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作者: 姜晓奇^1,2 ,  刘维亭¹,  魏海峰^1,2 ,  张  懿^1,2

单位：1. 江苏科技大学 电子信息学院, 江苏 镇江, 212003; 2. 常熟瑞特电气股份有限公司, 江苏 苏州, 215500

基金项目: 国家自然科学基金项目(51977101); 江苏省省重点研发计划产业前瞻与共性关键技术重点项目(BE2018007); 江苏省研究生科研与实践创新计划项目资助.

摘要

由于混合永磁记忆电机(HPMMM)永磁体在线充磁与去磁时转子磁链定向难度大, 针对HPMMM永磁体在线调磁时磁链观测精度不高的问题, 提出了一种基于全阶状态滑模观测器的混合磁链观测方法。该方法采用全阶磁链观测器并结合滑模反馈部分保证电流观测值收敛于真实值, 同时对HPMMM定子电流与转子磁链实时观测，进而获得更高精度的转子磁链观测。全阶状态滑膜观测器应用于HPMMM矢量控制策略中, 优化了系统整体控制复杂程度。最后通过仿真对比分析, 相比传统永磁同步电机而言, HPMMM调速范围更宽, 交直轴电流波动较小, 收敛于实际磁链速度更快, 表明该方法能进一步提高交流脉冲对HPMMM充磁和去磁时磁场定向的准确性, 增加系统参数鲁棒性、稳定性。

近年来, 我国对海洋开发与海洋安全重视程度不断上升, 水下无人智能装置的研究成为当前热点。在水下电力推进装置中, 对水下特种推进电机选择要求更高, 混合永磁记忆电机(hybrid permanent magnet memory machine, HPMMM)采用钕铁硼和铝镍钴混合励磁, 既具有转矩和功率密度高的优点, 又具有永磁磁通在线可调的特点, 可满足水下复杂环境中对水下航行动力的需求^[1-3]。HPMMM定子与传统永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor, PMSM)相同, 转子利用铝镍钴永磁体的高剩磁、低矫顽力特性。在三相定子电枢绕组中输入一个特定脉冲电流, 使得转子中产生一个能够瞬间改变铝镍钴永磁体磁化水平的强磁场, 达到改变气隙磁场的目的^[4-6]。由于海洋环境恶劣, 为保障水下HPMMM在推进与控制系统稳定运行, 对HPMMM精准控制的研究受到越来越多关注。

为了更加精确地控制电机, 实现气隙磁场的调节, 减少电励磁损耗, 简单高效地实现在线调磁, 解决调速范围受限问题, 国内外研究者提出采用具有高矫顽力特性的钕铁硼与具有高剩磁特性的铝镍钴相结合, 作为HPMMM的永磁体, 再施加脉冲电流进行调磁^[7-8]。这种特殊结构转子可对永磁体进行在线充去磁, 而且几乎没有励磁损耗。但气隙磁通的检测与调节难度较大, 对HPMMM施加调磁脉冲来控制气隙磁通的关键在于转子磁链定向识别的问题^[9-11]。吴文进等^[12]在同步旋转坐标系下采用全阶磁链观测器估算电机定子电流和转子磁链, 并采用欧拉法进行离散化分析来克服离散化误差大的缺点, 但该算法在线辨识磁链精度不高。蒋林等^[13]提出一种模糊自适应控制全阶磁链观测算法, 仿真结果表明在满足系统自适应性和鲁棒性条件下提高了转速辨识精度, 不过仅限于低速范围稳定运行, 中高速范围运行缺乏进一步验证。针对系统高鲁棒性与宽范围调速, 车海军等^[14]引入3阶巴特沃思滤波器并采取改进的模糊比例积分(proportional integral, PI)代替之前的控制器, 消除掉输入信号的杂质, 提高转速在线辨识精度; 韦文祥等^[15]将闭环转子磁链观测器(closed loop extended-state-observer, CESO)模型中不确定部分进行状态扩展并反馈补偿, 能在大范围内进行调速, 在线辨识磁链, 但以上2种方案对电机参数要求较高, 系统鲁棒性不高, 不能满足水下复杂条件对推进电机的需求。杨公德等^[16]对混合永磁磁通切换记忆电机采用分区控制, 低、高速区采用不同控制方式, 虽拓宽了电机调速范围, 但控制方式过于复杂, 对高、低速没有明确区分, 实用性不强。

