混合励磁同步电动机分段弱磁控制_黄明明

Flux-Weakening Stage Control of Hybrid Excitation Synchronous Motors
Huang Mingming 1 Zhou Chenghu 1 Guo Jian 2 451191 China China） Nanjing 210016 （ 1. Henan Institute of Engineering Zhengzhou 2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Abstract
451191
210016）
针对混合励磁同步电动机在高速区的弱磁运行特点，首先推导出其弱磁调速过程中保
持平稳运行的电流变化关系，然后在此基础上提出了一种采用模糊控制与粒子群优化算法分阶段 电流调节的效率最优控制方法。该控制方法的基本思想是，当电机处于弱磁调速过渡阶段时，通 过模糊控制器对电流进行初步调节，使其迅速起动或进行状态调整，获得较高的动态性能；当电 机进入稳态运行阶段后，以铜耗最小化为目标，采用粒子群优化算法对电流进行进一步调整，使 其实现效率最优化控制。最后，通过仿真与实验结果分析验证了上述控制方法的有效性。 关键词： 混合励磁同步电机 中图分类号： TM341 粒子群优化 模糊控制 铜耗最小化 弱磁控制 宽调速
式（ 1）～式（ 3 ）中 u d, u q, id, iq— — d、 q 轴电压和 电流分量； — d 、 q 轴磁链与永磁磁链； ψ d, ψ q, ψ pm— — 励磁电压与电流； uf , if — — 电枢和励磁绕组电阻； Rs, Rf — — 电枢 d 、 q 轴电感及电枢 L d, L q, Msf — 与励磁绕组之间的互感； — 电角速度； ωe— p— — 电机的极对数； — 电磁转矩。 Te—
2
数学模型
忽略电机内温度变化、铁损、杂散损耗、磁场
饱和等的影响，根据矢量控制原理，采用 d-q 轴坐 标系，可得到 HESM 的等效电路模型如图 1 所示。 在此基础上，还可推出 HESM 的三个基本方程如下： 电路方程为
ud Rs sLd uq e Ld u sM f sf e Lq Rs sLq 0 sM sf id 0 e M sf iq e pm i 0 Rf sLf f
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黄明明 等
混合励磁同步电动机分段弱磁控制
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控制，关键是合理分配电枢电流与励磁电流的大小 和方向，使其在维持较高的效率下，获得低速大转 矩和宽调速特性。目前，国内外在 HESM 控制方面 的主要成果简述如下：陈清泉院士给出了一种混合 励磁无刷直流电机模糊控制方案，通过模糊控制器 调节电流大小 [6] 。日本学者 Shinji Shinnaka 提出了 一种基于通用坐标系的动态矢量控制模型 [7] ，并对 隐极 HESM 提出了一种基于 id=0 的铜耗最小化矢量 控制方法 [8]。华中科技大学李叶松教授等以 HESM 中的连续极永磁电机（ Consequent-Pole Permanent Magnet， CPPM）为研究对象 [9] ，分析了 CPPM 电 机的参数特点，推导出最大转矩输出的必要条件， 提出了适合 CPPM 电机的磁链控制策略。南京航空 航天大学邓智泉教授等对并列式混合励磁磁通切换 型电机（ Parallel Hybrid Excited Flux-Switching ， PHEFS ）的电磁特性进行了深入分析，在此基础上 研究了 PHEFS 的 id=0 电流矢量控制策略，通过对 励磁电流和电枢电流的合理分配达到最大转矩铜耗 比控制 [10] 。本文作者在文献 [11-13]中给出了三种新 颖的分区控制策略，并对各速度区间的控制算法进 行了优化。但以上文献均没有考虑在电机运行过程 中，当温度、电流发生变化或器件、材料老化时， 会引起磁路与电路中各电磁参数受到不同程度的影 响，导致基于精确数学模型的常规控制性能大大下 降；此外，由于电磁转矩与其各电流分量之间的关 系呈现典型的非线性特点，经过简化和线性化后的 数学模型与实际物理模型之间存在一定误差，从而 也导致常规控制效果难以达到理想状态。 为克服 HESM 的电感、电阻等参数测不准及其 数值变化对电机运行状态、性能的影响，本文作者在 文献 [14]中提出了一种不严格依赖于电机各项参数、 基于矢量控制并将模糊控制（ Fuzzy Control, FC）与 粒子群优化（ Particle Swarm Optimization, PSO）算 法相结合的智能弱磁调速方法，该方法将弱磁调速 过程划分为两个阶段： 第一阶段为非稳态运行阶段， 单独应用模糊控制来调节励磁电流和 d 轴电流以提 高电机动态响应特性；第二阶段为稳定运行阶段， 在模糊控制器输出量不变的基础上，结合 PSO 算 法，对电枢电流和励磁电流做进一步调节，使系统 实现效率最优化。但是，上述文献在弱磁电流分配 算法上还不完善，且无实验验证，因此本文在此基 础上对弱磁控制算法作了进一步改进，并通过 HESM 系统仿真和实验结果证明了本文所提出的改 进算法的有效性。
