点击微信官方账号首页-论文导读-微刊或页面下端阅读原文在线浏览文章全文。如果你喜欢这篇文章，请与朋友圈分享。 2020年第28卷第2期 基础研究 基本信息
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. 常熟瑞特电气有限公司， 江苏 苏州, 215500
基金项目国家自然科学基金项目(5197101)； 江苏省重点研发计划产业前景和共同关键技术重点项目(BE2018007); 江苏省研究生科研与实践创新项目资助.
摘要混合永磁记忆电机(HPMMM)当永磁体在线充磁和去磁时，转子磁链很难定向， 针对HPMMM磁链在线调磁时观察精度低， 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。采用全阶磁链观测器，结合滑模反馈部分，确保电流观测值收敛于真实值， 同时对HPMMM实时观测定子电流和转子磁链，从而获得更高精度的转子磁链观测。全阶滑膜观测器应用HPMMM在矢量控制策略中， 优化了系统整体控制的复杂性。最后，通过模拟对比分析， 相比传统永磁同步电机而言, HPMMM调速范围较宽， 交直轴电流波动小， 在实际磁链中收敛更快， 表明该方法能进一步提高交流脉冲对HPMMM磁场定向的准确性， 增加鲁棒性和稳定性的系统参数。
近年来, 中国越来越重视海洋开发和海洋安全。 研究水下无人智能设备已成为当前的热点。在水下电力推进装置中， 对水下特种推进电机的选择要求较高， 混合永磁记忆电机(hybrid permanent magnet memory machine, HPMMM)钕铁硼与铝镍钴混合励磁， 扭矩和功率密度高， 它还具有在线可调永磁磁通的特点， 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性和低矫韧性。在三相定子电枢绕组中输入特定脉冲电流， 使转子产生能瞬间改变铝镍钴永磁体磁化水平的强磁场， 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促进和控制系统的稳定运行， 对HPMMM精确控制的研究越来越受到重视。
为了更准确地控制电机， 调节气隙磁场， 减少电励磁损失， 在线调磁简单高效， 解决调速范围有限的问题， 国内外研究人员提出采用高矫顽固性钕铁硼与高磁性铝镍钴相结合， 作为HPMMM的永磁体, 然后用脉冲电流调磁[7-8]。这种特殊的结构转子可以在线充去永磁体， 而且几乎没有励磁损失。但气隙磁通的检测和调节难度较大， 对HPMMM控制气隙磁通的关键在于转子磁链的定向识别[9-11]。吴文进等[12]电机定子电流和转子磁链采用同步旋转坐标系， 采用欧拉法进行离散分析，克服离散误差大的缺点， 但该算法在线识别磁链精度不高。[13]提出模糊自适应控制全阶磁链观测算法， 模拟结果表明，在满足系统自适应性和鲁棒性的条件下，速度识别精度提高， 但仅限于低速稳定运行， 缺乏对中高速运行的进一步验证。针对系统高鲁棒性和宽范围调速， 车海军等[14]引入3阶巴特沃思滤波器并采用改进的模糊比积分(proportional integral, PI)更换以前的控制器， 消除输入信号的杂质， 提高速度在线识别精度； 韦文祥等[15]闭环转子磁链观测器(closed loop extended-state-observer, CESO)模型中不确定部分的状态扩展和反馈补偿， 能在大范围内进行调速, 在线识别磁链， 但以上两种方案对电机参数要求较高， 系统鲁棒性不高， 推进电机的需求不能满足复杂的水下条件。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、高速区采用不同的控制方法， 尽管扩大了电机调速范围， 但是控制方法太复杂了， 对高、低速没有明确区分, 不实用。
文中针对HPMMM分析其调磁原理，推导电磁数学模型， 提出了用于水下电力推进和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， 使电机磁链观测具有更好的稳态性和收敛性， 优化了HPMMM系统在负载突变时动态稳定。最后, 采用Matlab/ Simulink仿真研究和分析磁链观测系统， 验证了该方法的可行性和实用性。
