電

2、流分配器；控制策略中圖分類(lèi)號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 廣東省重大科技專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目（）收稿日期：；修回日期：作者簡(jiǎn)介：馮杰（），男，江西九江人，在讀碩士研究生，研究方向：新能源電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。引言混合勵(lì)磁同步電機(jī)（，）在結(jié)構(gòu)、性能方面與永磁同步電機(jī)（）有相似之處，但其驅(qū)動(dòng)與控制有其特殊性。東南大學(xué)黃明明博士給出了混合勵(lì)磁同步電機(jī)分區(qū)控制系統(tǒng)。日本學(xué)者建立了一種基于通用坐標(biāo)系的動(dòng)態(tài)矢量控制模型及對(duì)隱極提出了一種基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的銅耗最小化矢量控制模型，。廣東工業(yè)大學(xué)的李優(yōu)新博士提出了一種混合勵(lì)磁無(wú)刷直流電機(jī)的控制策略。本文針對(duì)一臺(tái)額定功率為的，基于空間電壓矢量（，）控制的思想，在傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器模型上加入

3、了一個(gè)電流分配器，通過(guò)電流分配器合理分配電樞電流與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電樞電流與勵(lì)磁電流之間的解耦，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的可靠穩(wěn)定工作。的結(jié)構(gòu)原理與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)圖為內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，電機(jī)的定子與普通的定子相同。從電機(jī)的電磁關(guān)系來(lái)看，與相比，結(jié)構(gòu)上多了勵(lì)磁繞組。調(diào)磁機(jī)理當(dāng)不加勵(lì)磁電流時(shí)，勵(lì)磁繞組不產(chǎn)生勵(lì)磁磁勢(shì)，則電機(jī)氣隙中只有永磁磁通，此時(shí)的就相當(dāng)于一臺(tái)。如圖所示，當(dāng)負(fù)載力矩超過(guò)電機(jī)額定力矩，則向的勵(lì)磁繞組中通入增磁勵(lì)磁電流。電機(jī)氣隙中將產(chǎn)生與永磁磁通方向相同的勵(lì)磁磁通，以達(dá)到增加電機(jī)磁通的效果。電機(jī)磁通增加后，使得電機(jī)在不增加電樞電流的前提下增大了電機(jī)的輸出力矩。圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型不

4、失一般性，對(duì)于這臺(tái)，忽略的電樞電壓、電流諧波分量等的影響，仍然采用坐標(biāo)系來(lái)建立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型。根據(jù)的控制原理，可得到的控制系統(tǒng)模型，如圖所示。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要功能模塊與傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，主要是控制對(duì)象不同并且多了個(gè)模塊，分別是勵(lì)磁電流脈寬調(diào)制信號(hào)、勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)及電流分配器。其中的電流分配器是最為關(guān)鍵的一部分，它是被用來(lái)合理分配電樞電流與勵(lì)磁電流之間關(guān)系的，以保證的穩(wěn)定與可靠運(yùn)行。電流分配器的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)電流分配器調(diào)節(jié)軸電流參考值倡與勵(lì)磁電流參考值倡。由于采用的矢量控制，所以軸電流參考值倡在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中直接賦為零值。通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度、驅(qū)動(dòng)器的母線電壓兩變量來(lái)選擇控制區(qū)域。當(dāng)負(fù)載力矩沒(méi)有

5、超過(guò)電機(jī)的額定力矩時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在常規(guī)力矩區(qū)，此時(shí)的驅(qū)動(dòng)器就相當(dāng)于一臺(tái)驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)負(fù)載力矩大于電機(jī)額定力矩時(shí)，電機(jī)進(jìn)入動(dòng)態(tài)增磁區(qū)，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)增加倡以達(dá)到增大電機(jī)輸出力矩的目的。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器獲得電機(jī)的與電角度；電機(jī)轉(zhuǎn)速參考值倡由驅(qū)動(dòng)器給定；為電機(jī)參考輸 出力矩。圖電機(jī)定 、轉(zhuǎn)子截面圖圖 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型圖電流分配器結(jié)構(gòu)框圖的低速大力矩控制策略總體控制思想本文提出一種簡(jiǎn)單有效的控制算法，即當(dāng)負(fù)載力矩在額定力矩以下時(shí)，不用增加勵(lì)磁電流，即，此時(shí)的可以看作一臺(tái)，可以采用傳統(tǒng)的控制策略；當(dāng)負(fù)載在額定力矩以上時(shí)，保持原有電樞電流值不變，調(diào)節(jié)的勵(lì)磁電流，從而增加勵(lì)磁磁通使得的輸出力矩與負(fù)載力矩之間的動(dòng)

