磁通切换型可变磁通记忆电机的控制策略研究

论文总字数：29200字

摘 要

学号：16012123 姓名：陈鹏

指导教师：林鹤云教授

记忆电机是一种新型可变磁通永磁电机，采用高剩磁、低矫顽力的永磁体，可以通过施加电流脉冲在线调节永磁体磁化水平，进而改变气隙磁链。与传统永磁电机相比，提升了弱磁能力，拓宽了调速范围，并几无调磁损耗。

本文首先介绍了国内外在记忆电机结构设计与控制策略方面的研究现状，介绍了磁通切换型记忆电机的结构及工作原理。讨论了磁通切换型记忆电机的控制策略，包括SVPWM控制、i_d=0控制、电流转速双闭环控制以及一种将在线调磁与传统弱磁相结合的调速方式。利用Matlab/Simulink仿真平台搭建了控制系统模型并进行仿真，验证了控制策略的可行性。

在师兄研究成果的基础上设计了以dSPACE半实物仿真平台为主控制器的控制系统，对已有的硬件电路进行了改造，根据dSPACE软件的要求，调整了Simulink仿真模型，设计了位置检测与转速计算、电流电压检测、SVPWM波形产生等模块。采用型号为DS1104的dSPACE搭建了实验平台，设计了用户观测界面，并对一台磁通切换型记忆电机进行了恒转矩控制，初步验证了电机的性能。

关键词：磁通切换型记忆电机、弱磁调速、Simulink、dSPACE

ABSTRACT

Memory machine (MM) is a novel type of variable flux motor, which employs PM with intrinsically high remanence and low coercivity. It can achieve online flux adjustment by applying temporary current pulses to vary the magnetization level of PMs. Consequently, the PM flux linkage can be flexibly changed with negligible excitation loss.

First, the recent developments of MM are reviewed, including the machine topologies and control schemes. The structure and operation principle of the flux-switching memory machine (FSMM) are introduced. The control strategy of FSMM is discussed, including space vector pulse width modulation (SVPWM) control, i_d=0 control, dual closed loop control and a new control strategy which integrates the conventional flux-weakening scheme with online magnetization control. The control system is modeled and implemented in Matlab/Simulink, which verifies the feasibility of the control strategy.

Based on the existing research experience in our group, a control system is built based on dSPACE, i.e., the hardware-in-the-loop simulation platform. The previous drive control circuits and the Simulink model are accordingly adjusted according to the requirements of dSPACE control. The calculation modules of rotor position and speed, voltage/current detection, signal generation of SVPWM are designed. Experimental platform is established on the basis of dSPACE-DS1104. Moreover, the user observation interface is designed as well. The driving test is carried out on a prototype at the constant torque region, preliminarily verifying the control performance of the machine.

Key words: Flux-switching memory machine, flux-weakening speed regulation, Simulink, dSPACE.

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪 论 1

1.1 研究背景及研究意义 1

1.2 记忆电机国内外研究现状 2

1.3 本文研究内容及章节安排 5

第2章 磁通切换型记忆电机的工作原理与控制策略 7

2.1 磁通切换型记忆电机的工作原理 7

2.2 磁通切换型记忆电机的数学模型 8

2.4 空间矢量脉宽调制 13

2.5 转速、电流双闭环以及i_d=0控制 18

2.6 弱磁控制策略 20

第3章 控制系统的Simulink仿真 27

3.1 FSMM本体模块 27

3.2 坐标变换模块 29

3.3 SVPWM控制模块 31

4.4 仿真结果分析 32

第4章 系统软硬件设计 38

4.1 硬件电路设计 38

4.2 dSPACE软件设计 42

4.3 实验结果与分析 47

第5章 总结与展望 49

5.1 全文工作总结 49

5.2 后期工作展望 49

参考文献 50

致 谢 52

附 录 53

第1章 绪 论

1.1 研究背景及研究意义

现有的高性能永磁同步电机（permanent magnet synchronous machine, PMSM）大多采用钕铁硼（NdFeB）永磁体。PMSM具有功率密度、效率高，结构简单，易于控制等优点。但是这种永磁体所产生的磁场难以调节，电机的调速范围收到限制。为了增强永磁电机气隙磁场的调节能力，国内外专家提出了多种电机拓扑，其中混合励磁技术得到了广泛的研究^[1]。混合励磁技术是将电励磁和永磁结合起来，添加了一个调磁自由度。通过合理调节电枢电流和电励磁电流，可以灵活地控制气隙磁场。但是这种电机由于采用电励磁产生部分磁场，也存在电励磁损耗较大的问题，同时永磁体也漏磁较多。

近年来，一类通过直接改变永磁体磁化水平来进行气隙磁场调节的电机——记忆电机（memory machine, MM）受到人们的重视并逐渐发展起来。这种电机采用高剩磁、低矫顽力的永磁体材料，如铝镍钴（AlNiCo），代替原先采用的钕铁硼。通过在电枢绕组或调磁绕组中施加瞬时电流脉冲，可以调节低矫顽力永磁体的磁化水平。由于使用的是电流脉冲而不是持续的电流，所以几乎没有调磁损耗。

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