本發(fā)明涉及電氣傳動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種定子永磁型記憶電機(jī)大轉(zhuǎn)矩輸出控制方法。

背景技術(shù)：

由于具有高效率，高功率密度和高控制精度等優(yōu)點(diǎn)，永磁同步電機(jī)被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)及家用電器等領(lǐng)域。然而，恒定的永磁體勵(lì)磁使得電機(jī)氣隙磁通不易調(diào)節(jié)，這限制了永磁同步電機(jī)的進(jìn)一步應(yīng)用。為了解決這一問(wèn)題，研究者提出采用負(fù)的直軸電流控制方法或采用永磁體和勵(lì)磁繞組進(jìn)行混合勵(lì)磁的混合勵(lì)磁控制方法。這些方法拓展了永磁同步電機(jī)的恒功率工作范圍，但在弱磁控制時(shí)需施加連續(xù)的弱磁電流，這增加了系統(tǒng)銅耗，降低了系統(tǒng)效率。

2001年，研究者提出一種將具有低矯頑力和高剩磁特性的鋁鎳鈷永磁作為勵(lì)磁源的記憶電機(jī)。該電機(jī)通過(guò)采用調(diào)磁脈沖可直接改變鋁鎳鈷的磁化狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)氣隙磁通的控制，并且在調(diào)磁過(guò)程中所產(chǎn)生的調(diào)磁銅耗幾乎可以忽略。因而，記憶電機(jī)被認(rèn)為是一種具有廣泛應(yīng)用前景的磁通可控永磁同步電機(jī)。但這種轉(zhuǎn)子永磁型記憶電機(jī)存在以下不足：

1)鋁鎳鈷永磁和電樞繞組位置變化，這增加了調(diào)磁控制的難度；

2)電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，為了防止位于轉(zhuǎn)子上的鋁鎳鈷永磁體離心，需增加額外的固定裝置，這增加了電機(jī)安裝的難度，提高了電機(jī)的成本；

3)電機(jī)的電樞反應(yīng)可能導(dǎo)致鋁鎳鈷永磁發(fā)生不可逆去磁，不僅降低了電機(jī)控制精度，而且惡化了電機(jī)性能；

4)為了改變鋁鎳鈷永磁的磁化狀態(tài)，所需調(diào)磁脈沖的幅值較大。因而，需要選擇較大功率定額的功率器件，這增加了系統(tǒng)的成本。

為了克服轉(zhuǎn)子永磁型記憶電機(jī)的不足，學(xué)者提出了鋁鎳鈷永磁位于定子上的定子永磁型記憶電機(jī)。由于在定子上增加了額外的調(diào)磁繞組，鋁鎳鈷永磁和調(diào)磁繞組的位置固定，這簡(jiǎn)化了記憶電機(jī)的調(diào)磁控制。而且由于電樞繞組，調(diào)磁繞組和永磁體均位于定子上，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利于電機(jī)的高速運(yùn)行。按照工作原理的不同，定子永磁型記憶電機(jī)可分為雙凸極記憶電機(jī)和磁通切換記憶電機(jī)兩種類(lèi)型。目前，對(duì)于雙凸極記憶電機(jī)，學(xué)者提出了該記憶電機(jī)的雙模式工作及在單相短路故障下的容錯(cuò)控制。而對(duì)于磁通切換記憶電機(jī)，研究者提出了一種id＝0的分段永磁磁通控制。而對(duì)該類(lèi)記憶電機(jī)大轉(zhuǎn)矩輸出控制的研究還未見(jiàn)諸報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種能夠使電機(jī)在不同運(yùn)行速度區(qū)間實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出控制的方法。

技術(shù)方案：為達(dá)到此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明所述的定子永磁型記憶電機(jī)大轉(zhuǎn)矩輸出控制方法，包括以下步驟：

s1：基于額定轉(zhuǎn)速nn，定子永磁型記憶電機(jī)在全速區(qū)可分為低速區(qū)和高速區(qū)，其中nn為鋁鎳鈷永磁處于飽和磁化狀態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速；當(dāng)給定轉(zhuǎn)速n小于nn時(shí)，電機(jī)工作于低速區(qū)；當(dāng)n大于nn時(shí)，電機(jī)工作于高速區(qū)；

s2：計(jì)算得到在低速區(qū)實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出的條件，如式(1)所示：

式(1)中，為直軸電流參考值，為交軸電流參考值，為永磁磁鏈參考值，in為定子額定相電流，ψpm(ifk)為鋁鎳鈷永磁飽和充磁狀態(tài)時(shí)的永磁磁鏈，ifk為飽和調(diào)磁脈沖；

s3：計(jì)算得到在高速區(qū)實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出的條件，如式(2)所示：

