Magnetic Flux Controllers for Induction Heating Applications

Application of magnetic flux controllers/concentrators to induction heating coils can drastically improve the process efficiency and heat pattern control. Presentation includes: benefits provided by flux controllers, materials available for controllers, application techniques, computer assisted design of induction coils with concentrators, examples of applications. Depending on induction system design, magnetic flux controllers can concentrate heating in a specified area, change heat source distribution and shield a particular part zone or external area preventing unintended eddy current heating. Besides of the coil efficiency improvement and optimal power distribution, magnetic flux controllers reduce the coil current demand from a supplying circuitry thus strongly reducing losses in busswork, cables, transformers and inverter components. Improvement that can be achieved due to magnetic flux controllers is case dependable. 2D and 3D computer simulation allows the designer to predict accurately effect of controllers on the coil parameters and temperature distribution and optimize the whole electromagnetic system. Special attention in presentation is paid to new magnetodielectric materials optimized for induction heating conditions. These materials have high magnetic permeability and saturation flux density, excellent machinability, good chemical and temperature resistance. Concentrators from these materials can work in a wide range of frequencies and specific powers. Examples of magnetic flux controller application include surface hardening of shafts and gears, induction surface hardfacing and brazing.

Direct Torque and Adaptive Flux Sensorless Control of Novel Transverse Flux Permanent Magnet Motors

横向磁通永磁电机在开环无刷直流驱动模式下不可避免存在转矩脉动,但可以通过采用直接转矩控制加以改善。首先分析无刷直流驱动中＂花瓣＂状定子磁链轨迹的形成机理,然后针对传统转矩和磁链双闭环直接转矩控制中的定子磁链给定难的问题,提出了无位置传感器磁链自适应直接转矩控制方案。该方案仅利用定子磁链位置和转矩滞环比较器决定电压矢量,并配合换相补偿以修正定、转子磁链夹角与最佳提前换相角之间的偏差以兼顾高转矩电流比和低转矩脉动。仿真和实验结果证实了该方案的有效性和可行性。

DEVELOPMENT OF THE CONTROL METHODOLOGY OF THE GIANT MAGNETOSTRICTIVE ACTUATOR BASED ON MAGNETIC FLUX DENSITY

According to the principle of the magnetostriction generating mechanism, thecontrol model of giant magnetostriction material based on magnetic field and the control method withmagnetic flux density are developed. Furthermore, this control method is used to develop a giantmagnetostrictive micro-displacement actuator (GMA) and its driving system. Two control methods whosecontrol variables are current intensity and magnetic flux density are compared with each other byexperimental studies. Finally, effective methods on improving the linearity and control precision ofmicro-displacement actuator and reducing the hysteresis based on the controlling magnetic fluxdensity are obtained.

Stationary-frame current control strategy for transverse flux permanent-magnet machine

A new stationary-frame AC current control strategy that can eliminate steady-state errors is discussed and applied to the control of transverse flux permanent-magnet machine （TFPM）. Based on the principle of modulation and demodulation, this AC controller can achieve the same frequency response characteristic as the equivalent DC controller. Validity of the TFPM control system using this current control strategy is confirmed with simulation results.

Direct Torque Control System and Sensorless Technique of Permanent Magnet Synchronous Motor

The direct torque control theory has achieved great success in the control ofinduction motors. However, in the DTC drive system of Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM)proposed a few years ago, there are many basic theoretical problems that must be clarified. Thispaper describes an investigation about the effect of the zero voltage space vectors in the DTCsystem of PMSM and points out that if using the zero voltage space vectors rationally, not only canthe DTC system be driven successfully but also the torque ripple is reduced and the performance ofthe system is improved. This paper also studies the sensorless technique in the DTC system of PMSMand configures the DTC system of PMSM with sensorless technique including zero voltage spacevectors. Numerical simulations and experimental tests have proved the theory correct. In thecondition of sensor-less, the DTC system of PMSM is wide-rangely speed adjusting, and the ratio ofspeed adjustment is 1: 100.

