混合勵(lì)磁同步電機(jī)低速大力矩控制策略的研究?

馮 杰，李優(yōu)新，黎 勉，王勝?gòu)?qiáng)，楊 賓

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006）

0 引言

混合勵(lì)磁同步電機(jī)（hybrid excitation synchronous motor，HESM）在結(jié)構(gòu)、性能方面與永磁同步電機(jī)（PMSM）有相似之處，但其驅(qū)動(dòng)與控制有其特殊性。東南大學(xué)黃明明博士給出了混合勵(lì)磁同步電機(jī)分區(qū)控制系統(tǒng)［1］。日本學(xué)者Shinji Shinnaka建立了一種基于通用坐標(biāo)系的動(dòng)態(tài)矢量控制模型及對(duì)隱極HESM提出了一種基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的銅耗最小化矢量控制模型［2，3］。廣東工業(yè)大學(xué)的李優(yōu)新博士提出了一種混合勵(lì)磁無(wú)刷直流電機(jī)的控制策略［4］。本文針對(duì)一臺(tái)額定功率為6kW的HESM，基于空間電壓矢量（Sector Voltage PWM，SVPWM）控制的思想，在傳統(tǒng)的PMSM驅(qū)動(dòng)器模型上加入了一個(gè)電流分配器，通過(guò)電流分配器合理分配電樞電流與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)電樞電流與勵(lì)磁電流之間的解耦，實(shí)現(xiàn)HESM驅(qū)動(dòng)器的可靠穩(wěn)定工作。

1 HESM的結(jié)構(gòu)原理與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型

1.1 HESM的結(jié)構(gòu)

圖1為HESM內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，電機(jī)的定子與普通的PMSM定子相同。從電機(jī)的電磁關(guān)系來(lái)看，HESM與PMSM相比，結(jié)構(gòu)上多了勵(lì)磁繞組［5］。

1.2 調(diào)磁機(jī)理

當(dāng)不加勵(lì)磁電流時(shí)，勵(lì)磁繞組不產(chǎn)生勵(lì)磁磁勢(shì)，則電機(jī)氣隙中只有永磁磁通，此時(shí)的HESM就相當(dāng)于一臺(tái)PMSM。如圖2所示，當(dāng)負(fù)載力矩超過(guò)電機(jī)額定力矩，則向HESM的勵(lì)磁繞組中通入增磁勵(lì)磁電流。電機(jī)氣隙中將產(chǎn)生與永磁磁通ΦPM方向相同的勵(lì)磁磁通Φf，以達(dá)到增加電機(jī)磁通的效果。電機(jī)磁通增加后，使得電機(jī)在不增加電樞電流的前提下增大了電機(jī)的輸出力矩。

圖1 HESM內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 HESM的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型

不失一般性，對(duì)于這臺(tái)HESM，忽略HESM的電樞電壓、電流諧波分量等的影響，仍然采用dq坐標(biāo)系來(lái)建立HESM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型。根據(jù)SVPWM的控制原理，可得到HESM的控制系統(tǒng)模型，如圖3所示。HESM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要功能模塊與傳統(tǒng)的PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，主要是控制對(duì)象不同并且多了3個(gè)模塊，分別是勵(lì)磁電流脈寬調(diào)制信號(hào)、勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)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(lái)合理分配電樞電流與勵(lì)磁電流之間關(guān)系的，以保證HESM的穩(wěn)定與可靠運(yùn)行。

HESM電流分配器的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，HESM驅(qū)動(dòng)器通過(guò)電流分配器調(diào)節(jié)q軸電流參考值與勵(lì)磁電流參考值。由于采用Id＝0的矢量控制，所以d軸電流參考值在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中直接賦為零值。通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度ωr、驅(qū)動(dòng)器的母線電壓Udc兩變量來(lái)選擇控制區(qū)域。當(dāng)負(fù)載力矩沒(méi)有超過(guò)電機(jī)的額定力矩時(shí)，電機(jī)運(yùn)行在常規(guī)力矩區(qū)，此時(shí)的驅(qū)動(dòng)器就相當(dāng)于一臺(tái)PMSM驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)負(fù)載力矩大于電機(jī)額定力矩時(shí)，電機(jī)進(jìn)入動(dòng)態(tài)增磁區(qū)，HESM驅(qū)動(dòng)器通過(guò)增加以達(dá)到增大電機(jī)輸出力矩的目的。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器獲得電機(jī)的ωr與電角度θ；電機(jī)轉(zhuǎn)速參考值由驅(qū)動(dòng)器給定；Tref為電機(jī)參考輸出力矩。

圖2 電機(jī)定、轉(zhuǎn)子截面圖

圖3 HESM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型

圖4 HESM電流分配器結(jié)構(gòu)框圖

2 HESM的低速大力矩控制策略

2.1 總體控制思想

本文提出一種簡(jiǎn)單有效的控制算法，即當(dāng)負(fù)載力矩在HESM額定力矩以下時(shí)，HESM不用增加勵(lì)磁電流，即if＝0，此時(shí)的HESM可以看作一臺(tái)PMSM，可以采用傳統(tǒng)的PMSM控制策略；當(dāng)負(fù)載在額定力矩以上時(shí)，保持HESM原有電樞電流值不變，調(diào)節(jié)HESM的勵(lì)磁電流if，從而增加勵(lì)磁磁通使得HESM的輸出力矩與負(fù)載力矩之間的動(dòng)態(tài)平衡，在不增加電樞電流的前提下實(shí)現(xiàn)HESM的低速大力矩的特性。

2.2 低速大力矩控制算法

下面來(lái)推導(dǎo)HESM在動(dòng)態(tài)增磁區(qū)時(shí)，電樞電流與勵(lì)磁電流的基本關(guān)系。設(shè)Te為電機(jī)的輸出力矩：

