一种新型混合励磁电机矢量控制策略的研究*

杨 宾，李优新，黎 勉

（广东工业大学信息工程学院，广东广州 510006）

0 引言

混合励磁同步电机（HESM）内同时存在两个磁势源，很容易实现气隙磁场的直接调节与控制，因而其概念从一提出就受到了国内外学者的普遍关注[1-3]。从电机内永磁磁势和电励磁磁势的相互作用关系来看，混合励磁同步电机可分为串联磁路式和并联磁路式两大类。串联磁路式HESM结构简单，实现方便，但是存在电励磁效率低和永磁体退磁风险高的缺点[4]。针对这一问题，通过合理设计永磁片左右两端的铁芯尺寸，改变电励磁磁势的磁路，形成了一种磁通并联但又具有串联磁路式HESM优点的新型结构，从而提高了电励磁的效果，降低了永磁体的退磁风险。

论文首先简单介绍了这种新型HESM的基本结构和调磁原理，然后根据其调速特性曲线将电机的运行状态分为四个区域，并提出了基于分区控制的矢量控制策略，深入研究了每个区域的电流分配机制，最后通过样机实验验证了该电机及其控制策略的可行性与有效性。

1 调磁原理分析

图1为电机定转子径向截面示意图。其定子绕组与普通交流电机绕组类似，电励磁绕组嵌绕在转子永磁体下面的磁极上。

图中1（实线部分）显示了通入箭头所示方向的电流时的电励磁磁通路径：电励磁N极→励磁铁芯→定转子气隙→定子铁芯→定转子气隙→励磁铁芯→电励磁S极→转子轭→电励磁N极；2（虚线部分）所示为永磁体磁通路径：永磁N极→定转子气隙→定子铁芯→定转子气隙→永磁S极→转子轭→永磁N极。由于电机中的气隙磁通由永磁体磁通和电励磁磁通合成，所以混合励磁电机可工作于永磁、增磁、弱磁三种状态。当电机励磁绕组中无励磁电流时，电机工作于永磁状态；通入正向励磁电流时，电机工作于增磁状态；通入反向励磁电流时，电机工作于弱磁状态。由此可见，改变电励磁绕组中励磁电流的大小和方向，就可以得到所需的气隙磁场。

图1 电机定转子径向截面示意图

2 HESM矢量控制策略

2.1 调速特性

图2 HESM的转速-力矩调节曲线

混合励磁电机工作时需要协调分配永磁磁势和电励磁磁势的比例，使其能够根据负载状态自动实现增磁、弱磁、永磁三种状态间的切换。图2为HESM的转速-力矩调节曲线，根据图中的标示将电机的工作范围分成四个区：额定转速以下的低速标准区（BGOH）和低速增磁区（ABHJ）；额定转速以上的高速标准区（BCFG）和高速弱磁区（CDEF）。其中nN为励磁电流为零时电机额定转速，nfN为电机弱磁基速，即HESM开始弱磁升速点，nd为HESM低速增磁区恒转矩与恒功率分割点，nmax为弱磁状态下电机最大转速。

2.2 控制策略

2.2.1 低速标准区（BGOH）

该区电励磁不起作用，负载转矩小于额定转矩，所以电励磁电流给定为零。与常规的永磁电机驱动控制相似，通过电枢电压控制器调节电枢电压即可满足。

2.2.2 低速增磁区（ABHJ）

电机运行与该区时，负载转矩大于额定转矩。由混合励磁电机转矩方程[5]

在id=0控制方式下，保持iq=IqN不变，电机的永磁转矩为一个恒定值，设为TpmN，则：

可求得：

由HESM的数学模型[5]可知：

当电枢电流为额定值时，励磁电流的变化将引起电枢电压的变化，电枢电压最大为电机额定电压，从而可以求出电枢电流给定值与励磁电流给定值的取值范围。iq=iqN时，电枢电压交轴分量uq须满足：

即

则可求出电机在低速增磁区某一转速n下最大的励磁电流：

所以励磁电流的幅值就由其额定励磁电流IfN+和Ifmax1共同决定，即Ifmax=min(IfN，Ifmax1)。图3为电枢电流给定i*q与励磁电流给定I*f取值范围。

图3 电流限幅器

当ifmax=ifN时，电机此时运行的转速为nd，即电机恒转矩运行与恒功率运行的分割点。将Ifmax1=IfN代入式（8）可得：

可以看出当电机转速n≤nd时，电机电励磁电流最大值为IfN+，当电机转速n＞nd时，电机电励磁电流为Ifmax1，且随着转速的升高而减小，直到到达额定转速nN时，其值减小为零。该区调速曲线如图4所示。