式(2)中，p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)，lq為交軸電感，usmax為最大定子相電壓；

s4：選取ψpm(if0)、ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)共k+1個(gè)永磁磁鏈，且ψpm(if(j-1))＞ψpm(ifj)，1≤j≤k；然后根據(jù)式(2)分別計(jì)算所述永磁磁鏈ψpm(if0)、ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)及對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速n0、n1……n(k-1)、nk，并將所計(jì)算的轉(zhuǎn)速和永磁磁鏈關(guān)系存儲(chǔ)于速度-永磁磁鏈表中；

s5：當(dāng)給定轉(zhuǎn)速n滿(mǎn)足n(j-1)＜n≤nj，步驟s3中定子永磁型記憶電機(jī)大轉(zhuǎn)矩輸出控制的條件轉(zhuǎn)換為

s6：通過(guò)比較永磁磁鏈觀測(cè)器觀測(cè)的永磁磁鏈ψpmo(if)和轉(zhuǎn)速nj所對(duì)應(yīng)的永磁磁鏈ψpm(ifj)判斷步驟s2和步驟s5的調(diào)磁過(guò)程；其中，if調(diào)磁脈沖。

進(jìn)一步，所述步驟s3中，式(2)具體通過(guò)以下步驟得到：

s3.11：在高速區(qū)，當(dāng)調(diào)磁過(guò)程結(jié)束，且電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，定子永磁型記憶電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩te如式(4)所示：

te＝1.5p(ψpm(if))iq(4)

式(4)中，ψpm(if)永磁體永磁磁鏈，iq交軸電流；

s3.12：定義目標(biāo)函數(shù)為：

f(ψpm(if),iq)＝-ψpm(if)iq(5)

s3.13：上述目標(biāo)函數(shù)需滿(mǎn)足如下電壓和電流約束條件：

式(6)中，h1(ψpm(if),iq)為電流約束條件；h2(ψpm(if),iq)為電壓約束條件；

s3.14：根據(jù)式(5)和式(6)可定義拉格朗日函數(shù)f(ψpm(if),iq,λ1,λ2)為：

f(ψpm(if),iq,λ1,λ2)＝f(ψpm(if),iq)+λ1h1(ψpm(if),iq)+λ2h2(ψpm(if),iq)(7)

式(7)中，λ1為電流約束因子；λ2為電壓約束因子；

s3.15：式(7)分別對(duì)ψpm(if)、iq、λ1和λ2求偏導(dǎo)得：

s3.16：求解式(8)可得定子永磁型記憶電機(jī)大轉(zhuǎn)矩輸出控制的條件如式(2)所示。

進(jìn)一步，所述步驟s6具體包括以下步驟：

s6.11：如果ψpmo(if)小于ψpm(ifj)，則施加正向調(diào)磁脈沖使ψpmo(if)達(dá)到ψpm(ifj)，此時(shí)，調(diào)磁脈沖給定值的分配策略為：

式(9)中，f1(ψpm(ifj))如式(10)所示：

s6.12：如果ψpmo(if)等于ψpm(ifj)，調(diào)磁脈沖給定值的分配策略為：

s6.13：如果ψpmo(if)大于ψpm(ifj)，則施加反向調(diào)磁脈沖使ψpmo(if)達(dá)到ψpm(ifj)，此時(shí)，調(diào)磁脈沖給定值的分配策略為：

式(12)中，f2(ψpm(ifj))如式(13)所示：

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1)本發(fā)明方法在低速區(qū)和高速區(qū)時(shí)的大轉(zhuǎn)矩輸出條件受到電機(jī)參數(shù)的影響較小，魯棒性強(qiáng)。

2)本發(fā)明根據(jù)鋁鎳鈷永磁磁化狀態(tài)的可調(diào)特性，在高速區(qū)內(nèi)采用類(lèi)似于低速區(qū)的大轉(zhuǎn)矩輸出條件，同時(shí)避免頻繁的調(diào)磁控制，甚至調(diào)磁失敗。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明具體實(shí)施方式中定子永磁型記憶電機(jī)大轉(zhuǎn)矩輸出控制方法的不同永磁磁鏈時(shí)電壓極限橢圓軌跡圖；

