一种混合励磁同步电机损耗最小直接转矩控制方法与流程

本发明属于电气传动技术领域，具体涉及一种混合励磁同步电机损耗最小直接转矩控制方法。

背景技术：

混合励磁同步电机是在永磁同步电机与电励磁同步电机基础上发展起来的一种宽调速电机，主要目的是为了解决永磁同步电机气隙磁场难以调节的问题。混合励磁同步电机有两种励磁源，一种是永磁体，另一种是电励磁，永磁体产生的磁势为主磁势，电励磁绕组产生的磁势为辅磁势。混合励磁同步电机结合了永磁同步电机与电励磁同步电机的优点，两种励磁源在电机气隙中相互作用产生主磁通，当电励磁绕组通入正向励磁电流时，增大电磁转矩，提高电机带载能力；当电励磁绕组通入反向励磁电流时，削弱气隙磁场达到弱磁升速的目的，拓宽了电机调速范围。

目前，国内外对于混合励磁同步电机控制方法及驱动系统研究较少，能够查阅到的资料和文献基本以矢量控制方法为主。基于矢量控制方法，将混合励磁同步电机控制策略分为五类，一是i_d＝0控制；二是铜耗最小控制；三是单位功率因数控制；四是最大输出功率控制；五是效率最优控制。能够查阅到的混合励磁同步电机直接转矩控制方法仅有i_d＝0的控制策略和无位置传感器技术。矢量控制方法的优点是连续控制，比较平滑，缺点是转矩动态响应不够快，控制系统响应慢。仅有的关于i_d＝0控制策略的直接转矩控制方法保持d轴电流等于0，没有充分发挥凸极电机的转矩输出能力，损耗较大，效率不够高，调速范围不够宽，没有体现出混合励磁同步电机的特点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种混合励磁同步电机损耗最小直接转矩控制方法，解决了现有技术中存在的混合励磁同步电机直接转矩控制系统效率不够高、恒功率运行范围不够宽的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种混合励磁同步电机损耗最小直接转矩控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：从电机主电路采集相电流i_a、i_b和励磁电流i_f、母线电压U_dc和励磁电压U_f，将采集到的信号经电压跟随、滤波、偏置及过压保护等信号调理后送入控制器进行处理，对电机进行准确初始位置检测，得出转速n和转子初始位置角θ_r；

步骤2：将步骤1得到的相电流i_a、i_b，经过3s/2s变换得到两相静止坐标系下α轴电流i_α和β轴电流i_β，再经过2s/2r变换得到两相旋转坐标系下的d轴电流i_d和q轴电流i_q；利用步骤1得到的θ_r、i_f与i_α、i_β计算定子磁链ψ_s的幅值、磁链位置角θ_s和电磁转矩T_e；

步骤3：利用编码器实测转速n、给定转速n_ref与步骤2得到的电磁转矩T_e，求功角增量Δδ；

步骤4：将步骤1得到的励磁电流i_f和母线电压U_dc、步骤2得到的d轴电流i_d和q轴电流i_q、步骤3得到的转速n与电磁转矩参考值T_eref送入参考电流计算模块，根据转速判断电机运行区间：当实际转速小于额定转速时，则混合励磁同步电机运行于低速区，进入步骤5，否则，混合励磁同步电机运行于高速区，进入步骤6；

步骤5：混合励磁同步电机运行于低速区，基于损耗最小直接转矩控制策略，计算得到d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref、励磁电流参考值i_fref和计算定子磁链参考值ψ_sref；

步骤6：混合励磁同步电机运行于高速区，基于损耗最小直接转矩控制策略，计算得到d轴电流参考值i_dref、q轴电流参考值i_qref、励磁电流参考值i_fref和计算定子磁链参考值ψ_sref；

步骤7：利用步骤2得到的ψ_s、θ_s、i_α、i_β，步骤3得到的Δδ，步骤5或6得到的ψ_sref计算定子α轴电压u_α、β轴电压u_β；

步骤8：将步骤7得到的定子α轴电压u_α、β轴电压u_β和步骤1得到的母线电压U_dc送入空间矢量脉冲宽度调制模块后输出6路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；同时将步骤1中采集的励磁电流i_f，经信号调理与A/D转换后，与步骤5或步骤6得到的励磁电流参考值i_fref一起送入直流励磁脉宽调制模块，运算输出4路脉冲宽度调制信号来驱动励磁功率变换器。

