一種新型混合勵磁電機矢量控制策略的研究*

楊 賓，李優(yōu)新，黎 勉

（廣東工業(yè)大學信息工程學院，廣東廣州 510006）

0 引言

混合勵磁同步電機（HESM）內(nèi)同時存在兩個磁勢源，很容易實現(xiàn)氣隙磁場的直接調(diào)節(jié)與控制，因而其概念從一提出就受到了國內(nèi)外學者的普遍關(guān)注[1-3]。從電機內(nèi)永磁磁勢和電勵磁磁勢的相互作用關(guān)系來看，混合勵磁同步電機可分為串聯(lián)磁路式和并聯(lián)磁路式兩大類。串聯(lián)磁路式HESM結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便，但是存在電勵磁效率低和永磁體退磁風險高的缺點[4]。針對這一問題，通過合理設(shè)計永磁片左右兩端的鐵芯尺寸，改變電勵磁磁勢的磁路，形成了一種磁通并聯(lián)但又具有串聯(lián)磁路式HESM優(yōu)點的新型結(jié)構(gòu)，從而提高了電勵磁的效果，降低了永磁體的退磁風險。

論文首先簡單介紹了這種新型HESM的基本結(jié)構(gòu)和調(diào)磁原理，然后根據(jù)其調(diào)速特性曲線將電機的運行狀態(tài)分為四個區(qū)域，并提出了基于分區(qū)控制的矢量控制策略，深入研究了每個區(qū)域的電流分配機制，最后通過樣機實驗驗證了該電機及其控制策略的可行性與有效性。

1 調(diào)磁原理分析

圖1為電機定轉(zhuǎn)子徑向截面示意圖。其定子繞組與普通交流電機繞組類似，電勵磁繞組嵌繞在轉(zhuǎn)子永磁體下面的磁極上。

圖中1（實線部分）顯示了通入箭頭所示方向的電流時的電勵磁磁通路徑：電勵磁N極→勵磁鐵芯→定轉(zhuǎn)子氣隙→定子鐵芯→定轉(zhuǎn)子氣隙→勵磁鐵芯→電勵磁S極→轉(zhuǎn)子軛→電勵磁N極；2（虛線部分）所示為永磁體磁通路徑：永磁N極→定轉(zhuǎn)子氣隙→定子鐵芯→定轉(zhuǎn)子氣隙→永磁S極→轉(zhuǎn)子軛→永磁N極。由于電機中的氣隙磁通由永磁體磁通和電勵磁磁通合成，所以混合勵磁電機可工作于永磁、增磁、弱磁三種狀態(tài)。當電機勵磁繞組中無勵磁電流時，電機工作于永磁狀態(tài)；通入正向勵磁電流時，電機工作于增磁狀態(tài)；通入反向勵磁電流時，電機工作于弱磁狀態(tài)。由此可見，改變電勵磁繞組中勵磁電流的大小和方向，就可以得到所需的氣隙磁場。

圖1 電機定轉(zhuǎn)子徑向截面示意圖

2 HESM矢量控制策略

2.1 調(diào)速特性

圖2 HESM的轉(zhuǎn)速-力矩調(diào)節(jié)曲線

混合勵磁電機工作時需要協(xié)調(diào)分配永磁磁勢和電勵磁磁勢的比例，使其能夠根據(jù)負載狀態(tài)自動實現(xiàn)增磁、弱磁、永磁三種狀態(tài)間的切換。圖2為HESM的轉(zhuǎn)速-力矩調(diào)節(jié)曲線，根據(jù)圖中的標示將電機的工作范圍分成四個區(qū)：額定轉(zhuǎn)速以下的低速標準區(qū)（BGOH）和低速增磁區(qū)（ABHJ）；額定轉(zhuǎn)速以上的高速標準區(qū)（BCFG）和高速弱磁區(qū)（CDEF）。其中nN為勵磁電流為零時電機額定轉(zhuǎn)速，nfN為電機弱磁基速，即HESM開始弱磁升速點，nd為HESM低速增磁區(qū)恒轉(zhuǎn)矩與恒功率分割點，nmax為弱磁狀態(tài)下電機最大轉(zhuǎn)速。

2.2 控制策略

2.2.1 低速標準區(qū)（BGOH）

該區(qū)電勵磁不起作用，負載轉(zhuǎn)矩小于額定轉(zhuǎn)矩，所以電勵磁電流給定為零。與常規(guī)的永磁電機驅(qū)動控制相似，通過電樞電壓控制器調(diào)節(jié)電樞電壓即可滿足。

2.2.2 低速增磁區(qū)（ABHJ）

電機運行與該區(qū)時，負載轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩。由混合勵磁電機轉(zhuǎn)矩方程[5]

在id=0控制方式下，保持iq=IqN不變，電機的永磁轉(zhuǎn)矩為一個恒定值，設(shè)為TpmN，則：

可求得：

由HESM的數(shù)學模型[5]可知：

當電樞電流為額定值時，勵磁電流的變化將引起電樞電壓的變化，電樞電壓最大為電機額定電壓，從而可以求出電樞電流給定值與勵磁電流給定值的取值范圍。iq=iqN時，電樞電壓交軸分量uq須滿足：

即

則可求出電機在低速增磁區(qū)某一轉(zhuǎn)速n下最大的勵磁電流：

所以勵磁電流的幅值就由其額定勵磁電流IfN+和Ifmax1共同決定，即Ifmax=min(IfN，Ifmax1)。圖3為電樞電流給定i*q與勵磁電流給定I*f取值范圍。

