CN104811100A - 一种电励磁双凸极电机不对称电流控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种电励磁双凸极电机不对称电流控制系统及其方法，该系统采用新型的功率控制电路拓扑，电机每一相由一个单独的全桥控制，由四个功率开关管组成，可以实现对电机相电流正负幅值的单独控制，系统采用转速-不对称电流环的闭环系统，转速环产生一个参考电流信号，送入电流幅值计算模块，电流幅值计算模块采用“基于磁能积最大原则”的算法求得最优化的正负半周电流基准值，采样的电流与控制器给出的正负半周电流基准值进行比较，产生控制信号，控制逆变桥电路对电机进行控制。本发明可提高电机的转矩电流比和效率，减小转矩脉动，提高控制的可靠性。

Description

一种电励磁双凸极电机不对称电流控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及电励磁双凸极电机控制技术领域，具体涉及一种电励磁双凸极电机不对称电流控制方法。

背景技术

1955年，Rauchhe Johnson首次提出双凸极电机的概念。然而，受限于当时永磁材料磁能积太低的问题，该类电机功率密度低、体积重量大，无法在实际中得到真正应用。1992年，电机专家T.A.Lipo在开关磁阻电机的基础上提出了永磁双凸极电机(Doubly SlientPermanent-magent machine，DSPM)，南京航空航天大学于1998年提出了电励磁双凸极电机(Wound-field Doubly Salient Machine，WFDSM)。双凸极电机结构简单、坚固，具有可靠性高、成本低、效率高等优点，既可以用做发电机又可以用做电动机，在航空、发电、工业等领域得到广泛应用。

传统的双凸极电机遵循在“电感上升区通正电，电感下降区通负电”的控制策略，每一时刻保持两相同时导通，由导通的两相同时出力。电机的控制方式主要采用角度位移控制，在合适的角度位置处控制开关管的开关实现电机每相的导通与关断，而且不同的开关角度对电机具有一定性能影响，针对这一特点，在传统标准角控制度的基础上，又发展出三相六拍，三相九拍等控制方式。双凸极电机具有较多的极对数，其外围功率电路的开关管数目较多、开关频率较高，因此存在很大的开关损耗，降低了电机的效率。同时由于双凸极电机存在较大的转矩脉动，使得电机存在很大的噪声，限制了其应用。为了解决上述问题，可以在双凸极电机运行中采取相应的控制策略进行调节。

目前，双凸极电机的控制方式主要是角度位移控制，该控制方式可以提高双凸极电机在中等转速条件下的转矩，但是有电机的动态响应较慢、调速范围较窄、电机效率低、电机的转矩脉动较大等缺点，尚不能很精确地控制电机。

发明内容

本发明提出一种电励磁双凸极电机不对称电流控制系统及其方法，旨在减小电机的转矩脉动，使得电机在相同输入电流条件下具有更大的输出转矩，提高电机的转矩电流比，提高双凸极电机的效率，同时消除了电机换相期间相间环流的影响，提高控制的可靠性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种电励磁双凸极电机不对称电流控制系统，包括主功率电路和控制电路；

所述主功率电路包括电励磁双凸极电机和全桥电路，其中，所述电励磁双凸极电机包括四相，每一相由一个全桥电路控制；

所述控制电路包括控制器、位置传感器和电流传感器，所述位置传感器、电流传感器分别采集位置信息和电流信息，发送至控制器。

所述控制器采用数字信号处理器和可编程逻辑器件，所述位置传感器采用霍尔传感器，电流传感器采用霍尔电流传感器。

所述全桥电路包括两条开关管支路，每条支路均包括一个上管和一个下管，其中一条开关管支路上管和下管的中间点连接电励磁双凸极电机一相的一端，另一条开关管支路上管和下管的中间点连接电励磁双凸极电机一相的一端；各支路上管的负极相连且连接到电源正极，各支路下管的正极相连且连接到电源负极。

一种电励磁双凸极电机不对称电流控制方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，利用位置传感器采集电励磁双凸极电机转子的位置信号，采用电流传感器和四相电流采样电路将采集的励磁双凸极电机的四相输入电流，经过AD模块得到相电流I_p；

步骤2，将所述位置信号发送至控制器，得到励磁双凸极电机的实时转速n，将所述实际转速n和给定转速n_ref经过速度环得到励磁双凸极电机的实时转速差，进行PID调节后得到有效输入电流参考值；