基于六边形轨迹的永磁辅助式同步磁阻电机弱磁控制策略

永磁辅助式同步磁阻电机在高速工况弱磁运行时,直流母线电压利用率不高,电机的效率与转矩输出能力较低。为此,提出了一种基于六边形轨迹的永磁辅助式同步磁阻电机弱磁控制策略。首先,以永磁辅助式同步磁阻电机的d-q轴等效电路为基础,推导了弱磁过程的电压和电流约束,证明弱磁控制提升电机调速能力的根本原因。其次,为充分发挥永磁辅助式同步磁阻电机高速运行下功率密度较高的优势,进而推导过调制算法。并将其应用于永磁辅助式同步磁阻电机的弱磁操作中,以实现更高的直流母线电压利用率。最后,通过仿真验证所提出方法的有效性。

单稳态永磁接触器集成化磁链闭环控制技术

鉴于单稳态永磁接触器现有的控制方案存在成本高、可靠性低且优化困难等缺陷,该文提出一种集成化磁链闭环控制方案。首先,将电机传动领域的专用集成功率芯片应用到单稳态永磁接触器的智能控制中,设计其集成驱动电路;在此基础上,采用磁链闭环直接控制接触器的总磁链,在合闸过程中仅需设置一较小的恒定磁链参考值,即可实现自动弱磁,防止合闸末期永磁力过大造成严重的触头弹跳;在分闸过程中仅需设置总磁链参考值为0,即可使电磁磁链实时抵消永磁磁链,防止产生剩余吸力,造成分断速度降低,进而提高分闸性能。该文提出的方案既简化了单稳态永磁接触器硬件控制电路的设计,又降低了其优化控制的难度,对高性能永磁接触器的工程推广具有参考价值。

车用永磁同步电机高性能弱磁控制策略

提出一种基于电流预测的车用永磁同步电机弱磁控制方法,以提升永磁同步电机弱磁区的动态性能。详细分析了弱磁区的电压边界问题,以及不同电压选取规则下的稳定性问题。在此基础上,提出了一种考虑稳定性和动态特性的动态过调制策略。此外,研究了基于参数模型的电流预测控制算法,该算法具有快速动态响应和可控约束的优点,在保证稳定性的基础上可有效提升电机弱磁区域动态性能。最后,分别在仿真和实验平台上证明了所提算法的有效性。

飞轮储能用磁轴承综述

磁轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间,实现定子与转子之间无机械接触的一种新型支承轴承,在飞轮储能领域具有非常广阔的应用前景。阐述了飞轮储能工作原理以及常见的4种磁轴承支承方式,根据偏置磁通产生方式、受控自由度数量、磁极数量对磁轴承结构进行分类介绍,并对磁轴承关键技术参数优化、无传感控制技术以及解耦控制技术进行综述,指出磁轴承关键技术的未来发展趋势是使用智能算法建立模型求最优解。

交流调磁型永磁同步电机磁通协同调控最大转矩铜耗比控制

电动汽车驱动系统不仅需要拥有宽广的调速范围和恒功率运行区域,还应具备高效率、低损耗的优点,以实现续航的最大化。针对这些技术特点,该文研究了一种调磁性能优越的交流调磁型永磁同步电机(ACFR-PMSM),分别建立其等效磁路模型和稳态数学模型。并以该电机特殊的径向-轴向结构为基础,研究了其电感特性和转矩输出特性,从理论的角度论证了实现最大转矩铜耗比(MTPCL)控制的可行性。另外,分别采用拉格朗日乘子法和电流选择穷举法,获得了MTPCL控制的径-轴向定子绕组最佳电流选择方案。最后,实现了所提出控制策略的计算机仿真和样机测试,验证了其良好的动态控制性能,详细对比了经典id=0控制和所提出MTPCL控制的实施效果并计算了运行铜耗。

