CN101789738B - 双凸极永磁电机控制装置及控制方法 - Google Patents

双凸极永磁电机控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双凸极永磁电机控制装置及控制方法,该装置包括双凸极永磁电机、转速测量单元、转速调节器、转矩观测器、转矩调节器、位置传感器、参考电流发生器、电流传感器、电流滞环跟踪控制器和逆变器;该方法转速调节器和转矩调节器均采用比例-积分调节器,并且对转速调节器和转矩调节器的输出进行限幅。本发明控制简单,可以有效地抑制电机转矩脉动,降低噪声,提高电机的动态响应和调速性能。

Description

双凸极永磁电机控制装置及控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种双凸极永磁电机新型控制系统,属于电机控制领域。 背景技术

[0002] 随着对能源和环境问题的日益关注,电动汽车呈现加速发展的趋势。为了实现电动汽车的迅速起动和平稳运行,车用驱动电机是关键,电机应该具有调速性能好、转矩响应快、免维护等特点。目前,电动汽车所采用的电机主要有直流电机、异步电机、开关磁阻电机、永磁无刷直流电机及永磁同步电机。直流电机控制简单、技术成熟,但由于存在电刷和换向器,运行可靠性受到影响。异步电机价格便宜,但功率因素较低,控制复杂。永磁无刷直流电机及永磁同步电机采用高性能稀土永磁材料,效率较高,但永磁材料安装在转子上, 易受到振动和高温的影响发生退磁现象,将严重降低永磁电动机的性能。开关磁阻电机结构简单,制造工艺简单,但运行效率和材料利用率较低。

[0003] 双凸极永磁(Doubly Salient Permanent Magnet, DSPM)电机是在开关磁阻电机基础上发展起来的一种新型高效节能电机,电机结构呈双凸极,转子上无绕组,在定子(或转子)内嵌有高性能永磁体。当电机的永磁磁链增大时给绕组通入正电流,当磁链减小时给绕组通入负电流,就能在整个通电周期内产生正转矩,从而驱动电机转动。双凸极永磁电机集中了永磁无刷直流电机和开关磁阻电机的优点,具有结构简单、效率高、功率密度高, 永磁材料用量少等优点,非常适合应用于电动汽车领域。但是,由于双凸极永磁电机的双凸极结构和电流换相会引起不小的转矩脉动,而转矩脉动会带来噪音、振动和转速的波动等问题,降低了电机运行性能,因此有必要采用合适的控制方法提高电机运行性能。

发明内容

[0004] 技术问题:本发明要解决的技术问题是提供一种双凸极永磁电机控制装置及控制方法,解决双凸极永磁电机转矩脉动大的缺点,并提高电机的动态响应和调速性能。

[0005] 技术方案:为解决上述技术问题,本发明提供的技术方案为:

[0006] 本发明公开了一种双凸极永磁电机新型控制系统,该系统包括双凸极永磁电机、 转速测量单元、转速调节器、转矩观测器、转矩调节器、位置传感器、参考电流发生器、电流传感器、电流滞环跟踪控制器和逆变器;其中,

[0007] 双凸极永磁电机的转速输出端与转速测量单元的转速输入端相连,转速测量单元的转速输出端和参考转速分别与转速计算器的输入端相连,转速计算器的输出端与转速调节器的输入端相连;

[0008] 双凸极永磁电机的转矩输出端与转矩观测器的转矩输入端相连,转矩观测器的转矩输出端和转速调节器的输出端分别与转矩计算器的输入端相连;

[0009] 双凸极永磁电机的位置输出端与位置传感器的位置输入端相连,位置传感器的位置输出端和参考电流发生器的位置输入端相连,转矩调节器的输出端与参考电流发生器的参考电流输入端相连,参考电流发生器的电流输出端与电流滞环跟踪控制器的参考电流输入端相连,