步骤3，将步骤3中得到的有效输入电流参考值经电流幅值计算器计算得到的正负半周相电流基准值I_ref+、I_ref-；

步骤4，将采集到的相电流信号I_p分为两路，一路与负半周相电流基准值I_ref-相减，另一路与正半周相电流基准值I_ref+相减，得到的两路电流差输入到电流调节器，得到开关管的驱动信号用于控制主功率电路输出的驱动电压和驱动电流即双凸极电机的正负半周电流。

步骤3具体指，采用“基于磁能积最大原则的算法”，电流幅值计算器根据电机有效输入电流求得正负半周相电流幅值，所求的值作为电机双电流环正负相电流的基准值I_ref+、I_ref-。

步骤4具体指，将所述电流差经过滞环比较器得到阶跃信号，经过逻辑控制电路得到激励信号，将激励信号经过隔离电路得到开关管的驱动信号用于控制功率电路输出的驱动电压和驱动电流即双凸极电机的正负半周电流。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

电励磁双凸极电机不对称电流控制系统采用转速-不对称电流环的双闭环系统，不对称电流环有两个独立的电流环，当转速波动时，电机转速环利用转速反馈信号与给定转速比较产生一个参考电流信号，送入电流幅值计算模块；电流幅值计算模块采用“基于磁能积最大原则”的算法，根据电机转矩与电机电流的关系求得最优化的正负半周电流幅值，最优正负半周电流幅值即给定的电流基准值。双电流环分别对电机正负半周相电流分别进行调节，采样的电流与控制器给出的正负半周电流基准值进行比较，产生控制信号，控制逆变桥电路对电机进行控制。

(1)采用新型的电机逆变电路可灵活方便地控制电机正负周相电流的幅值，可以有效控制电机相电流，使得电机控制更加灵活。各相控制的相互独立性较高，易于实现容错控制。

(2)新型的转速-双电流环的双闭环系统使得电机在相同的输入条件下具有更高的输出转矩，提高了电机的效率，另外合理的电流控制可以减小电机的转矩脉动。

(3)控制系统对电机相电流的幅值进行控制，控制思路简单，将相电流有效值这一参量引入双凸极电机的控制，丰富了双凸极电机的控制策略。

附图说明

图1是本发明电励磁双凸极电机不对称电流控制系统的总体结构图；

图2是电枢功率电路图；

图3是转速-不对称电流环闭环系统；

图4是电励磁双凸极电机；

图5是励磁双凸极电机的导通模态图；

图6是励磁双凸极电机ψ-i曲线；

图7是电机的磁化曲线。

具体实施方式

本发明提供一种电励磁双凸极电机不对称电流控制系统及其方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

各附图中符号如表1说明：

      

名称	说明	名称	说明
				DSEM	电励磁双凸极电机	DSP	数字信号处理器
CPLD	复杂可编程逻辑器件	AD采样	模数转换采样
				Iref+	正半周电流基准值	Iref-	负半周电流基准值
Q(Q11…)	igbt开关管	C	电容
				ψ	磁链	L	电感

表1

如图1所示电励磁双凸极电机不对称电流控制系统结构框图，系统主要由电励磁双凸极电机、主功率电路和控制电路组成。所述电励磁双凸极电机如图4所示，电机主要定子、转子、电枢绕组和励磁绕组四部分组成；所述主功率电路如图2所示，电机每一相由单独的一个全桥电路控制，每一个全桥电路由四个IGBT开关管组成，开关管的开与关可以控制电机电枢电流的通与断，不同的开关组合和开关顺序可以灵活地控制电机相电流的幅值，实现不对称电流控制策略；所述的控制电路由DSP和CPLD作为主控制芯片，位置传感器采集电机的位置信号，并将位置信号送至处理器，计算可算得双凸极电机的实时转速n，采用电流传感器和四相电流采样电路将采集的双凸极电机的四相输入电流经过AD模块得到相电流I_p

控制方式所采用的转速-双电流闭环如图4所示，将双凸极电机的实际转速n和给定的双凸极电机转速n_ref经过速度环得到双凸极电机的实时转速差，进行PID调节后得到转矩参考值，根据电机转矩参考值与电机相电流的关系，将上述转矩参考值经电流幅值计算器计算得到的正负半周相电流基准值I_ref+、I_ref-和采样的得到的相电流I_p经过双电流环得到实时电流差，将所述实时电流差经过滞环比较器得到阶跃信号，经过逻辑控制电路得到激励信号，将激励信号经过隔离电路得到开关管的驱动信号用于控制功率电路输出的驱动电压和驱动电流即双凸极电机的正负半周电流。