变刚度机器人关节的模糊自适应控制器研究

为了增强人机交互的安全性和环境适应能力,提出了一种新颖的变刚度机器人关节样机。采用永磁体和空心电磁线圈构成变刚度机构,可通过调整系统的磁通量实现关节刚度的快速改变。基于分子电流法和虚位移法成功构建了变刚度关节的刚度模型。随后,开发了变刚度关节位置与刚度协调控制器以及模糊自适应控制器。实验结果表明:在不断增加关节刚度的情况下,关节位置和轨迹跟踪的精度得到提高,而随着运动频率的增加,精度呈下降趋势。模糊自适应控制器在控制该变刚度关节位置阶跃和轨迹跟踪性能方面要优于传统控制器,具有更好的跟踪精度与更快的响应速度。

并联永磁同步风电机组小干扰稳定性分析

采用平均磁链定向控制多台永磁同步风电机组进而构造分频发电系统是未来陆上尤其是海上风电的汇集方案之一,但对该模式下多台风电机组间稳定性的研究鲜有文献涉及。针对此问题,基于特征值分析法,研究了平均磁链定向控制的永磁同步风电机组之间的小干扰稳定性。首先,基于高压大容量直驱式永磁同步风电机组的分频集电系统拓扑结构,建立了适用于小干扰稳定分析的风电系统的数学模型;其次,通过辨识振荡模态并分析模态参与因子确定了影响系统振荡的主控因素,通过绘制根轨迹分析了主控因素参数变化对系统振荡的影响,并发现系统振荡受发电机电感、电阻和直流电容参数的影响最大;最后,通过时域仿真验证了研究结论的正确性。

基于模型预测控制的PMSM弱磁策略

针对永磁同步电机在电压反馈弱磁控制策略下,不佳的电压外环控制参数引起电流振荡和电流调节器饱和等问题,提出基于模型预测控制的弱磁策略。首先,通过将电压方程中的非线性耦合项和转速作为状态变量之一,得到电流环的线性模型;然后,基于该模型,模型预测控制以电流跟踪误差和d-q轴控制电压增量为优化目标,在每个采样周期求解有限时域内的优化问题,得到d-q轴控制电压。最后,仿真和实验结果表明,相较于传统电压反馈弱磁策略,所提出的弱磁策略的电流响应性能对电压外环的控制参数鲁棒性更高。

面向永磁同步电机无传感器控制的新型已知回归项有效磁链全阶模型

针对内嵌式永磁同步电机(IPMSM)全阶模型未知转速回归项导致的转速自适应观测器局部稳定问题,提出一种具有已知转速回归项特性的IPMSM有效磁链全阶模型。首先,重新定义IPMSM有效磁链全阶模型的状态变量,并根据新状态变量推导IPMSM动态方程以满足Brunovsky标准型,同时使新型模型的转速回归项仅由已知量构成。然后,提出针对该模型的非线性高增益观测器算法,以实现全局稳定的转子位置和转速估计。最后,通过0.75 kW IPMSM加载测试平台,验证了所提无传感器控制算法的有效性和实用性。实验结果表明:新型全阶模型提升了IPMSM无传感器控制系统的动态性能,扩展了全阶观测器的稳定运行区间;全阶观测器克服了降阶观测器的局部稳定缺陷,同时便于系数整定;相比于传统方案,所提观测器算法的角度估计误差收敛速度提高约42%,误差幅值减小约44.4%;在稳态时,交轴电流波动幅值减小约35%;所提出的无传感器控制算法实现了5 r/min转速下的额定负载扰动抑制。

基于有效磁链观测器的永磁压缩机无传感器控制策略

传统永磁同步电机无传感器控制算法通常利用反电动势或磁链观测器实现转子位置观测,在运行转速较低时低信噪比导致基于反电动势的观测器性能下降;相比之下,磁链观测器在低速时的性能更好。本文研究基于有效磁链模型的永磁同步压缩机无传感器控制算法,通过对有效磁链定向可直接获取转子位置观测信息。首先针对开环磁链法容易受电机参数影响的问题,构建基于电压电流混合模型的闭环有效磁链观测器;其次对闭环磁链观测器的PI参数进行设计,并利用归一化正交锁相环实现转子位置观测。最后,在永磁同步压缩机实验平台验证所提方法的有效性。

