学术简报｜混合励磁同步电机反馈线性化控制
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西安理工大学自动化与信息工程学院、陕西省复杂系统控制与智能信息处理重点实验室的研究人员李生民、张泽灵、郭思语、孙旭霞、赵丹，在2019年《电工技术学报》增刊1上撰文，针对混合励磁同步电机（HESM）的电枢电流和励磁电流与机械角速度之间的非线性耦合问题，在基本电流控制实现输出低速大转矩、宽调速范围的基础上，利用非线性系统的微分几何理论，通过坐标变换与状态反馈，推导出精确线性化解耦条件及解耦矩阵，并得到三个可独立控制的线性子系统，即直轴电流子系统、励磁电流子系统和机械角速度子系统，实现HESM调速系统全局范围内电流环动态解耦控制。
通过精确线性化控制、部分线性化控制与传统PI控制仿真对比，结果表明，所提出的精确线性化控制策略具有良好的转速跟踪能力与较强的鲁棒性，系统动、静态性能均得到提升。
混合励磁同步电机（Hybrid Excitation Synchronous Motor, HESM）是一种将电励磁同步电机和永磁同步电机（Permanent Magnetic Synchronous Motor, PMSM）相结合的新型电机，它综合了电励磁电机调磁方便和永磁同步电机功率密度高、效率高、转矩/质量比大等优点，同时又克服了永磁同步电机气隙磁场调节困难且永磁体易失磁等缺陷，适用于宽调速范围、输出电压稳定以及输出转矩和功率大的场合。
目前，国内外学者对HESM拓扑结构、驱动系统、控制策略等方面均进行了大量研究，并取得了丰富成果。由于HESM是一个强耦合、非线性、高阶的多变量复杂系统，针对其调速系统研究较少，尚未有较完善方案，故系统动、静态性能均有待提高，对各控制器的分析与研究具有重要意义。
日本学者S. Shinnaka等通过坐标系变换推导出HESM的动态数学模型，提出了仅适用于隐极式HESM的id=0控制方法，该方法计算量小、控制简单，但针对凸极率较大的HESM，该方法则没有考虑磁阻转矩，未能使电机转矩输出能力得到充分地发挥。
有学者针对凸极HESM提出了基于速度分区设计的基本电流控制，实现了低速区增磁与高速区弱磁的分段控制方法，拓宽了电机调速范围、提高了输出低速大转矩的能力。
有学者首次将反馈线性化引入HESM调速系统，将d轴电流与电机转速进行解耦控制，实现了电机的动态解耦，提高了系统的动态响应，但该方法并未考虑d轴电流与励磁电流之间的乘积耦合现象；其次该文仅在低速区空载情况下进行了仿真分析，并未验证存在负载扰动时系统的动态响应能力，且并未针对弱磁基速以上的工况进行理论分析与仿真。
有学者提出了基于全局铜耗最小原则的HESM状态反馈线性化控制，实现了各电流分量与电机转速之间的解耦，由于非线性系统总相对阶小于系统阶数，仅研究了部分解耦控制，不可避免地会出现内动态问题（控制输入使输出为零，输入-输出线性化中“不能观的部分”即为系统内动态，它不可从外部的输入-输出关系观测出，其稳定性取决于零点位置，即通过控制输入使输出为零，此时的内动态成为零动态）；但该文未对引入的零动态进行全局指数稳定研究。
本文针对凸极HESM调速系统在文献[14]提出的基本电流控制的基础上，利用微分几何多输入多输出仿射非线性解耦控制理论，研究HESM调速系统仿射非线性标准形式，得出精确线性化条件和线性化设计方法，并利用Matlab/Simulink平台进行了仿真验证。
图2 转子磁极分割型混合励磁同步电机结构示意图
本文根据HESM调速系统的特性，设计了一种基于电流分配算法的精确线性化方法，该方法在速度分区的基础上，避免了引入零动态分析，对d轴电流、励磁电流与机械角速度进行了解耦控制，保证了系统的稳定性，将电机原有非线性系统转换为3个线性子系统。
仿真结果表明，使用精确线性化方法后，各输出分量跟踪良好，转矩振荡减小，系统动、静态性能均得到提高，鲁棒性增强，验证了所提出的精确线性化控制策略正确、有效。