圖2為本發(fā)明具體實(shí)施方式中定子永磁型記憶電機(jī)大轉(zhuǎn)矩輸出控制方法控制框圖；

圖3為本發(fā)明具體實(shí)施方式中定子永磁型記憶電機(jī)大轉(zhuǎn)矩輸出控制方法速度仿真波形；

圖4為本發(fā)明具體實(shí)施方式中定子永磁型記憶電機(jī)大轉(zhuǎn)矩輸出控制方法調(diào)磁脈沖仿真波形；

圖5為本發(fā)明具體實(shí)施方式中定子永磁型記憶電機(jī)大轉(zhuǎn)矩輸出控制方法觀測(cè)永磁磁鏈仿真波形；

圖6為本發(fā)明具體實(shí)施方式中定子永磁型記憶電機(jī)大轉(zhuǎn)矩輸出控制方法轉(zhuǎn)矩仿真波形；

圖7為本發(fā)明具體實(shí)施方式中定子永磁型記憶電機(jī)大轉(zhuǎn)矩輸出控制方法電流仿真波形。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式和附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的介紹。

本具體實(shí)施方式公開(kāi)了一種定子永磁型記憶電機(jī)大轉(zhuǎn)矩輸出控制方法，如圖2所示，包括以下步驟：

s1：基于額定轉(zhuǎn)速nn，定子永磁型記憶電機(jī)在全速區(qū)可分為低速區(qū)和高速區(qū)，其中nn為鋁鎳鈷永磁處于飽和磁化狀態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速；當(dāng)給定轉(zhuǎn)速n小于nn時(shí)，電機(jī)工作于低速區(qū)；當(dāng)n大于nn時(shí)，電機(jī)工作于高速區(qū)；

s2：計(jì)算得到在低速區(qū)實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出的條件，如式(1)所示：

式(1)中，為直軸電流參考值，為交軸電流參考值，為永磁磁鏈參考值，in為定子額定相電流，ψpm(ifk)為鋁鎳鈷永磁飽和充磁狀態(tài)時(shí)的永磁磁鏈，ifk為飽和調(diào)磁脈沖；

s3：計(jì)算得到在高速區(qū)實(shí)大轉(zhuǎn)矩輸出的條件，如式(2)所示：

式(2)中，p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)，lq為交軸電感，usmax為最大定子相電壓；

s4：在不同磁化狀態(tài)下，電機(jī)的交軸電感和永磁磁鏈在是變化的。為了降低參數(shù)的變化對(duì)鋁鎳鈷永磁磁化控制的影響，同時(shí)避免頻繁的調(diào)磁控制，甚至調(diào)磁失敗，可根據(jù)永磁體的磁化狀態(tài)確定電機(jī)在不同速度區(qū)間轉(zhuǎn)折速度。具體為選取ψpm(if0)、ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)共k+1個(gè)永磁磁鏈，且ψpm(if(j-1))＞ψpm(ifj)，1≤j≤k；然后根據(jù)式(2)分別計(jì)算所述永磁磁鏈ψpm(if0)、ψpm(if1)……ψpm(if(k-1))、ψpm(ifk)及對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速n0、n1……n(k-1)、nk，并將所計(jì)算的轉(zhuǎn)速和永磁磁鏈關(guān)系存儲(chǔ)于速度-永磁磁鏈表中；

s5：如圖1所示，當(dāng)給定轉(zhuǎn)速n滿(mǎn)足n(j-1)＜n≤nj，步驟s3中定子永磁型記憶電機(jī)大轉(zhuǎn)矩輸出控制的條件轉(zhuǎn)換為

s6：通過(guò)比較永磁磁鏈觀測(cè)器觀測(cè)的永磁磁鏈ψpmo(if)和轉(zhuǎn)速nj所對(duì)應(yīng)的永磁磁鏈ψpm(ifj)判斷步驟s2和步驟s5的調(diào)磁過(guò)程；其中，if調(diào)磁脈沖。

步驟s3中，式(2)具體通過(guò)以下步驟得到：

s3.11：在高速區(qū)，當(dāng)調(diào)磁過(guò)程結(jié)束，且電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，定子永磁型記憶電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩te如式(2)所示：

te＝1.5p(ψpm(if))iq(4)

式(4)中，ψpm(if)永磁體永磁磁鏈，iq交軸電流；

s3.12：定義目標(biāo)函數(shù)為：

f(ψpm(if),iq)＝-ψpm(if)iq(5)

s3.13：上述目標(biāo)函數(shù)需滿(mǎn)足如下電壓和電流約束條件：

式(6)中，h1(ψpm(if),iq)為電流約束條件；h2(ψpm(if),iq)為電壓約束條件；

s3.14：根據(jù)式(5)和式(6)可定義拉格朗日函數(shù)f(ψpm(if),iq,λ1,λ2)為：

f(ψpm(if),iq,λ1,λ2)＝f(ψpm(if),iq)+λ1h1(ψpm(if),iq)+λ2h2(ψpm(if),iq)(7)

