一种多运行模式永磁电机的宽速域高效控制方法技术

本发明专利技术公开了一种多运行模式永磁电机的宽速域高效控制方法，构建dq坐标系下的数学模型，将转矩方程作为拉格朗日乘数法的约束条件，电机运行中铜耗最小作为目标函数建立拉格朗日方程，求解出主驱辅驱间dq电流的关系，将转速环误差e

【技术实现步骤摘要】
一种多运行模式永磁电机的宽速域高效控制方法


[0001]本专利技术涉及永磁电机控制领域，特指一种多运行模式永磁电机的宽速域高效控制方法，适用于航空航天、电动汽车、船舶等对高效率、宽速域的要求。

技术介绍

[0002]永磁电机具有结构简单、体积小、重量轻和效率高等优点，受到工业领域的广泛使用，但永磁电机气隙磁场调节困难且有永磁体永久退磁的危险，速度调节范围受限。而电励磁电机虽能调节气隙磁场强度，实现宽调速运行，但与永磁电机相比，其功率密度低。上世纪末，兼具永磁电机和电励磁电机优势的混合励磁电机被提出，并在近些年得到快速发展，特别是具有特殊结构的多运行模式永磁电机。多运行模式永磁电机相对于传统单定子永磁电机，气隙磁通调节更方便，调速范围更宽。
[0003]为了实现多运行模式永磁电机的宽调速范围，就必须采用弱磁控制。早期的弱磁控制是以弱磁基速作为判断标准的，如果电机转速大于弱磁基速，则电机进入弱磁控制。这种方法虽然简单，但忽略了电机的转矩输出部分，仅用弱磁基速作为判断条件导致该方法应用场合受限。目前更常见的是电压反馈法，原则是将电机的端电压与限制电压作差的结果作为弱磁判断条件，该方法同时考虑电机的转速与转矩情况，表现在端电压上，但在系统中又引入了一个反馈，实际应用中系统的反应周期变长。为了保留该方法的优点，借鉴利用限制电压作为比较的思想，将判断条件转换为当前转速下负载与临界转矩T
eA
比较的结果，形成前馈控制，以此作为本专利技术的弱磁控制。结合最小铜耗原则，优化电流，完成多运行模式永磁电机的宽速域高效控制。

