一种多运行模式永磁电机的宽速域高效控制方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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

发明内容

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，本发明提出了一种多运行模式永磁电机的宽速域高效控制方法。

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：

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

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。

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：

电压方程：

其中：u

磁链方程：

其中：Ψ

转矩方程：

其中，p为电机的极对数。

进一步，在转矩方程中，辅驱励磁电流i

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L

其中，λ为朗格朗日乘数，T

解得：

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：

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

其中，U

解得电机主驱的弱磁电流为：

进一步，步骤6中的弱磁判断表达式如下：

其中，T

当电机的负载满足逻辑判断表达式第一行式子时，此时多运行模式永磁电机选择大扭矩模式运行，否则多运行模式永磁电机运行宽速域模式。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明借鉴MTPA的思想，应用拉格朗日乘数法实现电机以铜耗最小原则运行。与传统电机的MTPA方法相比，多运行模式永磁电机控制铜耗最小的方法所需要求解的变量增加了一倍，大大的增加了运算难度。本发明通过电机特性分析减少了不必要求解的变量，替代了常见的用拟合方法求解，免去了由拟合带来的不便，减少了结果求解的难度，实现在同等转矩下的最优电流的分配，提高了多运行模式永磁电机的运行效率。

2、本发明采用的弱磁控制，与传统d轴电流弱磁方法相比，多运行模式永磁电机励磁电流和主驱d轴电流弱磁结合具有更大的调速范围。传统忽略电机的输出转矩，而只用弱磁基速作为进入弱磁的判断条件的方法，只适用于高速低转矩工况，本发明的宽速域控制给出了进入弱磁的逻辑表达式，实质上是考虑了多运行模式永磁电机当前的转速转矩，只要当前工况满足弱磁判断条件，就会自行进入宽速域模式。本发明采用的弱磁控制与传统的弱磁方法相比，实际应用范围更加广泛。

附图说明

图1：多运行模式永磁电机的宽速域高效控制框图；

图2：多运行模式永磁电机结构示意图；

图3：全速域电流分配图；

图4：限制圆及弱磁判断图；

图5：大扭矩模式下的电流实验图形；

图6：宽速域模式下的仿真图形；6(a)是多运行模式电机的转速仿真图；6(b)为多运行模式永磁电机反电势仿真图；6(c)是多运行模式永磁电机的dq电流仿真图。

具体实施方式：

具体实施例，主要是介绍基于基于最小铜耗控制实现多运行模式永磁电机全速域控制，其控制框图如图1所示。下面结合附图，仔细说明该实施例的具体实施方式和实施效果。

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。建立多运行模式永磁电机dq系下的数学模型如下：

电压方程：

其中：u

磁链方程：

其中：Ψ

转矩方程：

其中，p为电机的极对数。

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。在转矩方程中，辅驱励磁电流i

其中，λ为朗格朗日乘数，T

解得：

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

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。如图3中弱磁判断运行条件为大扭矩模式所示。

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，如图4所示。对电机弱磁运行时的电流进行分析，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

其中，U

解得电机主驱的弱磁电流为：

步骤6，以多运行模式永磁电机转速ω

其中，T

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，实现多运行模式永磁电机的宽速域高效控制。

图5给出了多运行模式永磁电机大扭矩模式下的实验图形。从图5中可看到，主驱q轴电流i

图6给出了多运行模式永磁电机宽速域模式下的仿真图形。为了能够更好体现励磁绕组在电机高速运行时的作用，在主驱弱磁之后再选择开通励磁绕组的弱磁功能，能有更好的对比效果。在电机100rpm运行时，此时还是采用的i

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。