其中：p為極對(duì)數(shù)；iq為q軸電流；ψpm為永磁磁鏈；Lsf為電樞繞組與勵(lì)磁繞組之間的互感；if為勵(lì)磁電流的瞬時(shí)值。設(shè)TeN為電機(jī)在不加勵(lì)磁電流情況下的額定輸出力矩，則：

其中：IqN為q軸電流額定值。根據(jù)式（3），可以推算出：

令

iTref為當(dāng)負(fù)載力矩大于TeN時(shí)所需的力矩對(duì)應(yīng)的q軸電流值，則Te－TeN之間的差值由勵(lì)磁電流來(lái)補(bǔ)充。

由式（2）、式（4）、式（5）可得：

HESM轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，定子繞組與勵(lì)磁繞組磁鏈方程為：

其中：ψd，ψq分別為電機(jī)的d軸與q軸的磁鏈；ψf為勵(lì)磁繞組的磁鏈；Ld，Lq分別為電機(jī)的d軸與q軸自感系數(shù)；Lf為勵(lì)磁繞組自感系數(shù)；id，iq分別為d軸與q軸的瞬時(shí)電流值。將式（7）展開(kāi)，再根據(jù)ψ與U的關(guān)系式，可得：

其中：ud，uq分別為電樞電壓d，q軸值；uf為勵(lì)磁繞組電壓值；Rs為定子繞組電阻值；Rf為勵(lì)磁繞組電阻值；ω為電機(jī)同步角速度。

其中：nN為電機(jī)轉(zhuǎn)速額定值。在電機(jī)進(jìn)入恒功率區(qū)后，Ifmax要小于等于勵(lì)磁電流額定值IfN；同時(shí)，其最大勵(lì)磁電流Ifmax又不能超過(guò)。所以有：

當(dāng)IfN＝max時(shí)，則由式（9）可知，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為：

則由式（8）、式（10）可得，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n＊≤n1時(shí)，Ifmax＝IfN；當(dāng)n＊＞n1時(shí)，Ifmax＝，HESM在n1～nN這段速度區(qū)間內(nèi)為恒功率區(qū)，會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而減小。

動(dòng)態(tài)增磁區(qū)的工作流程可以總結(jié)為：當(dāng)負(fù)載力矩大于電機(jī)輸出力矩時(shí)，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)速環(huán)對(duì)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if＝0的模式下計(jì)算出iq，再保持iq＝IqN；通過(guò)式（6）計(jì)算出if，再根據(jù)式（9）、式（11）得出if的最大值Ifmax。通過(guò)增加if使得輸出力矩加大，實(shí)現(xiàn)電機(jī)力矩與負(fù)載力矩間的動(dòng)態(tài)平衡。

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)以一臺(tái)額定功率為6kW、頻率為50Hz的8極HESM為對(duì)象，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由泰克公司的DOP3000型示波器采集，由OriginLab處理后所得。HESM樣機(jī)的力矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)由日本小野公司的TS-3100數(shù)字力矩儀測(cè)得。實(shí)驗(yàn)用HESM基本參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5是在轉(zhuǎn)速為1 600r/min、勵(lì)磁電流為10A，負(fù)載力矩發(fā)生突變時(shí)，HESM的動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖。由圖5可看出：當(dāng)負(fù)載力矩由15N·m突變到25N·m時(shí)，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)微小的下降，但又很快恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速；當(dāng)負(fù)載力矩由25N·m突變到15N·m時(shí)，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了上升，但很快恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速。故HESM驅(qū)動(dòng)器具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

表1 實(shí)驗(yàn)用HESM基本參數(shù)

圖6為當(dāng)HESM分別在轉(zhuǎn)速為500r/min、1 500 r/min、2 500r/min，電機(jī)電樞電流維持不變時(shí)，電勵(lì)磁電流不斷增加時(shí)電機(jī)的輸出力矩，可以看出輸出力矩也呈線性增加。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，HESM通過(guò)增加電機(jī)勵(lì)磁電流，增大電機(jī)磁通，使得電機(jī)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(jī)的帯載能力。

4 結(jié)論

本文針對(duì)HESM的特點(diǎn)，提出的新型低速大力矩控制策略具有如下特性：在動(dòng)態(tài)增磁區(qū)，實(shí)現(xiàn)了電樞電流與勵(lì)磁電流的自然解耦，大大降低了控制算法的復(fù)雜性，使算法的軟件化更為簡(jiǎn)單可行；在增加了勵(lì)磁電流之后，HESM相對(duì)于傳統(tǒng)的PMSM，輸出力矩有較大的提升，實(shí)現(xiàn)了低速大力矩的特性；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有非常好的穩(wěn)態(tài)性能，在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，能夠提供較相同的PMSM更大的力矩。

圖5 HESM的動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖

圖6 HESM在不同勵(lì)磁電流下的輸出力矩

［1］黃明明，林鶴云，金平，等.新型混合勵(lì)磁同步電機(jī)分區(qū)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（12）：120-125.

［2］Shinnaka S.New dynamic mathematical model and new dynamic vector simulators of hybrid-field synchronous motor［C］//IEEE International Conference on Electric Machines and Drives.San Antonio，TX，USA，2005：882-889.

［3］Shinnaka S，T Sagawa，New optimal current control methods for energy-efficient and wide speed-range operation of hybrid-field synchronous motor［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2007，54（5）：2443-2450.

［4］李優(yōu)新.混合勵(lì)磁無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及控制策略研究［J］.微特電機(jī)，2003，31（3）：3-5，37.

［5］葉斌英，阮毅，楊勇，等.基于混合勵(lì)磁電機(jī)的直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)［J］.電機(jī)與控制應(yīng)用，2010，37（5）：1-6.