圖3 電流限幅器

當ifmax=ifN時，電機此時運行的轉(zhuǎn)速為nd，即電機恒轉(zhuǎn)矩運行與恒功率運行的分割點。將Ifmax1=IfN代入式（8）可得：

可以看出當電機轉(zhuǎn)速n≤nd時，電機電勵磁電流最大值為IfN+，當電機轉(zhuǎn)速n＞nd時，電機電勵磁電流為Ifmax1，且隨著轉(zhuǎn)速的升高而減小，直到到達額定轉(zhuǎn)速nN時，其值減小為零。該區(qū)調(diào)速曲線如圖4所示。

2.2.3 高速標準區(qū)（BCFG）

電機運行于該區(qū)時，其運行轉(zhuǎn)速n小于弱磁基速nfN。該區(qū)的調(diào)速特性與永磁同步電機恒功率區(qū)調(diào)速特性一致。即通過調(diào)壓調(diào)速就能滿足電機恒功率運行。但為確保在該區(qū)電機恒功率運行，轉(zhuǎn)速提高會導致電機最大輸出轉(zhuǎn)矩降低，因此在此工作區(qū)必須對電機不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩電流加以限制。由電機恒功率調(diào)速定義[6-8]及HESM的數(shù)學模型可知：

化簡可得：

式（10）、（11）中，PN為電機額定功率（W）；Tmax為電機最大輸出轉(zhuǎn)矩（N·m）；Iqmax為電機最大允許轉(zhuǎn)矩電流有效值（A）。

圖4 低速增磁區(qū)調(diào)速曲線

2.2.4 高速弱磁區(qū)（CDEF）

電機運行于該區(qū)時，系統(tǒng)進入弱磁調(diào)速控制。電機穩(wěn)態(tài)運行時，其電勵磁電流穩(wěn)定不變?；旌蟿畲烹姍C的反電動勢為永磁感應勢和電勵磁感應電勢之和：

保持電機反電動勢ef等于電機轉(zhuǎn)速為弱磁基速nfN時的永磁反電動勢，即：

式（13）中，ωfN是混合勵磁電機弱磁基速nfN對應的角速度。從而可解出

從式（14）可看出，混合勵磁電機工作在弱磁升速區(qū)時，電勵磁電流與電機的運行轉(zhuǎn)速成反比。電機在該區(qū)同樣是運行在恒功率模式，由式（10）可解出在該區(qū)所允許的最大電樞電流iqmax，

由式（15）計算出電機在該速度下勵磁電流If的大小后與反向額定電勵磁電流比較，然后再根

圖5 弱磁升速區(qū)調(diào)速曲線

據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器計算出的參考力矩并按照混合勵磁電機轉(zhuǎn)矩方程計算出電機電樞電流iq， 將 iq與 iqmax進行比較，高速電流分配器最終給定電樞電流i*q=min(iq，iqmax)。HESM在弱磁升速區(qū)的調(diào)速曲線如圖5所示。

3 HESM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

HESM控制系統(tǒng)原理圖如圖6所示。本控制系統(tǒng)采用id=0的矢量控制策略，系統(tǒng)主要包括坐標變換模塊、SVPWM生成模塊、逆變電路模塊、轉(zhuǎn)速處理模塊、勵磁驅(qū)動模塊、電流分配模塊和電機本體等。

與傳統(tǒng)的永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)相比，混合勵磁電機驅(qū)動系統(tǒng)增加了電流分配、勵磁電流控制及勵磁驅(qū)動電路三個模塊。勵磁電流驅(qū)動模塊為一個單相全橋逆變電路，可以實現(xiàn)勵磁電流大小及方向的改變，使勵磁電流滿足控制要求。勵磁電流控制模塊主要是根據(jù)電流分配器給定的勵磁電流大小及方向?qū)畲烹娏鞑糠诌M行控制，通過電流閉環(huán)使得單相全橋逆變電路輸出的勵磁電流與給定一致。

圖6 HESM控制系統(tǒng)原理圖

圖7 不同勵磁電流下單位輸出電流對應的輸出轉(zhuǎn)矩

圖8 額定轉(zhuǎn)速時不同勵磁電流下對應的空載反電勢

4 實驗與結(jié)論

以一臺三相八極、額定功率為6 kW的HESM樣機為控制對象，來驗證所提出的基于分區(qū)控制的矢量控制策略的可行性與有效性。

圖7為電機工作于不同轉(zhuǎn)速下，維持電樞電流為額定電流，調(diào)節(jié)電勵磁電流時，單位輸出電流對應輸出轉(zhuǎn)矩的變化。當電機電樞電流不變時，隨著電勵磁電流不斷增加，電機的輸出轉(zhuǎn)矩也線性增加。

圖8顯示了混合勵磁電機空載反電勢的有效值在增磁時隨增磁電流的增大趨于線性增加，隨弱磁電流的增大趨于線性減小，電勵磁效果非常明顯。

實驗表明，采用基于分區(qū)控制的矢量控制策略，一方面可以通過增磁提高電機的功率密度，使HESM獲得更好的低速帶載性能；另一方面可以更容易地實現(xiàn)弱磁升速，拓寬其調(diào)速范圍，使得混合勵磁驅(qū)動系統(tǒng)的應用前景更加廣闊。

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