HPMMM永磁体采用六极V形结构， 如图1所示, 该结构对聚磁有明显作用， 大磁场可以在中间气隙部分获得。
图1 HPMMM结构
HPMMM在永磁体中，隔磁桥增加了交轴方向的磁阻， 减少了交轴方向的电感， 由于交轴电枢的反应，电机运行中直轴方向的气隙磁场被大大削弱。施加正调磁脉冲电流时， 铝镍钴和钕铁硼混合永磁体共同作用， 将混合磁通推向三相绕组， 加强产生的气隙主磁通； 反向调磁脉冲电流时， 铝镍钴和钕铁硼混合永磁体共同作用， 最终将混合磁通推向永磁体内部, 削弱内部磁场， 实现弱磁的目的。
图2为HPMMM驱动控制系统原理框图。PI环得出电机速度反馈需求， 调磁电流分配控制器和可控调磁电流变量作用于调磁电流控制器。调磁电流控制器和调磁电流变换器共同控制和调节调磁电流， 产生可控调磁电流变量， 实现在线调磁的目的， 增强了系统的灵活性。
图2 HPMMM调磁原理框图
3.1 全阶磁链观测器
3.2 全阶滑模磁链观测器
为验证本文提出的全阶滑模磁链观测器HPMMM磁链观测精度高， 根据系统鲁棒性强的控制效果。HPMMM特征结构包括全阶滑模磁链观测器的控制系统。Matlab/Simulink模拟构建了包含全阶滑模磁链观测器的控制系统模型， 如图4所示。
图4 整个系统模拟模型框图
选择HPMMM与传统PMSM进行对比, 初始参数配置相同， 定子三相均为Y接， HPMMM设置参数如表1所示。验证全阶状态滑模观测器算法的可行性和稳定性， 对传统PMSM与HPMMM模拟系统， 并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0N·m, 从静止到额定转速1 000 r/min后, 在0.2 s给定负载突变为10 N·m 时, 经过约60ms波动后, 进入稳态运行状态。图5显示电机在0.2 s运行特性曲线突然加载。
图5 电机突加载运行特性曲线
电机转速响应曲线如图5所示(a)所示, 在0.2 s时, 转速略有下降， 短时间加速后， 转速立即回到稳态， 可见转速处于稳态无静差状态。交轴电流iq响应曲线如图5所示(b)所示, 为确保电机启动时最大允许加速， 交轴电流iq它会迅速增加。电机达到额定转速后， 电流会立即减小， 虽然波动在短时间内， 但是系统很快就会进入稳态。突然加载后， 电机交轴电流iq由1 A增至10 A左右, 平衡输出扭矩和负载所需的扭矩， 调整后，系统将在短时间内恢复稳态。直轴电流id如图5所示(c)所示。 直轴电流id基本保持在±0.5 A波动范围内， 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, 观测器得到的值接近实际值， 在一定范围内上下波动， 负载突变时， 观测磁链波动小， 永磁体磁链观测值在很短的时间内进入稳态。
HPMMM电机设置从静止到额定转速1000 r/min启动负载为2 N·m。稳定运行后， 在0.15 s转速给定值突变为1 200 r/min, 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, 电机转速立即下降到额定转速， 系统再次进入稳态运行状态。如图6所示，系统仿真结果。
图6 曲线电机转速突变
在0.15 s给定增速后， 受弱磁控制的影响， 电机转速快速上升，进入高速稳定运行状态， 同时，逻辑判断模块根据当前需要做出去磁增长决策。发送切换信号， 使交轴电流快速增大。控制系统判断磁控制后， 设置直轴电流id弱磁所需值， 极端时间后， 在初始值0附近自动恢复。 观测器观察到磁链值的快速变化， 快速跟踪到实际值附近。观测到的电机合永磁磁链值由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id起作用, 交轴电流iq迅速减小。直轴电流id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iq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。
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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