文中针对HPMMM分析其调磁原理并推导电磁性数学模型, 提出了一种适用于水下电力推进与控制的新型观测算法。该算法基于观测精度较高的全阶磁链观测器并结合鲁棒性较强的滑模反馈环节, 实现在线调磁, 使电机的磁链观测具有更好的稳态性和收敛性, 优化了HPMMM负载突变时系统动态稳定性。最后, 采用Matlab/ Simulink对磁链观测系统进行仿真研究与分析, 验证了该方法的可行性和实用性。

1  HPMMM调磁原理　

HPMMM的永磁体采用6极的V形结构, 如图1所示, 该结构对聚磁有明显作用, 在中间气隙部分可得到较大的磁场。

图1  HPMMM结构

HPMMM永磁体中采用隔磁桥增大了交轴方向磁阻, 减小了交轴方向电感, 使电机运行中直轴方向的气隙磁场受交轴方向电枢反应而被极大削弱。当施加正向调磁脉冲电流时, 铝镍钴和钕铁硼混合永磁体会共同作用, 最终将混合磁通推向三相绕组, 使得产生的气隙主磁通得到加强; 施加反向调磁脉冲电流时, 铝镍钴和钕铁硼混合永磁体会共同作用, 最终将混合磁通推向永磁体内部, 削弱内部磁场, 达到弱磁的目的。

图2为HPMMM驱动控制系统原理框图。根据光电编码器与速度PI环得出电机速度反馈需求, 调磁电流分配控制器与可控调磁电流变量作用于调磁电流控制器。调磁电流控制器与调磁电流变换器共同对调磁电流进行控制与调节, 产生可控调磁电流变量, 实现了在线调磁的目的, 增强了系统灵活性。

图2  HPMMM调磁原理框图

2   HPMMM数学模型　     3  全阶状态滑模观测器

3.1  全阶状态磁链观测器

3.2  全阶状态滑模磁链观测器

4  仿真结果及分析

为了验证文中提出的全阶状态滑模磁链观测器对HPMMM磁链观测精度高, 系统鲁棒性强的控制效果。根据HPMMM的特点构造含有全阶滑模磁链观测器的控制系统。基于Matlab/Simulink仿真搭建了含有全阶状态滑模磁链观测器的控制系统模型, 系统整体仿真模型框图如图4所示。

图4  系统整体仿真模型框图

选择HPMMM与传统PMSM进行对比, 初始参数配置相同, 其定子三相均为Y接, HPMMM设定参数如表1所示。为验证文中提出的采用全阶状态滑模观测器算法的可行性与稳定性, 对传统PMSM与HPMMM系统进行仿真, 并且对结果进行分析比较。

表1  HPMMM设定参数

4.1  仿真结果

传统PMSM初始给定负载设置为0 N·m, 由静止起动到额定转速1 000 r/min后, 在0.2 s时刻给定负载突变为10 N·m 时, 经过约60 ms波动后, 进入稳态运行状态。图5为该电机在0.2 s突加负载后的运行特性曲线。

图5  电机突加负载运行特性曲线

电机转速响应曲线如图5(a)所示, 在0.2 s时, 转速有了小幅度减小, 在极短时间加速后, 转速立刻回到稳态, 由此可知转速运行在稳态无静差状态。交轴电流i_q响应曲线如图5(b)所示, 为了保证电机启动时获得最大允许加速, 交轴电流i_q会快速增大。在电机达到额定转速后, 电流会立刻减小, 虽短时间内有波动, 但系统会很快进入稳态。突加负载后, 电机交轴电流i_q由1 A增至10 A左右, 使得输出转矩和负载所需转矩保持平衡, 系统在短时间内调整后会恢复到稳态。直轴电流i_d的响应曲线如图5(c)所示。在系统整个运行状态中, 直轴电流i_d基本保持在±0.5 A范围内波动, 并不会影响到永磁磁场。永磁磁链值观测结果如图5(d)所示, 观测器得出的值靠近实际值, 在一定的范围内上下波动, 在负载发生突变时, 观测磁链出现小幅度波动, 随后在很短时间内永磁体磁链观测值进入稳态。

