一种混合励磁不对称定子极双凸极电机的全速域控制系统技术方案

本发明专利技术提出一种混合励磁不对称定子极双凸极电机的全速域控制系统，属于电机控制领域。包括：最大转矩电流比模块，用于给定电机矢量控制系统的交直轴电流i

【技术实现步骤摘要】
一种混合励磁不对称定子极双凸极电机的全速域控制系统


[0001]本专利技术属于电机控制
，更具体的，涉及一种混合励磁不对称定子极双凸极电机的全速域控制系统。

技术介绍

[0002]随着电动汽车市场的不断增长，高性能驱动电机的需求越来越迫切。随着稀土永磁材料的发展，永磁电机的性能也不断优化，并且因其功率密度高、效率高等优点，逐渐取代异步电机、电励磁同步电机，在各类电驱动系统中得到广泛应用。然而由于采用了永磁体励磁，不可避免的存在调磁困难、永磁体易失磁等问题，限制了永磁电机的高速运行性能。为解决前述问题，混合励磁不对称定子极双凸极电机(HEASPDSM)同时采用永磁体和直流励磁绕组产生气隙磁场，调节励磁电流的方向和大小，即可增强或削弱气隙磁场，实现低速增磁运行和高速弱磁运行，从而拥有更强的转矩输出能力和更宽的调速范围。
[0003]目前针对HEASPDSM的研究集中在其弱磁扩速以及效率优化上，根据电机的电压限制条件，比较普遍的认识为励磁电流越小，越有利于该电机的弱磁扩速。基于这个前提，常见的控制方法为在电机低速区使得励磁电流最大，或者考虑铜耗最小等因素对励磁电流和电枢电流进行统一分配；当电机进入弱磁区，使得励磁电流减到最小值进行初步扩速，最后再根据电压电流限制条件进行二段弱磁。
[0004]然而，上述方法仅仅适用于电机理想空载的条件下。当电机运行在带载情况下，随着励磁电流的变化，电机特征电流点会随之改变，同时恒转矩曲线也会上下移动，导致电机弱磁扩速能力不再随着励磁电流的变化而单调变化。因此为了提高电机全速域的运行性能，一种更有效的励磁电流分配方法亟需被提出。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷及改进需求，本专利技术提供了一种混合励磁不对称定子极双凸极电机的全速域控制系统，其目的在于，在电机低速运行时，在保证电机响应速度的前提下剑侠励磁绕组的铜耗；在电机高速运行时，最大限度提升电机的带载能力。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种混合励磁不对称定子极双凸极电机的全速域控制系统，所述控制系统包括：转速PI控制器、电流PI控制器、电压环前馈模块、Clark变换模块、Park变换模块和反Park变换模块，考虑HEASPDSM电流控制量除交直轴电流i
d
和i
q
外，还存在一个励磁电流i
f
，所述控制系统还包括：最大转矩电流比(MTPA)模块、最大转矩电压比(MTPV)模块、负载转矩观测器模块和励磁电流分配模块；
[0007]最大转矩电流比(MTPA)模块，不同于应用在传统永磁同步电机(PMSM)上的MTPA算法，该模块以转速PI控制器的输出及实时测得的励磁电流值i
f
为输入，经计算输出电机矢量控制系统的交直轴电流i
d
和i
q
在MTPA曲线上运行时的具体值i
d_mtpa
和i
q_mtpa
；
[0008]最大转矩电压比(MTPV)模块，同MTPA模块，相比于应用在传统PMSM上的MTPV算法，该模块依旧将反馈转速及最大反电势值作为输入的基础上，引入了一个新的变量励磁电流
值i
f
，模块输出量用于给定i
d
和i
q
在MTPV曲线上运行时的具体值i
d_mtpv
和i
q_mtpv
，同时作为i
d
和i
q
限幅模块的下限值，以使电机自动切换至MTPV曲线上；
[0009]负载转矩观测器模块，该模块通过改进应用于PMSM中的隆伯格转矩观测器算法，实时观测电机负载转矩值，输出量作为励磁电流分配模块的输入，作为励磁电流分配的参考变量；
[0010]励磁电流分配模块，依据具体控制目标，依据反馈转速以及由负载转矩观测器模块实时观测到的负载转矩值，设定相应的励磁电流分配规则，并根据分配规则输出最优的励磁电流给定值作为励磁电流控制器的输入。
[0011]HEASPDSM的转矩方程如下：
[0012][0013]其中，T
e
为电磁转矩，ψ