电励磁双凸极电机的定子齿极与转子齿极重合处互感最大，定子齿极与转子齿极相距最远时互感最小。根据电励磁双凸极电机的基本理论可知，电励磁双凸极电机的运行依靠在电感上升区通入正向电流，在电感下降区通入负向电流。相电流在电感从最小值开始上升的时刻、电感从最大值开始下降的时刻以及电感下降到最小值三个时刻进行换向。所述功率电路如图2所示，电机的每一相由一个全桥电路控制，以A相为例描述电路模态，图5(a)所示为通入正向电流的模态图，开关管Q₁₁、Q₁₂开通，Q₂₁、Q₂₂关断；图5(b)为通入负向电流的模态图，开关管Q₂₁、Q₂₂开通，Q₁₁、Q₁₂关断，开关管的通断受驱动电路信号控制。

由双凸极电机磁链方程可知

[ψ]＝[L][I]  (1)

其中：[ψ]＝[ψ_a ψ_b ψ_c ψ_d ψ_f]^T，ψ_a、ψ_b、ψ_c、ψ_d和ψ_f分别为电机的A、B、C、D四相电枢绕组磁链和励磁绕组磁链；

       $\left[L\right]=\left[\begin{array}{ccccc}{L}_a& L_{\mathrm{ab}}& L_{\mathrm{ac}}& l_{\mathrm{ad}}& l_{\mathrm{af}}\\ L_{\mathrm{ba}}& L_b& L_{\mathrm{bc}}& l_{\mathrm{bd}}& L_{\mathrm{bf}}\\ L_{\mathrm{ca}}& L_{\mathrm{cb}}& L_c& L_{\mathrm{cd}}& L_{\mathrm{cf}}\\ L_{\mathrm{da}}& L_{\mathrm{db}}& L_{\mathrm{dc}}& L_d& L_{\mathrm{df}}\\ L_{\mathrm{fa}}& L_{\mathrm{fb}}& L_{\mathrm{fc}}& L_{\mathrm{fd}}& L_f\end{array}\right]$ 为电感矩阵，包括电枢绕组自感、励磁绕组的自感以及彼此间的互感，电感矩阵是一个对称矩阵；

其中，L_a、L_b、L_c、L_d、L_f是电机的相自感，L_ab、L_ac、L_ad、L_ab、L_ba、L_bc、L_bd、L_ca、L_cb、L_cd、L_da、L_db、L_dc是相绕组间的互感，L_af、L_bf、L_cf、L_df、L_fa、L_fb、L_fc、L_fd是励磁绕组与相绕组间的互感。

[I]＝[i_a i_b i_c i_d i_f]^T包括电机的电枢电流与励磁电流。以A相为例

ψ_a＝L_ai_a+L_abi_b+L_aci_c+L_adi_d+L_afi_f  (2)

由于相间互感很小，故上式可以简化为

ψ_a＝ψ_aa+ψ_af＝L_ai_a+L_afi_f  (3)

其中ψ_aa为自感磁链，ψ_af为互感磁链，他们的大小与电感和电流有关，方向只与电流方向有关。转子滑入时，二者方向相同，A相磁链不断增大所示，定转子极对齐时磁链达到最大值。转子滑出时，励磁电流不变，ψ_af方向不变，此时，电枢电流反向，所以ψ_aa反向，转子刚滑出时由于相电流值较小，ψ_aa较小，气隙合成磁链方向不变，随着负向电流的增大，ψ_aa增大，气隙合成磁链逐渐减小直到为零，电流继续增大，合成磁链反向增大，达到负向最大值，转子继续滑出，磁链幅值减小直到为零。

下面以图4所示的电机为阐述本发明的控制思路。图6所示为该电机的ψ-i曲线，电机的励磁电流为6A，由公式W_f＝∫idψ可知曲线包络面积为电机的磁能大小，磁能大小正比于电机的输出转矩，所以ψ-i曲线面积越大电机的输出转矩越大。图6箭头标明了该曲线的走向，图中A点将磁能曲线分成左右两部分，由数学的基本知识可知，左侧部分的曲线在任意时间段内的积分为负值，左侧部分的包络面积越大电机总的磁能越小，电机的输出转矩越小，磁场的饱和程度受电流大小的影响，因此限制电流幅值可以有效控制磁链的幅值，减小或者消除磁能曲线积分为负值的区域，这样可以增加电机的输出转矩，有效地增大了电机的电流利用率，提高电机效率。