2.2.3 高速标准区（BCFG）

电机运行于该区时，其运行转速n小于弱磁基速nfN。该区的调速特性与永磁同步电机恒功率区调速特性一致。即通过调压调速就能满足电机恒功率运行。但为确保在该区电机恒功率运行，转速提高会导致电机最大输出转矩降低，因此在此工作区必须对电机不同转速下的转矩电流加以限制。由电机恒功率调速定义[6-8]及HESM的数学模型可知：

化简可得：

式（10）、（11）中，PN为电机额定功率（W）；Tmax为电机最大输出转矩（N·m）；Iqmax为电机最大允许转矩电流有效值（A）。

图4 低速增磁区调速曲线

2.2.4 高速弱磁区（CDEF）

电机运行于该区时，系统进入弱磁调速控制。电机稳态运行时，其电励磁电流稳定不变。混合励磁电机的反电动势为永磁感应势和电励磁感应电势之和：

保持电机反电动势ef等于电机转速为弱磁基速nfN时的永磁反电动势，即：

式（13）中，ωfN是混合励磁电机弱磁基速nfN对应的角速度。从而可解出

从式（14）可看出，混合励磁电机工作在弱磁升速区时，电励磁电流与电机的运行转速成反比。电机在该区同样是运行在恒功率模式，由式（10）可解出在该区所允许的最大电枢电流iqmax，

由式（15）计算出电机在该速度下励磁电流If的大小后与反向额定电励磁电流比较，然后再根

图5 弱磁升速区调速曲线

据转速调节器计算出的参考力矩并按照混合励磁电机转矩方程计算出电机电枢电流iq， 将 iq与 iqmax进行比较，高速电流分配器最终给定电枢电流i*q=min(iq，iqmax)。HESM在弱磁升速区的调速曲线如图5所示。

3 HESM控制系统结构

HESM控制系统原理图如图6所示。本控制系统采用id=0的矢量控制策略，系统主要包括坐标变换模块、SVPWM生成模块、逆变电路模块、转速处理模块、励磁驱动模块、电流分配模块和电机本体等。

与传统的永磁同步电机驱动系统相比，混合励磁电机驱动系统增加了电流分配、励磁电流控制及励磁驱动电路三个模块。励磁电流驱动模块为一个单相全桥逆变电路，可以实现励磁电流大小及方向的改变，使励磁电流满足控制要求。励磁电流控制模块主要是根据电流分配器给定的励磁电流大小及方向对励磁电流部分进行控制，通过电流闭环使得单相全桥逆变电路输出的励磁电流与给定一致。

图6 HESM控制系统原理图

图7 不同励磁电流下单位输出电流对应的输出转矩

图8 额定转速时不同励磁电流下对应的空载反电势

4 实验与结论

以一台三相八极、额定功率为6 kW的HESM样机为控制对象，来验证所提出的基于分区控制的矢量控制策略的可行性与有效性。

图7为电机工作于不同转速下，维持电枢电流为额定电流，调节电励磁电流时，单位输出电流对应输出转矩的变化。当电机电枢电流不变时，随着电励磁电流不断增加，电机的输出转矩也线性增加。

图8显示了混合励磁电机空载反电势的有效值在增磁时随增磁电流的增大趋于线性增加，随弱磁电流的增大趋于线性减小，电励磁效果非常明显。

实验表明，采用基于分区控制的矢量控制策略，一方面可以通过增磁提高电机的功率密度，使HESM获得更好的低速带载性能；另一方面可以更容易地实现弱磁升速，拓宽其调速范围，使得混合励磁驱动系统的应用前景更加广阔。

［1］黄明明，林鹤云，金平，等.新型混合励磁同步电机分区控制系统分析与设计［J］.中国电机工程学报，2012（12）：120-125.

［2］李优新，王鸿贵，何鸿肃，等.混合励磁无刷电机的调磁原理与实现方法［J］.机电工程技术，2003，32（4）：18-20，24.

［3］李优新，黎勉，王鸿贵，等.一种电动汽车驱动用外转子混合励磁无刷电机的研究［J］.机电工程技术，2011（8）：53-55.

［4］张卓然.新型混合励磁同步电机特性研究［D］.南京：南京航空航天大学，2004.

［5］刘诗敏.电动汽车用新型混合励磁电机及其控制器研究［D］.广州：广东工业大学，2013.

［6］阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［7］ Yang Chengfeng， Lin Heyun， Guo Jian.Design and Analysis of a Novel Hybrid Excitation Synchronous Machine With Asymmetrically Stagger Permanent Magnet［J］ .IEEE Transactions on Magnetics， 2008，44（11）：4353-4356.

［8］赵朝会，张卓然，秦海鸿.混合励磁电机的结构及原理［M］.北京：科学出版社，2010.