混合励磁磁通切换电机弱磁区电流补偿优化控制方法

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混合励磁电机(Hybrid Excited Synchronous Machine,HESM)的气隙磁场由永磁体产生的磁场和直流励磁绕组产生的励磁磁场叠加而成。与传统的永磁电机相比,在保持了永磁同步电机的高功率密度、高转矩密度和高效率的优点的同时,引入的励磁绕组可以方便地调节气隙磁场。通过采用合适的控制策略,电机可以在低速和较宽的运行速度范围内获得较高的效率,满足了电动汽车宽范围调速的要求,有较好的市场应用前景。以12槽10极的混合励磁磁通切换永磁(Hybrid Excited Switched Flux Permanent Magnet,HESFPM)电机为研究目标,本文提出了两种在高速区对弱磁电流进行补偿的优化控制方法,从而来提升HESFPM电机的弱磁性能。具体包括以下内容:首先,给出了HESFPM电机的拓扑结构、基本工作原理以及在旋转坐标系下的数学模型。在数学模型的基础上进行混合励磁电机弱磁理论的推导研究。总结了电机参数发生变化的影响因素,结合电压极限椭圆研究了电机参数变化对电机输出性能的影响。在基本电流分配方法的基础上,提出了一种考虑电枢绕组压降和电感非线性的电流补偿控制方法。在Simulink平台搭建仿真控制模型,对比分析了补偿前后电机输出性能的变化。其次,为了减小对电机参数的依赖性,本文进一步提出了一种基于电流补偿的优化弱磁控制方法。该方法利用HESFPM电机反馈的相电压和逆变器最大输出电压的差值将电机的运行区域划分为低速区和高速区。在低速区采用了最大转矩电枢电流比的控制算法。在高速I区,利用电机相电压与逆变器最大输出电压的差值经过PI控制器调节后对d轴电流(或直流励磁电流)进行补偿。当弱磁电流达到最小值,电机进入高速II区,利用限幅前后d轴电流(或直流励磁电流)的差值作为直流励磁电流(或d轴电流)的补偿量。然后对所提方法与基本电流分配方法进行了对比仿真验证,可以看出利用本文所提出的控制策略超调量更小,进入稳定状态的速度更快。最后,搭建了混合励磁电机实验平台,对本文所提出的基于电流补偿的优化弱磁控制策略进行了实验验证。实验结果表明当HESFPM电机相电压发生变化时,控制系统可以对电机运行的区域进行判断,并给出该区域的参考电流,电机电枢电流和直流励磁电流在电机转速变化时可以快速跟随优化控制策略的给定值。实验结果证明了该优化控制方法的有效性。
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