6、態(tài)平衡，在不增加電樞電流的前提下實(shí)現(xiàn)的低速大力矩的特性。低速大力矩控制算法下面來(lái)推導(dǎo)在動(dòng)態(tài)增磁區(qū)時(shí)，電樞電流與勵(lì)磁電流的基本關(guān)系。設(shè)為電機(jī)的輸出力矩：（）（）其中：為極對(duì)數(shù)；為軸電流；為永磁磁鏈；為電樞繞組與勵(lì)磁繞組之間的互感；為勵(lì)磁電流的瞬時(shí)值。設(shè)為電機(jī)在不加勵(lì)磁電流情況下的額定輸出力矩，則：（）（）其中：為軸電流額定值。根據(jù)式（），可以推算出：（）令（）為當(dāng)負(fù)載力矩大于時(shí)所需的力矩對(duì)應(yīng)的軸電流值，則之間的差值由勵(lì)磁電流來(lái)補(bǔ)充。由式（）、式（）、式（）可得：（）（）轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，定子繞組與勵(lì)磁繞組磁鏈方程為： （）其中：，分別為電機(jī)的軸與軸的磁鏈；為勵(lì)磁繞組的磁鏈；，分別為電機(jī)的軸與軸

7、自感系數(shù)；為勵(lì)磁繞組自感系數(shù)；，分別為軸與軸的瞬時(shí)電流值。將式（）展開(kāi)，再根據(jù)與的關(guān)系式，可得：（） （）其中：，分別為電樞電壓，軸值；為勵(lì)磁繞組電壓值；為定子繞組電阻值；為勵(lì)磁繞組電阻值；為電機(jī)同步角速度。又因?yàn)樾枰獫M足（為不加時(shí)軸電壓額定值）。則根據(jù)式（）可得在轉(zhuǎn)速倡（倡年第期馮杰，等：混合勵(lì)磁同步電機(jī)低速大力矩控制策略的研究為電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的任一轉(zhuǎn)速）的最大勵(lì)磁電流倡：倡倡）（）其中：為電機(jī)轉(zhuǎn)速額定值。在電機(jī)進(jìn)入恒功率區(qū)后，要小于等于勵(lì)磁電流額定值；同時(shí)，其最大勵(lì)磁電流又不能超過(guò)倡。所以有：（，倡）（）當(dāng)倡時(shí)，則由式（）可知，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為：（）則由式（）、式（）可得，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速倡時(shí)，；

8、當(dāng)倡時(shí)，倡，在這段速度區(qū)間內(nèi)為恒功率區(qū)，倡會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而減小。動(dòng)態(tài)增磁區(qū)的工作流程可以總結(jié)為：當(dāng)負(fù)載力矩大于電機(jī)輸出力矩時(shí)，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)速環(huán)對(duì)電流分配器的給定電磁力矩參考值增加。電流分配器根據(jù)力矩參考值在的模式下計(jì)算出，再保持；通過(guò)式（）計(jì)算出，再根據(jù)式（）、式（）得出的最大值。通過(guò)增加使得輸出力矩加大，實(shí)現(xiàn)電機(jī)力矩與負(fù)載力矩間的動(dòng)態(tài)平衡。實(shí)驗(yàn)分析實(shí)驗(yàn)以一臺(tái)額定功率為、頻率為的極為對(duì)象，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由泰克公司的型示波器采集，由處理后所得。樣機(jī)的力矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)由日本小野公司的數(shù)字力矩儀測(cè)得。實(shí)驗(yàn)用基本參數(shù)見(jiàn)表。圖是在轉(zhuǎn)速為、勵(lì)磁電流為，負(fù)載力矩發(fā)生突變時(shí)，的動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖。由圖可看出：當(dāng)