技术实现思路

[0004]针对多运行模式永磁电机中励磁定子绕组的加入，使得电机气隙磁场调节方便，但同时也增加了电机的控制维度，因此需要采用电流协同控制实现低速高转矩区和高速弱磁区两种电流分配。为降低多运行模式永磁电机的损耗，本专利技术提出了一种多运行模式永磁电机的宽速域高效控制方法。
[0005]一种多运行模式永磁电机的宽速域高效控制方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1，根据多运行模式永磁电机的拓扑结构将多运行模式永磁电机分为两种运行模式。大扭矩模式:多运行模式永磁电机有两个驱动，一是外定子和转子组成的多运行模式永磁电机主驱，二是转子和内定子组成的多运行模式永磁电机辅驱；宽速域模式：保留多运行模式永磁电机的主驱，内定子绕组此时作为励磁绕组使用，调节主驱的气隙磁链。建立多运行模式永磁电机dq系下的数学模型。
[0007]步骤2，以电机在dq坐标系下的转矩方程作为约束条件，电机在运行中的铜耗最小为目标，建立拉格朗日函数并求解主驱辅驱间dq电流的关系。
[0008]步骤3，检测多运行模式永磁电机转速，作为电机的速度反馈n
back
，将给定转速n
ref
与反馈转速n
back
相比较得到电机的转速误差e
n
，采用PI控制器根据转速误差e
n
计算得到多
运行模式永磁电机的总电流Itotal。
[0009]步骤4，将得到的总电流Itotal与步骤2中的结果进行联立，得到主驱辅驱dq电流与总电流Itotal的关系，作为多运行模式永磁电机运行在大扭矩模式下的电流分配准则。
[0010]步骤5，当电机端电压达到母线电压限制时，结合多运行模式永磁电机的电压限制圆和电流限制圆，对电机弱磁运行时的电流进行分析，并计算出d轴弱磁电流。
[0011]步骤6，根据电机弱磁运行条件判断结果，自动选择适合电机运行的模式。当选择宽速域模式时，将步骤5中的计算电流加入到d轴电流给定，而q轴电流的给定直接由总电流Itotal给出，完成多运行模式永磁电机运行在宽速域模式下的电流给定。结合步骤4中的大扭矩模式下的电流分配，最终完成全速域下的dq轴电流给定。
[0012]进一步，步骤1中所述的多运行模式永磁电机dq坐标系下的数学模型为：
[0013]电压方程：
[0014][0015]其中：u
d0
,u
q0
,i
d0
,i
q0
,L
d0
,L
q0
,R
s0
分别为主驱气隙的dq轴电压，dq轴电流，dq轴电感，主驱电枢绕组的电阻；u
d1
,u
q1
,i
d1
,i
q1
,L
d1
,L
q1
,R
s1
分别为辅驱气隙的dq轴电压，dq轴电流，dq轴电感，辅驱电枢/励磁绕组的电阻；ω
e
为电机电角速度。
[0016]磁链方程：
[0017][0018]其中：Ψ
d0
,Ψ
q0
,Ψ
d1
,Ψ
q1
分别表示主驱气隙和辅驱气隙的dq轴下的绕组匝链磁链；Ψ
pm0
,Ψ
pm1
表示主驱气隙和辅驱气隙的永磁磁链；Ψ
f0
表示辅驱电流励磁时主驱气隙等效的永磁磁链；f(i
d1
)＝m*i
d1
，m为辅驱对主驱气隙磁链的励磁系数。
[0019]转矩方程：
[0020][0021]其中，p为电机的极对数。
[0022]进一步，在转矩方程中，辅驱励磁电流i
d1
对电机端电压的降低效果明显，但提供的转矩很小，为了简化计算，且使得电机控制更为稳定，采取i
d1
＝0控制，又由于多模式永磁电机主驱辅驱dq轴电感相等，因此采取i
d
＝0控制能更好的减小电机的损耗，增大电机电流的利用率，在步骤2中所述拉格朗日乘数法求取主驱辅驱间dq轴电流关系求解如下：
[0023]以转矩方程作为其约束条件，多运行模式永磁电机铜耗最小为约束条件，建立拉格朗日方程L1：
[0024][0025]其中，λ为朗格朗日乘数，T
e
为电机的电磁转矩。
[0026]解得：
[0027][0028]进一步，步骤4中的总电流Itotal与主驱辅驱q轴电流关系进行联立求解得到：
[0029][0030]进一步，为了更大限度的利用辅驱励磁性能，将所有的电流用于d轴上，此时i
q1
＝0，因此辅驱不在提供转矩输出，根据给出的电压限制圆和电流限制圆方程，求解出步骤5中弱磁电流i
d0
，求解如下：
[0031][0032]其中，U
samx0
为逆变器所能输出的最大电压值，I
smax0
为逆变器或者电机主驱所能承受的最大电流，I
smax1
为逆变器或者电机辅驱所能承受的最大电流。
[0033]解得电机主驱的弱磁电流为：
[0034][0035]进一步，步骤6中的弱磁判断表达式如下：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多运行模式永磁电机的宽速域高效控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，根据多运行模式永磁电机的拓扑结构将多运行模式永磁电机分为两种运行模式：大扭矩模式:多运行模式永磁电机有两个驱动，一是外定子和转子组成的多运行模式永磁电机主驱，二是转子和内定子组成的多运行模式永磁电机辅驱；宽速域模式：保留多运行模式永磁电机的主驱，内定子绕组此时作为励磁绕组使用，调节主驱的气隙磁链，建立多运行模式永磁电机dq系下的数学模型；步骤2，以电机在dq坐标系下的转矩方程作为约束条件，电机在运行中的铜耗最小为目标，建立拉格朗日函数并求解主驱辅驱间dq电流的关系；步骤3，检测多运行模式永磁电机转速，作为电机的速度反馈n
back
，将给定转速n
ref
与反馈转速n
back
相比较得到电机的转速误差e
n
，采用PI控制器根据转速误差e
n
计算得到多运行模式永磁电机的总电流Itotal；步骤4，将得到的总电流Itotal与步骤2中的结果进行联立，得到主驱辅驱dq电流与总电流Itotal的关系，作为多运行模式永磁电机运行在大扭矩模式下的电流分配准则；步骤5，当电机端电压达到母线电压限制时，结合多运行模式永磁电机的电压限制圆和电流限制圆，对电机弱磁运行时的电流进行分析，并计算出d轴弱磁电流；步骤6，根据电机弱磁运行条件判断结果，自动选择适合电机运行的模式，当选择宽速域模式时，将步骤5中的计算电流加入到d轴电流给定，而q轴电流的给定直接由总电流Itotal给出，完成多运行模式永磁电机运行在宽速域模式下的电流给定，结合步骤4中的大扭矩模式下的电流分配，最终完成全速域下的dq轴电流给定。2.根据权利要求1所述的一种多运行模式永磁电机的宽速域高效控制方法，其特征在于，步骤1中，多运行模式永磁电机dq坐标系下的数学模型为：电压方程：其中：u
d0
,u
q0
,i
d0
,i
q0
,L
d0
,L
q0
,R
s0
分别为主驱气隙的d轴电压、q轴电压，d轴电流、q轴电流，d轴电感、q轴电感，主驱电枢绕组的电阻；u
d1
,u
q1
,i
d1
,i
q1
,L
d1
,L
q1
,R
s1
分别为辅驱气隙的d、q轴电压，d、q轴电流，d、q轴电感，辅驱电枢/...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈前，付立桥，刘国海，徐高红，刘正蒙，周华伟，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：