[0010] 双凸极永磁电机的电流输出端与电流传感器的电流输入端相连,电流传感器的电流输入端与电流滞环跟踪控制器的电流输入端相连,

[0011] 电流滞环跟踪控制器的输出端与逆变器的输入端相连,逆变器的输出端与双凸极永磁电机的绕组相连。

[0012] 本发明还公开了一种双凸极永磁电机的控制方法,该方法包括如下步骤:

[0013] 通过转速测量单元测量电机的实际转速n,将所需的参考转速η*和实际转速η相减得到转速偏差量Δη;将转速偏差量Δη输入至转速调节器,转速调节器输出参考转矩 Te* ;通过转矩观测器实时检测电机的实际输出转矩Te,将参考转矩Te*和实际转矩Te相减得到转矩偏差量ATe ;将转矩偏差量ATe输入至转矩调节器,转矩调节器输出参考电流幅值通过位置传感器检测电机的转子位置角θ,将参考电流幅值C和转子位置角θ输入到参考电流发生器内,发生器输出各相绕组的参考电流;电流传感器测量得到各相实际电流值«,各相实际电流值«相与各相绕组的参考电流相同时输入到电流滞环跟踪控制器内,得到脉宽调制PWM信号;脉宽调制PWM信号驱动逆变器的功率开关器件的开通与关断,直流电源经过逆变后驱动电机转动。

[0014] 优选的,转速调节器和转矩调节器均采用比例-积分调节器,并且对转速调节器和转矩调节器的输出进行限幅。

[0015] 有益效果:

[0016] (1)该控制方法引入了转矩环控制,在转速偏差过大的情况下(如电机起动或制动阶段)依然可以实时控制参考电流逼近最优值,显著减小转矩脉动。这样可以减小电机的振动和噪声,使电机起动平稳。

[0017] (2)该控制方法中直接考虑了转矩的影响,在加减速或负载变化的动态过程中,可以获得更快速的转矩响应和调速性能。

[0018] (3)在稳态运行过程中,转矩调节器抑制了电机输出转矩的脉动,改善了电机的稳态运行性能。

[0019] (4)在电动汽车驱动应用中,上述三点有益效果意味着汽车无论是在起动、制动或加减速等动态过程中,还是在勻速行驶过程中,汽车都将更加平稳的行驶,改善了汽车的驾乘舒适性。汽车的加速度变大,刹车制动更加迅速,提升了安全性。

附图说明

[0020] 图1是可以应用在本发明中的双凸极永磁电机的结构示意图;

[0021] 图2为图1所示电机的绕组连接示意图;

[0022] 图3是可以应用在图1所示电机的逆变器结构示意图;

[0023] 图4为本发明的控制系统框图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图对本发明做进一步说明。

[0025] 本发明还有其它不同的实施方式,各种实施方式中的细节可以在不偏离本发明的情况下进行各种明显的改进。因此,附图和说明书是要阐释实质问题而非限制性的。[0026] 本发明提供的双凸极永磁电机新型控制系统,该系统包括双凸极永磁电机、转速测量单元、转速调节器、转矩观测器、转矩调节器、位置传感器、参考电流发生器、电流传感器、电流滞环跟踪控制器和逆变器。其中,转速测量单元测量双凸极永磁电机的转速,所需的参考转速和转速测量单元的转速输出端之间的差值与转速调节器的输入端相连。转矩观测器检测双凸极永磁电机的输出转矩,转速调节器的输出端和转矩观测器的转矩输出端之间的差值与转矩调节器的输入端相连。位置传感器检测双凸极永磁电机的转子位置,位置传感器的位置输出端和参考电流发生器的位置输入端相连。转矩调节器的输出端与参考电流发生器的参考电流输入端相连,参考电流发生器的电流输出端与电流滞环跟踪控制器的参考电流输入端相连。电流传感器测量双凸极永磁电机的各相绕组电流,电流传感器的电流输出端与电流滞环跟踪控制器的电流输入端相连,电流滞环跟踪控制器的输出端与逆变器的控制输入端相连,逆变器的输出端与双凸极永磁电机的绕组相连。