9、負(fù)載力矩由突變到時(shí)，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)微小的下降，但又很快恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速；當(dāng)負(fù)載力矩由突變到時(shí)，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了上升，但很快恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速。故驅(qū)動(dòng)器具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。表實(shí)驗(yàn)用基本參數(shù)額定功率（）最大功率（）額定電壓（）最大力矩（）額定電流（）額定轉(zhuǎn)速（）額定力矩（）極對(duì)數(shù) 圖為當(dāng)分別在轉(zhuǎn)速為、，電機(jī)電樞電流維持不變時(shí)，電勵(lì)磁電流不斷增加時(shí)電機(jī)的輸出力矩，可以看出輸出力矩也呈線性增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)增加電機(jī)勵(lì)磁電流，增大電機(jī)磁通，使得電機(jī)在電樞電流不變的前提下獲得更大的輸出力矩，提高了電機(jī)的帯載能力。結(jié)論本文針對(duì)的特點(diǎn)，提出的新型低速大力矩控制策略具有如下特性：在動(dòng)態(tài)增磁區(qū)，實(shí)現(xiàn)了電樞電流與勵(lì)磁電流的

10、自然解耦，大大降低了控制算法的復(fù)雜性，使算法的軟件化更為簡(jiǎn)單可行；在增加了勵(lì)磁電流之后，相對(duì)于傳統(tǒng)的，輸出力矩有較大的提升，實(shí)現(xiàn)了低速大力矩的特性；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有非常好的穩(wěn)態(tài)性能，在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，能夠提供較相同的更大的力矩。圖的動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖圖在不同勵(lì)磁電流下的輸出力矩參考文獻(xiàn)：黃明明，林鶴云，金平，等新型混合勵(lì)磁同步電機(jī)分區(qū)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，（）：，：，（）：李優(yōu)新混合勵(lì)磁無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及控制策略研究微特電機(jī)，（）：，葉斌英，阮毅，楊勇，等基于混合勵(lì)磁電機(jī)的直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)電機(jī)與控制應(yīng)用，（）：（英文摘要轉(zhuǎn)第頁(yè)）機(jī)械工程與自動(dòng)化年第期用戶(hù)對(duì)機(jī)組的操作控制都要通過(guò)它實(shí)現(xiàn)，而這些功能

11、都 是通過(guò)對(duì)其組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的。圖數(shù)據(jù)導(dǎo)出畫(huà)面顯示試驗(yàn)結(jié)果分析本文僅以冬季蓄能器單獨(dú)供熱模式為例對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。運(yùn)行此模式時(shí)，蓄能器作為系統(tǒng)的蒸發(fā)器，此時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行情況與室外環(huán)境無(wú)關(guān)。觀察沿制冷劑流動(dòng)方向管長(zhǎng)對(duì)相變材料冷卻特性的影響，如圖所示。數(shù)據(jù)顯示：入口測(cè)點(diǎn)降溫最慢，末端測(cè)點(diǎn)冷卻效果最理想。之所以會(huì)出現(xiàn)相變材料溫度沿管長(zhǎng)方向分布差異的現(xiàn)象，是制冷劑沿流動(dòng)方向流型變化影響到了傳熱。在倒數(shù)第個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度最低，說(shuō)明制冷劑即將跨過(guò)兩相區(qū)；在最后的測(cè)點(diǎn)看到溫度回升，說(shuō)明制冷劑已達(dá)到過(guò)熱，流出蒸發(fā)器（三套管蓄能型換熱器）。這也從另一個(gè)角度說(shuō)明了換熱器設(shè)計(jì)的合理性。通過(guò)對(duì)樣機(jī)在蓄能器單獨(dú)供熱模式下運(yùn)行特性的分析，發(fā)現(xiàn)隨著供熱時(shí)間的推移，相變材料的溫度呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)下降規(guī)律，但是供熱水溫卻不會(huì)出現(xiàn)大的波動(dòng)。經(jīng)過(guò)曲線回歸，發(fā)現(xiàn)供熱總量隨時(shí)間的變化函數(shù)是一次函數(shù)。也就是說(shuō)，在整個(gè)供熱階段，樣機(jī)的供熱性能非常穩(wěn)定， 說(shuō)明利用蓄能器單獨(dú)供熱是可靠的。圖管長(zhǎng)與相變材料溫度的關(guān)系曲線結(jié)論目前該三套管蓄能熱泵系統(tǒng)已經(jīng)完成樣機(jī)測(cè)試工作，試驗(yàn)表明，該控制方案設(shè)計(jì)合理，能夠滿足機(jī)組性能需求。由與昆侖通態(tài)組成的控制系統(tǒng)性?xún)r(jià)比高，能夠滿足機(jī)組在不同模式下的自動(dòng)切換，具有智能控制功能。，（，；，）：，：；（上接第頁(yè)），（，）：，：；年第期機(jī)械工程與自動(dòng)化 混合勵(lì)磁同步