本发明的特点还在于：

步骤2具体为：

将采集的相电流i_a、i_b经信号调理和A/D转换，经过三相静止坐标系到两相静止坐标系的3/2变换得到两相静止坐标系下的α轴电流i_α和β轴电流i_β，再经过两相静止坐标系到两相旋转坐标系的2s/2r变换得到两相旋转坐标系下的d轴电流i_d和q轴电流i_q；利用步骤1得到的θ_r、i_f与i_α、i_β计算定子磁链ψ_s的幅值、磁链位置角θ_s和电磁转矩T_e：

在两相静止αβ参考坐标系中，混合励磁同步电机的磁链方程为：

式中，ψ_m为永磁磁链；M_f为电枢绕组与励磁绕组间的互感；L_α、L_β分别为定子电感在α轴和β轴的分量；ψ_α、ψ_β分别为定子磁链ψ_s在α轴和β轴的分量；

定子磁链ψ_s的幅值和磁链位置角θ_s分别为：

在两相静止αβ参考坐标系中，混合励磁同步电机的电磁转矩方程为：

式中，T_e为电磁转矩，p为电机极对数。

步骤3具体为：

将编码器实测转速n与给定转速n_ref比较后得到转速偏差Δn，转速偏差Δn进入速度调节器后得到电磁转矩参考值T_eref，将电磁转矩参考值T_eref与步骤2得到的电磁转矩T_e比较后，得到电磁转矩偏差ΔT_e，送入转矩调节器后得到功角增量Δδ。

步骤5具体为：

基于损耗最小直接转矩控制策略，得如下电流分配方案：

式中，系数k₂、k₃、k₄、k₅、k₆分别为：

其中，i_dref为d轴电流参考值；i_qref为q轴电流参考值；i_fref为励磁电流参考值；L_d、L_q分别为d轴与q轴电感；ω_e为电角速度；R_s为电枢绕组电阻；R_f为励磁绕组电阻；T_eref为电磁转矩参考值；ψ_m为永磁磁链；M_f为电枢绕组与励磁绕组间的互感；c_str为杂散损耗系数；

混合励磁同步电机定子磁链参考值ψ_sref为：

步骤6具体为：

基于损耗最小直接转矩控制方法，得如下电流分配方案：

式中，系数k₂、k₃、k₄、k₅、k₆分别为：

其中，i_dref为d轴电流参考值；i_qref为q轴电流参考值；i_fref为励磁电流参考值；L_d、L_q分别为d轴与q轴电感；ω_e为电角速度；R_s为电枢绕组电阻；R_f为励磁绕组电阻；T_eref为电磁转矩参考值；ψ_m为永磁磁链；M_f为电枢绕组与励磁绕组间的互感；c_str为杂散损耗系数；n_N为额定转速；n实际转速；

混合励磁同步电机定子磁链参考值ψ_sref为：

步骤7具体为：

混合励磁同步电机定子α轴、β轴电压u_α和u_β表示为：

式中，ΔT为采样时间。

步骤8中的脉冲宽度调制模块为消除指定次数谐波的脉冲宽度调制模块。

本发明的有益效果是：现有混合励磁同步电机矢量控制方法虽然简单方便，但转矩响应较慢，控制系统响应较慢。而仅有的混合励磁同步电机直接转矩方法采用了保持i_d＝0的策略，没有充分发挥凸极电机的转矩输出能力，损耗较大，效率不够高，调速范围不够宽。本发明通过步骤2)至步骤7)的混合励磁同步电机损耗最小直接转矩控制方法，使得混合励磁同步电机在整个运行区域都具有较高的效率和转矩动态响应。所以本发明相对现有控制方法具有以下优点：

(1)该方法采用了直接转矩控制，使转矩动态响应更为快速；

(2)相对于保持i_d＝0的直接转矩控制方法，本发明采用了损耗最小直接转矩控制方法，充分发挥了凸极率较大的混合励磁同步电机的转矩输出能力，提高了电机的带载能力；减小了电机的损耗，极大地提高了控制系统的效率，拓宽了电机的恒功率运行范围；

(3)相对于矢量控制方法，该发明提出的控制方法使得混合励磁同步电机在电动汽车中获得了广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明方法的逻辑流程框图；