HPMMM电机设定从静止起动至额定转速1 000 r/min启动负载为2 N·m。稳定运行后, 在0.15 s时转速给定值突变为1 200 r/min, 在系统进入稳态运行后。在0.3 s时, 电机转速给定值再次突变为1 000 r/min, 电机转速立刻下降到额定转速, 系统再次进入稳态运行状态。系统仿真结果如图6所示。

图6  电机转速突变运行特性曲线

在0.15 s给定增速后, 受弱磁控制影响, 电机转速会很快升速进入高速稳定运行状态, 同时逻辑判断模块根据当前需求做出去磁增速决策。将切换信号发送出去, 使得交轴电流快速变大。控制系统判断出去磁控制后, 设定直轴电流i_d为弱磁所需值, 并且作用极端时间后, 自动恢复到初始值0附近。此时, 观测器观测到磁链值快速变化, 迅速跟踪到实际值附近。观测得到的电机混合永磁磁链值由0.3 Wb迅速减小为 0.27 Wb, 系统此时进入稳定运行状态。在0.3 s增磁减速控制判断后, 系统设置给定转速突变为1 000 r/min额定转速。此时, 系统控制部分会根据当前需求做出增磁减速决策, 发出控制信号。在极端时间内, 直轴电流i_d起作用, 交轴电流i_q迅速减小。直轴电流i_d迅速增大到增磁控制所需电流值, 并且作用几个毫秒后, 再次恢复到起始值0附近。同时交轴电流i_q迅速增大, 保证电磁转矩和负载所需转矩维持平衡。增磁控制完成后, 观测器观测磁链值会快速收敛于磁链给定实际值。观测得到的HPMMM混合磁链值由0.27 Wb增大到 0.3 Wb。

4.2  仿真对比分析

由上述仿真结果可知, 采用全阶状态滑模观测器辨识HPMMM转速、交直轴电流和永磁体磁链参数, 与传统PMSM辨识所得参数进行对比。在电机启动后, HPMMM转速收敛速度更快; 在稳定运行中, 可对其进行突加负载, 由直轴电流方向发出调磁脉冲, 改变永磁体中铝镍钴部分磁化水平, 达到调磁目的, 并且交直轴电流波动更小, 系统更稳定; 在调磁后, 观测器能快速收敛于变化后的磁链, 可得出系统鲁棒性更好。

5  结束语

基于混合永磁磁链在线可调特性, 提出了全阶状态滑模观测的控制策略。HPMMM用作水下特种推进电机时, 具有高稳定动力性能、宽范围调速。为了验证所提出策略的有效性, 通过仿真结果分析可知, 该观测器满足永磁体磁链在线调节性能, 具有更高精度的磁链观测, 控制稳定性更好。在水下电力推进与控制中, HPMMM的在线调磁法使电机获得更宽的恒功率速度范围, 并且在调磁过程中几乎没有调磁损耗, 提高了电机运行效率、减小能源消耗。

采用全阶状态滑模观测器, 引入滑模反馈部分, 使电流观测值更快收敛于真实值, 估测结果精度较高, 能在短时间内完成动态响应, 反映出观测器具有较好的抗干扰能力。在线实时观测永磁体磁链, 有利于判断HPMMM的调磁过程。

但是, 文中电机控制局限于仿真, 实际中通过施加脉冲电流调节永磁体磁化水平的策略, 可能会对系统造成明显抖动, 并且会对电机绝缘有所影响, 后续工作中可对其进行深入分析研究。

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原文刊登于《水下无人系统学报》2020年第28卷第2期

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