pm
为永磁磁通，p为电机极对数，ψ
pm
为永磁磁通，M
sf
为励磁绕组与点数绕组的互感值，i
d
为直轴电流，i
q
为交轴电流，L
d
和L
q
分别为直轴电感和交轴电感。由拉格朗日乘数法：
[0014][0015]其中λ为拉格朗日算子，进而可得：
[0016][0017]由转矩方程可得恒转矩方向为：
[0018][0019]HEASPDSM的电压方程如下：
[0020]u
d
＝
‑
ω
e
L
q
i
q
[0021]u
q
＝ω
e
(L
d
i
d
+M
sf
i
f
+ψ
pm
)
[0022]其中ω
e
为电机的电角速度，u
d
和u
q
分别为直轴反电势和交轴反电势。构建代价函数：
[0023][0024]进而可得电压下降方向为：
[0025][0026]由MTPV定义可得：
[0027][0028]进而可得MTPV表达式如下：
[0029][0030]在以上得到的MTPA和MTPV算法基础上，HEASPDSM控制系统以“MTPA+电压电流限制(CVL)+MTPV”为基本控制框架。具体运行如下：在低速区即进入弱磁区之前是电机遵循MTPA算法运行；进入弱磁区后，首先在CVL条件下运行，该运行区域处于MTPA与MTPV曲线之间，当电机负载转矩足够大时，电机将沿着电流极限圆运行；当电机在CVL条件下运行升速直至到达MTPV曲线，由于将MTPV模块输出量i
d_mtpv
和i
q_mtpv
作为i
d
和i
q
限幅模块的下限值，电机可以自动切换至MTPV曲线上运行。
[0031]为了励磁电流分配的实现，应用于HEASPDSM的隆伯格观测器将被构造，电机转矩方程及运动方程如下：
[0032][0033][0034]其中J为电机转动惯量，T
L
为负载转矩。构建观测器如下：
[0035][0036][0037]其中和分别为转速观测值和负载转矩观测值，为误差反馈矩阵。
[0038]进一步地，依据不同励磁电流i
f
下HEASPDSM的T
‑
n曲线，可以在任一转速n下找到对应最大转矩T所对应的具体励磁电流i
f
值，从而得到一条全速域最优的T'
‑
n曲线，当本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合励磁不对称定子极双凸极电机的全速域控制系统，所述控制系统包括：转速PI控制器、电流PI控制器、电压环前馈模块、Clark变换模块、Park变换模块和反Park变换模块，其特征在于，所述控制系统还包括：最大转矩电流比模块、最大转矩电压比模块、负载转矩观测器模块和励磁电流分配模块；最大转矩电流比模块，用于以转速PI控制器的输出及实时测得的励磁电流i
f
为输入，输出电机矢量控制系统的交直轴电流i
d
和i
q
在MTPA曲线上运行时的具体值i
d_mtpa
和i
q_mtpa
；最大转矩电压比模块，用于以反馈转速、最大反电势值及励磁电流i
f
为输入，输出电机矢量控制系统的交直轴电流i
d
和i
q
在MTPV曲线上运行时的具体值i
d_mtpv
和i
q_mtpv
，同时作为i
d
和i
q
的下限值，以使电机自动切换至MTPV曲线上；负载转矩观测器模块，用于通过改进隆伯格转矩观测器算法，实时观测电机负载转矩值，输出量作为励磁电流分配模块的输入，作为励磁电流分配的参考变量；励磁电流分配模块，依据反馈转速以及由负载转矩观测器模块实时观测到的负载转矩值，设定相应的励磁电流分配规则，并根据分配规则输出最优的励磁电流给定值作为励磁电流控制器的输入。2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述混合励磁不对称定子极双凸极电机的转矩方程和运动方程分别为：的转矩方程和运动方程分别为：其中，T
e
为电磁转矩，T
L
为负载转矩，ω
e
为角速度，p为电机极对数，J为转动惯量，i
d
为直轴电流，i
q
为交轴电流，L
...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐伟，曹辰，张祎舒，刘毅，黄守道，高剑，黄诚，周磊，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：