[0027] 整个控制系统采用闭环控制,包括转速、转矩、电流三个闭环;其中转速测量单元和转速调节器构成转速外环,转矩观测器和转矩调节器构成转矩中环,电流传感器、电流滞环跟踪控制器和逆变器构成电流内环。

[0028] 转速调节器和转矩调节器均采用比例-积分调节器,并且对转速调节器和转矩调节器的输出进行限幅。该比例积分调节器可以用数字式或模拟式。

[0029] 电机在起动、制动和加减速阶段,当转速偏差超过转速调节器的限定限幅时,转速调节器工作在限幅区域,输出一个恒定的转矩参考值,但转矩偏差不超过转矩调节器的限定幅值,转矩调节器工作在正常的比例-积分调节区域,实时控制参考电流幅值。

[0030] 图1是可以应用在本发明中的一台8/6极双凸极永磁电机,电机的定子上有8个凸极,四相绕组,转子上有6个凸极。图2是图1所示电机的四相绕组连接图,图3是可以应用在本发明中的逆变器的结构示意图。电机绕组采用星型连接,A相绕组的一端连接在m 点,另一端Al连接在逆变器的A2点;B相绕组的一端连接在m点,另一端Bl连接在逆变器的B2点;C相绕组的一端连接在m点,另一端Cl连接在逆变器的C2点;D相绕组的一端连接在m点,另一端Dl连接在逆变器的D2点;m点与逆变器的N2点相连。逆变器由直流电源Vl和直流电源V2供电,选择绝缘栅双极晶体管(Insulated-Gate Bipolar Transistor, IGBT) Si、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8做为功率开关器件,组成逆变桥。

[0031] 在本实施例中,使用光电编码器同时实现转速测量单元和位置传感器的功能,微处理器芯片DSP同时实现转速调节器、转矩调节器、转矩观测器、参考电流发生器和电流滞环跟踪控制器的功能,霍尔电流传感器检测电机绕组电流。

[0032] 转速测量单元测量电机的实际转速n,将所需的参考转速η*和实际转速η相减得到转速偏差量Δη,Δη = η*-η。将Δ η输入至转速调节器,转速调节器输出参考转矩Te*。 位置传感器检测电机的转子位置角θ,电流传感器测量得到各相实际电流值i#ffi。转矩观测器根据位置角θ,采用查表的形式查询对应角度θ的永磁磁链变化率,再根据实时计算电机的输出转矩Te。将参考转矩Te*和实际转矩Te相减得到转矩偏差量Δ Te,ATe =Te*-Te0将ATe输入至转矩调节器,转矩调节器输出参考电流幅值1_;。由于本实施例中所用电机的永磁磁链呈正弦波变化且绕组数为4相,所以参考电流发生器根据;和θ 产生四相正弦波参考电流。其中先将θ转换为电角度θ。θε = 4θ,A相绕组参考电流 C = C sin 6>e ; B相绕组参考电流4 = C sin(代-π/2)·χ相绕组参考电流(=-ζ sin Oe ; D相绕组参考电流(=-C sin(代-π/2)。将各相实际电流值i 与各相参考电流i *同时输入到电流滞环跟踪控制器内,由电流滞环得到脉宽调制(Pulse WidthModulation,PWM)信号。 PWM信号驱动逆变器的功率开关器件的开通与关断,直流电源经过逆变后驱动电机转动。上述转速调节器和转矩调节器均采用PI调节器,并且对转速调节器和转矩调节器的输出进行限幅防止超调。

[0033] 该控制系统可以显著抑制电机转矩脉动,提高动态响应和调速性能。根据电机运行工况,该方法的优势主要体现在以下两种情况:

