混合永磁记忆电机非线性数学建模及多模式控制策略研究

A new type of permanent magnet machine – the memory machine has been proposed to overcome the drawbacks of conventional rare-earth permanent magnet machines. Memory machines use demagnetization when they are operating at high speeds. Due to the reduction of flux-weakening control, the efficiency of memory machines has been increased. However, the control technology of the memory machine has to be developed. Therefore, this project will investigate the control technology of a hybrid-magnet memory machine. The mathematical model of this machine will be studied with the finite-element method and the frozen permeability method. The model will reveal the relation among the hybrid flux, currents, and voltages. Based on the model, a multi-mode torque control method under normal operation will be proposed. The torque controller achieves maximum-torque-per-ampere control and flux-weakening control under the complex operating constraints, i.e., non-demagnetization region, current limitation, and voltage limitation. Then, this study will focus on the current control during magnetization/demagnetization process. Nonlinear current trajectory control is proposed to fully utilize the available DC-link voltage during the whole magnetization/demagnetization process, increasing the manipulation speed. Combined with the model and specified control technologies, a comprehensive research system will be developed, which promotes the study and application of memory machines.

记忆电机的提出是为了克服稀土永磁电机调速难和高效区间窄的缺点，通过在线充退磁操作替代稀土永磁电机的弱磁控制，有效提升电机综合效率并降低损耗，实现节能减排的目的。本项目以混合永磁记忆电机的驱动控制为研究对象，针对目前该电机控制研究尚未成熟的局限性，对其基础理论和关键技术展开系统性研究：（1）提出新型的有限元方法和固定磁导率方法分离混合磁场，建立分离型的混合永磁记忆电机数学模型，揭示电机模型内各磁场本质联系。（2）在对数学模型的深刻研究与理解基础上，研究稳磁运行、电压和电流多限制域下的最大转矩电流比和弱磁多模式控制，实现稳态下的转矩与调速区间提升；研究非线性轨迹的充退磁控制，通过充退磁电流轨迹的在线构建实现充退磁过程中母线电压的充分利用，提升充退磁速度。最后，通过项目形成完善的混合永磁记忆电机驱动控制系统理论，推动该技术的发展与应用。

本项目针对混合永磁记忆电机的驱动控制技术展开研究，建立一个涵盖非线性参数分析、数学建模和控制算法的综合性的研究框架。混合永磁记忆电机的分析与数学建模为基础层次的研究，稳态工况及充退磁过程的控制为应用层次研究。通过有效融合基础层次与应用层次，研究高性能控制算法，形成较为完整的混合永磁记忆电机驱动控制研究体系。项目组基于对永磁材料、变磁通运行特性，提出了分离磁链型的电机建模方法，并依此设计了一台混合永磁内置式变磁通记忆电机。项目组针对单一充磁状态下的运行建立了稳态模型，针对充退磁过程建立了动态模型。通过提出的磁化程度固定有限元分析方法分析稳态及动态下的参数非线性特性，并结合进数学模型中，提高了模型仿真的完备度。在混合永磁记忆电机的控制研究中解决了两个核心问题：稳态下的转矩控制和充退磁过程电流控制。通过本项目的控制研究解决了由于变磁通带来的多平面、强非线性的影响，提高电机转矩能力和提升充退磁速度。项目组提出了“三模式”的混合永磁记忆电机控制系统，结合MTPA控制、弱磁控制、充磁状态切换控制、充退磁控制形成综合控制体系；提出了基于轨迹预测的充退磁电流控制方法，实现充退磁过程电压利用率提升，加快充退磁速度；提出了充退磁过程中的充磁状态估计方法和闭环控制方法，基于充退磁过程中参数非线性特性，识别变化的磁链变化速率，并以此估计充磁状态，实现了充磁状态的闭环控制。项目组发表论文5篇，其中SCI期刊论文4篇，会议论文1篇；已授权发明专利1项。以上研究加深了混合永磁记忆电机分析与控制的基础，通过解决控制中的难题，促进该类型电机的推广应用。