式(7)中，λ1為電流約束因子；λ2為電壓約束因子；

s3.15：式(7)分別對(duì)ψpm(if)、iq、λ1和λ2求偏導(dǎo)得：

s3.16：求解式(8)可得定子永磁型記憶電機(jī)大轉(zhuǎn)矩輸出控制的條件如式(2)所示。

步驟s6具體包括以下步驟：

s6.11：如果ψpmo(if)小于ψpm(ifj)，則施加正向調(diào)磁脈沖使ψpmo(if)達(dá)到ψpm(ifj)，此時(shí)，調(diào)磁脈沖給定值的分配策略為：

式(9)中，f1(ψpm(ifj))如式(10)所示：

s6.12：如果ψpmo(if)等于ψpm(ifj)，調(diào)磁脈沖給定值的分配策略為：

s6.13：如果ψpmo(if)大于ψpm(ifj)，則施加反向調(diào)磁脈沖使ψpmo(if)達(dá)到ψpm(ifj)，此時(shí)，調(diào)磁脈沖給定值的分配策略為：

式(12)中，f2(ψpm(ifj))如式(13)所示：

永磁磁鏈觀測(cè)器觀測(cè)永磁磁鏈ψpmo(if)的過(guò)程如下：

s6.31：在不施加調(diào)磁脈沖時(shí)，定子永磁型記憶電機(jī)的電壓方程為：

di＝ai+bu+c(14)

式(14)中，i＝[idiq]，id為電機(jī)的直軸電流，iq為交軸電流；u＝[uduq]，ud為電機(jī)的直軸電壓，uq為交軸電壓；其中rs為電機(jī)飽和磁化狀態(tài)時(shí)的定子相電阻，ld為電機(jī)飽和磁化狀態(tài)時(shí)的直軸電感，ωe為電角速度，d為微分算子；

s6.32：根據(jù)步驟s6.31構(gòu)造永磁磁鏈觀測(cè)器模型為：

式(15)中，為狀態(tài)電流觀測(cè)值，為直軸電流觀測(cè)值，為交軸電流觀測(cè)值；

為反饋增益矩陣；其中為電機(jī)的定子相電阻的實(shí)際值，為電機(jī)飽和磁化狀態(tài)時(shí)的直軸電感的實(shí)際值，為電機(jī)飽和磁化狀態(tài)時(shí)的交軸電感的實(shí)際值，為永磁磁鏈的實(shí)際值，h1和h2為反饋增益矩陣中待設(shè)計(jì)的元素；

s6.33：定義由式(15)減去式(14)，得到磁鏈觀測(cè)器狀態(tài)變量的偏差方程為：

式(16)中，為狀態(tài)變量偏差；

s6.34：根據(jù)波波夫超穩(wěn)定性理論，式(16)所描述系統(tǒng)滿(mǎn)足穩(wěn)定的條件為：

s6.35：利用波波夫積分不等式求解的永磁磁鏈自適應(yīng)律為：

式(18)中，kp為比例系數(shù)，ki為積分系數(shù)；

根據(jù)步驟s6.33中的算式可得δψpm(if)和δlq的函數(shù)關(guān)系為：

s6.36：為了減小交軸電感對(duì)永磁磁鏈的影響，在滿(mǎn)足系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，反饋增益矩陣h1，h2設(shè)定為：

還可以包括步驟s7和s8：

s7：將步驟s2和s5所得的直軸電流給定值和交軸電流給定值與直軸電流id和交軸電流iq比較后經(jīng)電流調(diào)節(jié)器得到直軸電壓ud和交軸電壓uq。

s8：將兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直軸電壓ud和交軸電壓uq經(jīng)dq/αβ變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下α軸電壓uα和β軸電壓uβ，將uα和uβ及直流母線電壓udc輸入到空間矢量脈沖寬度調(diào)制單元(svpwm)，運(yùn)算輸出的六路脈沖調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)三相逆變器的功率管。同時(shí)，將采集的調(diào)磁脈沖if與步驟s2和s5所得的調(diào)磁脈沖給定值一起送入pwm生成模塊生成能夠驅(qū)動(dòng)調(diào)磁變換器功率管的pwm信號(hào)。

圖3、圖4、圖5、圖6和圖7分別給出了電機(jī)的轉(zhuǎn)速、調(diào)磁脈沖、觀測(cè)永磁磁鏈、矩仿和電流的仿真波形。由圖可知，在不同的速度區(qū)間，定子永磁型記憶電機(jī)采用大轉(zhuǎn)矩輸出控制方法實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的大轉(zhuǎn)矩輸出。