[0034] (1)电机起动、制动和加减速阶段

[0035] 电机在起动起动、制动和加减速阶段,当转速偏差超过转速调节器的限定限幅时, 转速调节器虽然工作在限幅区域,只能输出一个恒定的转矩参考值τΛ但τ/与实际转矩Te 偏差不超过转矩调节器的限定限幅,转矩调节器工作在正常PI调节区域,可以实时控制参考电流幅值,从而稳定输出转矩以减小转矩脉动。电流滞环控制器直接控制电流,有助于提高动态响应。

[0036] (2)电机勻速运行阶段

[0037] 电机勻速运行的稳态阶段,转速调节器输出一个与负载相对应的参考转矩,转矩调节器跟踪该参考转矩,抑制了电机输出转矩的脉动,改善了电机的稳态运行性能。

[0038] 本发明控制简单,可以有效地抑制电机转矩脉动,降低噪声,提高电机的动态响应和调速性能。将本发明应用在电动汽车驱动领域中,可以改善汽车的驾乘舒适性和安全性。

Claims (3)

1. 一种双凸极永磁电机控制装置,其特征在于:该装置包括双凸极永磁电机、转速测量单元、转速调节器、转矩观测器、转矩调节器、位置传感器、参考电流发生器、电流传感器、 电流滞环跟踪控制器和逆变器;其中,双凸极永磁电机的转速输出端与转速测量单元的转速输入端相连,转速测量单元的转速输出端和参考转速分别与转速计算器的输入端相连,转速计算器的输出端与转速调节器的输入端相连;所述转速计算器通过转速测量单元测量电机的实际转速n,将所需的参考转速η*和实际转速η相减得到转速偏差量Δ η ;双凸极永磁电机的转矩输出端与转矩观测器的转矩输入端相连,转矩观测器的转矩输出端和转速调节器的输出端分别与转矩计算器的输入端相连;转矩计算器的输出端与转矩调节器的输入端相连;所述转矩计算器,将参考转矩Te*和实际转矩Te相减得到转矩偏差量 ATe ;双凸极永磁电机的位置输出端与位置传感器的位置输入端相连,位置传感器的位置输出端和参考电流发生器的位置输入端相连,转矩调节器的输出端与参考电流发生器的参考电流输入端相连,参考电流发生器的电流输出端与电流滞环跟踪控制器的参考电流输入端相连;将转矩偏差量ATe输入至转矩调节器,转矩调节器输出参考电流幅值;通过位置传感器检测电机的转子位置角θ,将参考电流幅值和转子位置角θ输入到参考电流发生器内,发生器输出各相绕组的参考电流4η ;双凸极永磁电机的电流输出端与电流传感器的电流输入端相连,电流传感器的电流输出端与电流滞环跟踪控制器的电流输入端相连,电流滞环跟踪控制器的输出端与逆变器的输入端相连,逆变器的输出端与双凸极永磁电机的绕组相连。
2. 一种用于权利要求1所述的双凸极永磁电机的控制方法,其特征在于:该方法包括如下步骤:通过转速测量单元测量电机的实际转速η,将所需的参考转速η*和实际转速η相减得到转速偏差量Δη ;将转速偏差量Δη输入至转速调节器,转速调节器输出参考转矩Te* ;通过转矩观测器实时检测电机的实际输出转矩Te,将参考转矩Te*和实际转矩Te相减得到转矩偏差量ATe ;将转矩偏差量ATe输入至转矩调节器,转矩调节器输出参考电流幅值; 通过位置传感器检测电机的转子位置角θ,将参考电流幅值和转子位置角θ输入到参考电流发生器内,发生器输出各相绕组的参考电流C11 ;电流传感器测量得到各相实际电流值«,各相实际电流值«与各相绕组的参考电流同时输入到电流滞环跟踪控制器内,得到脉宽调制PWM信号;脉宽调制PWM信号驱动逆变器的功率开关器件的开通与关断, 直流电源经过逆变后驱动电机转动。
3.根据权利要求2所述的双凸极永磁电机的控制方法,其特征在于转速调节器和转矩调节器均采用比例-积分调节器,并且对转速调节器和转矩调节器的输出进行限幅。
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