图2是本发明方法的控制系统框图；

图3是实现本发明方法的系统结构框图；

图4是本发明方法中定子电压矢量和定子磁链矢量轨迹图；

图5是本发明方法中参考电流计算模块系统框图；

图6是计及电机铜耗和铁耗的混合励磁同步电机d轴等效电路图；

图7是计及电机铜耗和铁耗的混合励磁同步电机q轴等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1为本发明方法的逻辑流程框图，通过信号采集和公式计算得到驱动信号来驱动功率变换器。

图2为实现本发明的控制系统框图，该控制系统由参考电流计算模块、电压空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)模块、逆变器、混合励磁同步电机、功率变换器、消除指定次数谐波的脉冲宽度调制(SHEPWM)模块和定子磁链与磁链位置角计算模块等组成。

图3为实现本发明方法的系统结构框图，该系统由交流电源、整流器、稳压电容、主功率变换器、励磁功率变换器、电流和电压传感器、混合励磁同步电机、DSP控制器等组成。

交流电源给整个系统供电，经过整流器整流后，滤波、稳压，送给主、励磁功率变换器，霍尔电压传感器采集母线电压，调理后送入控制器。主、励磁功率变换器的输出端接混合励磁同步电机，霍尔电流互感器采集相电流和励磁电流，调理后送入控制器；编码器采集转速和转子位置信号，处理后送入控制器计算转子位置角与转速。控制器输出10路PWM信号分别驱动主、励磁功率变换器。

本发明一种混合励磁同步电机损耗最小直接转矩控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：三个霍尔电流传感器和两个霍尔电压传感器分别从电机主电路采集相电流i_a、i_b和励磁电流i_f、母线电压U_dc和励磁电压U_f，将采集到的信号经电压跟随、滤波、偏置及过压保护等信号调理后送入控制器进行处理，对电机进行准确初始位置检测，得出转速n和转子初始位置角θ_r；

步骤2：将采集的相电流i_a、i_b经信号调理和A/D转换，经过三相静止坐标系到两相静止坐标系的3/2变换得到两相静止坐标系下的α轴电流i_α和β轴电流i_β，再经过两相静止坐标系到两相旋转坐标系的2s/2r变换得到两相旋转坐标系下的d轴电流i_d和q轴电流i_q；利用步骤1得到的θ_r、i_f与i_α、i_β计算定子磁链ψ_s的幅值、磁链位置角θ_s和电磁转矩T_e，具体为：

在两相静止αβ参考坐标系中，混合励磁同步电机的磁链方程为：

式中，ψ_m为永磁磁链；M_f为电枢绕组与励磁绕组间的互感；i_f为励磁电流；L_α、L_β分别为定子电感在α轴和β轴的分量。

混合励磁同步电机定子电压矢量和定子磁链矢量轨迹图如图4所示，将式(1)重新表示为：

式中，θ_r为转子初始位置角。

定子磁链ψ_s的幅值和磁链位置角θ_s分别为：

在两相静止αβ参考坐标系中，混合励磁同步电机的电磁转矩方程为：

式中，T_e为电磁转矩，p为电机极对数。

步骤3：将编码器实测转速n与给定转速n_ref比较后得到转速偏差Δn，转速偏差Δn经过速度调节器后得到电磁转矩参考值T_eref，将电磁转矩参考值T_eref与步骤2得到的电磁转矩T_e比较后，得到电磁转矩偏差ΔT_e，经过转矩调节器后得到求功角增量Δδ；

步骤4：将步骤1得到的励磁电流i_f和母线电压U_dc、步骤2得到的d轴电流i_d和q轴电流i_q、步骤3得到的转速n与电磁转矩参考值T_eref送入参考电流计算模块，如图5所示，根据转速判断电机运行区间：当实际转速小于额定转速时，则混合励磁同步电机运行于低速区，进入步骤5；否则，混合励磁同步电机运行于高速区，进入步骤6；

步骤5：混合励磁同步电机运行于低速区，计算定子磁链参考值ψ_sref；

下面分析低速区混合励磁同步电机损耗最小直接转矩控制策略，具体如下：

混合励磁同步电机在dq参考坐标系中的数学模型为：

磁链方程：

电压方程：

电磁转矩方程：

极限条件：

其中，i_d、i_q分别为d轴与q轴电流，i_smax为额定电流，i_f为励磁绕组电流；L_d、L_q分别为d轴与q轴电感，M_f为电枢与励磁绕组之间的互感；ω_e为电角速度；u_d、u_q分别为d轴与q轴的电压，u_f为励磁绕组电压；R_s为电枢绕组电阻，R_f为励磁绕组电阻；ψ_d、ψ_q、ψ_f分别d轴、q轴与励磁绕组磁链；