而成。由于永磁磁场近似恒定，电流调节过程中要 维持 d 不变，对式（ 2 ）求微分，可得
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电 工 技 术 学 报
2015 年 1 月
d d Ld did M sf dif
（ 4）
4
基于 FC-PSO 的弱磁控制方法
HESM 是一个多变量、非线性、强耦合的复杂
式中，用符号“ ”代替微分算子“ d” ，可得
（ a ） d 轴等效电路
（ b ） q 轴等效电路
图1 Fig.1
HESM 的 d-q 轴等效电路
d-axis and q-axis equivalent circuits of HESM
3
弱磁调速过程维持 HESM 平稳运行的 电流变化关系
由磁链方程式（ 2）可知， HESM 的 d 轴磁链
d 由 d 轴电流、励磁电流及永磁体产生的磁场叠加
（ 1） 磁链方程为
d Ld q 0 0 Lq M sf 0 id pm iq 0 if
（ 2）
转矩方程为
Te 3 3 p(iq d id q ) piq [ pm id ( Ld Lq ) M sf if ] 2 2 （ 3）
式中，令 d=0 ，可得维持 d 不变时，励磁电 流和 d 轴电流的变化关系为
L if d id M sf
（ 6）
在弱磁调速过程中，当负载恒定时，要维持 HESM 的转速基本不变，电机输出的电磁转矩也应 保持稳定。对转矩方程（ 3 ）求微分，并用符号“ ” 代替微分算子“ d” ，得电磁转矩增量表达式为
Te 3 piq [( Ld Lq )id M sf if ] 2 3 piq [ pm ( Ld Lq )id M sf if ] 2
（ 7）
制算法，它以人的经验和知识为基础，不需要精确 的数学模型，对参数变化的线性或非线性对象有很 强的鲁棒性 [15] 。 本文所设计的 FC-PSO 系统如图 2 所示，图中 虚线以下为模糊控制子系统，该子系统主要功能模 块包括模糊化、模糊规则、模糊推理、解模糊等。 ω ref 图中部分符号变量含义如下： ω r 为机械角速度； 为给定机械角速度； Eq 为电机反电动势 q 轴分量； Ebase 为反电动势基值； Udc 为母线电压； kΔEB、 kΔ ω、 kif 、 kid 分别为模糊化与解模糊过程的定标因子； ki 为 q 轴电流 /转矩系数； Teest 为电磁转矩估算值。
1
引言
混合励磁同步电
具有 显 著 的 低 速 大 转 矩 与 宽 调 速 特 征 ， 特 别 适 用 于精密机床、仪表随动系统及电动汽车等领域的驱 动 [1,2] 。 与 PMSM 相比，由于 HESM 在结构上的相似 性及其仅多了一个附加的励磁绕组， HESM 的控制 系统设计可以参考 PMSM 的控制原理 [3-5] 。但是在 HESM 系统中，电磁转矩与电枢电流及励磁电流之 间的关系是非线性的，相同电磁转矩可以由不同的 电枢电流与励磁电流组合产生。因此，对 HESM 的
d Ld id M sf if
（ 5）
系统，当电机在高速区做弱磁运行时， Msf 、 L d、 L q 等参数将随各电流分量变化呈现非线性变化，采用 常规控制方法将使其难以获得理想运行性能。 因此， 本 文 提出 了一 种 基 于 FC-PSO 的 分段 弱 磁调 速方 法，其原理是：当电机运行在过渡状态时，采用增 量式模糊控制方法调节励磁电流与 d 轴电流，使其 快速进入稳定运行状态；当电机进入稳态后，采用 PSO 算法进一步调节 d 轴电流、 q 轴电流与励磁电 流的比例，使电机铜耗实现最小化。下面分别讨论 各阶段的控制原理。 4.1 模糊控制阶段 模糊控制是基于模糊逻辑或模糊推理系统的控
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电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.30 Jan.
No. 1 2015
混合励磁同步电动机分段弱磁控制
黄明明
1
周成虎
1
郭
南京
健
郑州
2
（ 1．河南工程学院电气信息工程学院 2．南京航空航天大学自动化学院 摘要
ronous Motor, HESM）是一种气隙磁场可调的电机， 综合了永磁同步电机（ Permanent Magnetic Synchronous Motor, PMSM）和电励磁同步电机的优点，
国家自然科学基金（ 51307082 ），河南省教育厅科学技术研究重点 项目（ 13B470936 ），河南省科技厅科技攻关项目 (142102210403) 。 收稿日期 2013-11-25 改稿日期 2014-06-30