混合勵磁同步電機低速大力矩控制策略的研究

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

2、流分配器；控制策略中圖分類號：文獻標識碼： 廣東省重大科技專項計劃項目（）收稿日期：；修回日期：作者簡介：馮杰（），男，江西九江人，在讀碩士研究生，研究方向：新能源電動汽車電機驅(qū)動控制。引言混合勵磁同步電機（，）在結(jié)構(gòu)、性能方面與永磁同步電機（）有相似之處，但其驅(qū)動與控制有其特殊性。東南大學黃明明博士給出了混合勵磁同步電機分區(qū)控制系統(tǒng)。日本學者建立了一種基于通用坐標系的動態(tài)矢量控制模型及對隱極提出了一種基于轉(zhuǎn)子磁場定向的銅耗最小化矢量控制模型，。廣東工業(yè)大學的李優(yōu)新博士提出了一種混合勵磁無刷直流電機的控制策略。本文針對一臺額定功率為的，基于空間電壓矢量（，）控制的思想，在傳統(tǒng)的驅(qū)動器模型上加入

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

4、失一般性，對于這臺，忽略的電樞電壓、電流諧波分量等的影響，仍然采用坐標系來建立驅(qū)動系統(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)動系統(tǒng)的主要功能模塊與傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)相比，主要是控制對象不同并且多了個模塊，分別是勵磁電流脈寬調(diào)制信號、勵磁驅(qū)動及電流分配器。其中的電流分配器是最為關(guān)鍵的一部分，它是被用來合理分配電樞電流與勵磁電流之間關(guān)系的，以保證的穩(wěn)定與可靠運行。電流分配器的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示，驅(qū)動器通過電流分配器調(diào)節(jié)軸電流參考值倡與勵磁電流參考值倡。由于采用的矢量控制，所以軸電流參考值倡在驅(qū)動系統(tǒng)中直接賦為零值。通過電機旋轉(zhuǎn)角速度、驅(qū)動器的母線電壓兩變量來選擇控制區(qū)域。當負載力矩沒有

5、超過電機的額定力矩時，電機運行在常規(guī)力矩區(qū)，此時的驅(qū)動器就相當于一臺驅(qū)動器。當負載力矩大于電機額定力矩時，電機進入動態(tài)增磁區(qū)，驅(qū)動器通過增加倡以達到增大電機輸出力矩的目的。驅(qū)動系統(tǒng)通過一個旋轉(zhuǎn)編碼器獲得電機的與電角度；電機轉(zhuǎn)速參考值倡由驅(qū)動器給定；為電機參考輸 出力矩。圖電機定 、轉(zhuǎn)子截面圖圖 驅(qū)動系統(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單有效的控制算法，即當負載力矩在額定力矩以下時，不用增加勵磁電流，即，此時的可以看作一臺，可以采用傳統(tǒng)的控制策略；當負載在額定力矩以上時，保持原有電樞電流值不變，調(diào)節(jié)的勵磁電流，從而增加勵磁磁通使得的輸出力矩與負載力矩之間的動

6、態(tài)平衡，在不增加電樞電流的前提下實現(xiàn)的低速大力矩的特性。低速大力矩控制算法下面來推導在動態(tài)增磁區(qū)時，電樞電流與勵磁電流的基本關(guān)系。設(shè)為電機的輸出力矩：（）（）其中：為極對數(shù)；為軸電流；為永磁磁鏈；為電樞繞組與勵磁繞組之間的互感；為勵磁電流的瞬時值。設(shè)為電機在不加勵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（）為當負載力矩大于時所需的力矩對應(yīng)的軸電流值，則之間的差值由勵磁電流來補充。由式（）、式（）、式（）可得：（）（）轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)坐標系下，定子繞組與勵磁繞組磁鏈方程為： （）其中：，分別為電機的軸與軸的磁鏈；為勵磁繞組的磁鏈；，分別為電機的軸與軸

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

8、當倡時，倡，在這段速度區(qū)間內(nèi)為恒功率區(qū)，倡會隨著電機轉(zhuǎn)速的增加而減小。動態(tài)增磁區(qū)的工作流程可以總結(jié)為：當負載力矩大于電機輸出力矩時，導致電機轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)速環(huán)對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算出，再保持；通過式（）計算出，再根據(jù)式（）、式（）得出的最大值。通過增加使得輸出力矩加大，實現(xiàn)電機力矩與負載力矩間的動態(tài)平衡。實驗分析實驗以一臺額定功率為、頻率為的極為對象，實驗數(shù)據(jù)由泰克公司的型示波器采集，由處理后所得。樣機的力矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)由日本小野公司的數(shù)字力矩儀測得。實驗用基本參數(shù)見表。圖是在轉(zhuǎn)速為、勵磁電流為，負載力矩發(fā)生突變時，的動態(tài)響應(yīng)圖。由圖可看出：當

9、負載力矩由突變到時，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)微小的下降，但又很快恢復到額定轉(zhuǎn)速；當負載力矩由突變到時，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了上升，但很快恢復到額定轉(zhuǎn)速。故驅(qū)動器具有良好的動態(tài)響應(yīng)性能。表實驗用基本參數(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（）極對數(shù) 圖為當分別在轉(zhuǎn)速為、，電機電樞電流維持不變時，電勵磁電流不斷增加時電機的輸出力矩，可以看出輸出力矩也呈線性增加。實驗結(jié)果表明，通過增加電機勵磁電流，增大電機磁通，使得電機在電樞電流不變的前提下獲得更大的輸出力矩，提高了電機的帯載能力。結(jié)論本文針對的特點，提出的新型低速大力矩控制策略具有如下特性：在動態(tài)增磁區(qū)，實現(xiàn)了電樞電流與勵磁電流的

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

11、都 是通過對其組態(tài)軟件的開發(fā)實現(xiàn)的。圖數(shù)據(jù)導出畫面顯示試驗結(jié)果分析本文僅以冬季蓄能器單獨供熱模式為例對試驗結(jié)果進行簡要分析。運行此模式時，蓄能器作為系統(tǒng)的蒸發(fā)器，此時，系統(tǒng)運行情況與室外環(huán)境無關(guān)。觀察沿制冷劑流動方向管長對相變材料冷卻特性的影響，如圖所示。數(shù)據(jù)顯示：入口測點降溫最慢，末端測點冷卻效果最理想。之所以會出現(xiàn)相變材料溫度沿管長方向分布差異的現(xiàn)象，是制冷劑沿流動方向流型變化影響到了傳熱。在倒數(shù)第個測點溫度最低，說明制冷劑即將跨過兩相區(qū)；在最后的測點看到溫度回升，說明制冷劑已達到過熱，流出蒸發(fā)器（三套管蓄能型換熱器）。這也從另一個角度說明了換熱器設(shè)計的合理性。通過對樣機在蓄能器單獨供熱模式下運行特性的分析，發(fā)現(xiàn)隨著供熱時間的推移，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出現(xiàn)大的波動。經(jīng)過曲線回歸，發(fā)現(xiàn)供熱總量隨時間的變化函數(shù)是一次函數(shù)。也就是說，在整個供熱階段，樣機的供熱性能非常穩(wěn)定， 說明利用蓄能器單獨供熱是可靠的。圖管長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)完成樣機測試工作，試驗表明，該控制方案設(shè)計合理，能夠滿足機組性能需求。由與昆侖通態(tài)組成的控制系統(tǒng)性價比高，能夠滿足機組在不同模式下的自動切換，具有智能控制功能。，（，；，）：，：；（上接第頁），（，）：，：；年第期機械工程與自動化 混合勵磁同步