混合励磁同步电机的铜耗p_Cu为：

混合励磁同步电机的铁耗p_Fe为：

式中，ψ_exc为总励磁磁链，R_c为铁耗等效电阻。

混合励磁同步电机的机械损耗p_m为：

式中，c_m为机械损耗系数。

混合励磁同步电机的杂散损耗p_str为：

式中，c_str为杂散损耗系数。

图6为计及电机铜耗和铁耗的混合励磁同步电机d轴等效电路图，图7为计及电机铜耗和铁耗的混合励磁同步电机q轴等效电路图，可得混合励磁同步电机在dq参考坐标系中计及铜耗和铁耗的电机数学模型。

电压方程：

其中，

磁链方程：

电磁转矩方程：

式中，i_od为流进d轴反电势分支的电流，i_oq为流进q轴反电势分支的电流，u_od为铁耗等效电阻R_c两端d轴压降，u_oq铁耗等效电阻R_c两端q轴压降。

构建拉格朗日函数，求混合励磁同步电机铜耗、铁耗与机械损耗之和的最小值，如下所示：

式(18)分别对i_d、i_q、i_f和λ求导，得到：

令通过计算得到混合励磁同步电机在低速运行区的参考电流为：

式中，系数k₂、k₃、k₄、k₅、k₆分别为：

式(20)为一元四次方程，采用牛顿迭代法解出励磁电流参考值i_fref，进而得到定子d轴电流参考值i_dref和q轴电流参考值i_qref。

混合励磁同步电机定子磁链参考值ψ_sref为：

步骤6：混合励磁同步电机运行于高速区，计算定子磁链参考值ψ_sref；

当混合励磁同步电机进入高速区后，电机电压和电流极限为：

混合励磁同步电机运行转速达到额定转速n_N时，反电动势为：

令q轴反电势e_q等于e₀，得到：

基于转矩和极限约束条件，构建拉格朗日方程求铜耗、铁耗、杂散损耗与机械损耗之和的最小值，如下所示：

式中，λ₁和λ₂为拉格朗日乘子。

式(25)分别对i_d、i_q、i_f、λ₁和λ₂求导，得到：

令可得：

通过式(27)计算得到混合励磁同步电机在高速运行区的参考电流：

式中，系数k₂、k₃、k₄、k₅、k₆分别为：

采用牛顿迭代法解出方程(28)中的i_fref，进而得到i_dref和i_qref。

混合励磁同步电机定子磁链参考值ψ_sref为：

步骤7：计算定子α轴电压u_α、β轴电压u_β：

混合励磁同步电机定子α轴、β轴电压u_α和u_β可以表示为：

式中，ΔT为采样时间。

步骤8：将定子α轴电压u_α、β轴电压u_β和母线电压U_dc送入空间矢量脉冲宽度调制模块(采用消除指定次数谐波的脉冲宽度调制模块)后输出6路脉冲宽度调制信号，驱动主功率变换器；同时将步骤1中采集的励磁电流i_f，经信号调理与A/D转换后，与步骤5或步骤6得到的励磁电流参考值i_fref一起送入直流励磁脉宽调制模块，运算输出4路脉冲宽度调制信号来驱动励磁功率变换器。

现有混合励磁同步电机矢量控制方法虽然简单方便，但转矩响应较慢，控制系统响应较慢。而仅有的混合励磁同步电机直接转矩方法采用了保持i_d＝0的策略，没有充分发挥凸极电机的转矩输出能力，损耗较大，效率不够高，调速范围不够宽。本发明通过步骤2至步骤7的混合励磁同步电机损耗最小直接转矩控制方法，使得混合励磁同步电机在整个运行区域都具有较高的效率和转矩动态响应。所以本发明相对现有控制方法具有以下优点：

(1)该方法采用了直接转矩控制，使转矩动态响应更为快速；

(2)相对于保持i_d＝0的直接转矩控制方法，本发明采用了损耗最小直接转矩控制方法，充分发挥了凸极率较大的混合励磁同步电机的转矩输出能力，提高了电机的带载能力；减小了电机的损耗，极大地提高了控制系统的效率，拓宽了电机的恒功率运行范围；

(3)相对于矢量控制方法，该发明提出的控制方法使得混合励磁同步电机在电动汽车中获得了广泛的应用前景。