智能控制器的机构改进与优化

针对智能控制器机构进行了局部改进:磁通变换器的改进与优化、MCR接通分断与越限跳闸的优化和改进、锁定与保护机构的改进优化、微动开关位置与数量的改进与优化等。综合考虑成本、精度、实时性等多方面因素,研究分析了新型的智能控制器机构。这种控制器使智能控制器的测量、保护、质量、成本、机构零件参数、功能技术参数等方面得到进一步改良。改进后的智能控制器机构可以更精确执行所要完成的步骤,减少动作总时间,同时降低产品成本。为了解决客户提出的问题和产品不足,对此产品进行重新设计。断路器工作的可靠性与稳定性得到了提高,还完善了保护功能,断路器的响应速度得到提高。

内嵌式永磁同步电机矢量控制系统弱磁控制研究

提高变桨电机的稳态和动态控制性能,保证在不同风况及母线电压跌落的情况下维持电机高速运行的稳定性尤其重要。分析了内嵌式永磁同步电机的模型及约束条件,结合永磁同步电机的应用特点,基于SVPWM的矢量控制与电压外环的双电流弱磁控制策略,设计了矢量控制和弱磁控制系统模型并进行了仿真。基于该控制系统模型搭建了实验平台,对不同直流母线电压下矢量控制与弱磁控制的性能进行了对比测试和分析,验证了模型设计的合理性,实现了扩速性能。目前,该控制系统已应用于风机变桨伺服控制系统,具有较高应用价值。

永磁同步电机弱磁转矩响应速度提升策略

弱磁控制技术能够有效地拓宽永磁同步电机运行速度范围,因此对永磁同步电机弱磁控制的研究具有重要意义。大多弱磁控制通过单一的PI环节修正弱磁电流指令,其响应速度较慢,难以满足高性能的控制需求,且由于弱磁环的高耦合、非线性,PI参数整定困难。针对以上不足提出一种折算查表的方法作为前馈加入到控制系统中,加快了弱磁调节的速度;同时采用增益线性化的方法,通过分析不同工作点处小信号模型的变化,解决了通过经验整定的弱磁环控制器的固定PI参数无法应对工作点变化的问题,从而提高了系统的稳定性和准确性。最后根据仿真和实验验证了改进的方法,能够有效提升弱磁控制的性能。

基于LADRC和非线性磁链观测器的PMSM无感控制方法

针对永磁同步电机基于反电势的传统无感控制方法、传统PI控制算法和传统自抗扰控制算法的不足,提出了一种将线性自抗扰技术(LADRC)和非线性磁链观测器相结合的永磁同步电机无感控制方法。该方法无需知道转子速度信息,从而消除了涉及速度估计误差所带来的一系列复杂问题,并且解决了PI控制算法灵活性不足,抗扰性能较差和传统自抗扰控制器(ADRC)参数较多且整定困难的问题。推导了非线性磁链观测器和线性自抗扰控制的原理,建立了磁链观测器和一阶速度LADRC的模型。通过非线性磁链观测器对电机的转速和转子位置进行观测,自抗扰速度调节器将观测结果的变化进行在线估算并自适应补偿,提高了系统的动静态性能。仿真及实验结果验证了所提方法的可行性和优越性。

基于巴特沃斯结构的改进磁链观测器的永磁同步电机无位置传感器控制

由于逆变器非线性因素、电流测量误差等非理想因素,传统的磁链观测器会受到直流分量以及谐波分量的影响,导致转子位置观测准确度降低。将具有通频带最大限度平坦特性的巴特沃斯带通滤波器与纯积分器相结合构建出一种改进的磁链观测器,并对改进的磁链观测器的传递函数进行了详细的理论分析,然后设计出一种离散化结构以便进行实验。结果表明,提出的基于巴特沃斯结构的改进磁链观测器具有出色的消除直流分量以及抑制谐波分量能力,不会造成基波处的幅值衰减以及相位误差,提高了永磁同步电机无位置传感器控制的转子位置观测准确度,同时具有良好的动态性能。