所述电流幅值计算模块基于以上所述的理论基础，遵循“磁能最大”计算原则，即在一定的输入电流有效值前提下，改变不同的正负半周电流基准值，使得磁化曲线的包络面积最大，根据电机转矩与电机电流的关系求得最优化的正负半周电流幅值，最优正负半周电流幅值即给定的电流基准值，即图1中的I_ref+和I_ref-。双电流环如图1中2框所示，双电流环分别对电机正负半周相电流分别进行调节，采样的电流与控制器给出的正负半周电流基准值进行比较，产生控制信号，控制逆变桥电路对电机进行控制。

所述的磁化曲线即ψ-i曲线，选取两个特殊的转子位置，分别为转子极刚滑入定子极(位置1)和定、转子极完全重合(位置2)，得到电机的两条磁化曲线，由磁阻电机的基础知识可知，其他位置角度的磁化曲线在上述两条曲线之间。以励磁电流10A为例，测得电机的磁化曲线如图7所示，电流较小时，电机磁场饱和程度较低，磁链随电流增长较快，随着电流增大，电机磁场饱和程度增加，磁链随电流增长变缓。位置1的磁化曲线可以近似为分段线性模型，可以用如下公式表示，以ψ₁＝0.7Wb为分界点，位置2的磁化曲线为

       ${\mathrm{\&psi;}}_1=\left\{\begin{array}{cc}0.1116x+1.388& 0<{\mathrm{\&psi;}}_1<0.7{\mathrm{\&psi;}}_1>0.7\\ 0.01031x+0.7944& \end{array}\right.$

ψ₂＝0.01656x+0.2172

利用所拟合的公式求区间(I_ref-，I_ref+)内磁化曲线所包络的面积，如上文所述，电流的有效值保持不变，所以I_ref- ²+I_ref+ ²＝a²(a为相电流有效值)，为了方便计算，设I_ref-＝x，则 $I_{\mathrm{ref}+}=\sqrt{a^2-x^2}$

       $S={\&Integral;}_x^{-6}0.1116x+1.388-0.0165x-0.2172d_x+{\&Integral;}_{-6}^{\sqrt{a^2-x^2}}0.0103x+0.7944-0.7944-0.0165x-0.2172d_x$

       $S=0.5772\sqrt{a^2-x^2}-0.003125a^2-0.044395x^2-1.1708x-1.7383$

S为磁化曲线所包络的面积，对上式求导得

       $S^{\&prime;}=-0.08879x-\frac{0.5772x}{\sqrt{a^2-x^2}}-1.1708,$

令上式等于零，所计算得到的x值即为使得磁化曲线包络面积最大的x的值，即所求的最优负向电流基准值I_ref-，进一步可以求得正向电流的基准值I_ref+。

上述电流基准值计算是在励磁电流为10A条件下所得，由双凸极基本理论可知，所求基准值应与励磁电流成比例关系，所以利用上述方法亦可求得不同励磁下电流基准值的结果。

需要说明的是，上述电流基准值计算结果虽然是在一定条件下求得，但其目的只是为了更加形象地表达所述的计算方法，其计算方法具有普适性，所以与所述方法相同或者相似的电流基准计算方法都应归于所述计算方法内。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种电励磁双凸极电机不对称电流控制系统，其特征在于：包括主功率电路和控制电路；

所述主功率电路包括电励磁双凸极电机和全桥电路，其中，所述电励磁双凸极电机包括四相，每一相由一个全桥电路控制；

所述全桥电路连接电源与电励磁双凸极电机，所述位置传感器安装在电机轴端，随电机同步转动，所述电流传感器安装在电机相绕组抽头处，检测电机的相电流，所述位置传感器、电流传感器将采集的信号发送至控制电路；

所述控制电路包括控制器、位置传感器和电流传感器，所述位置传感器、电流传感器分别采集位置信息和电流信息，发送至控制器。

2.根据权利要求1所述的一种电励磁双凸极电机不对称电流控制系统，其特征在于：所述控制器采用数字信号处理器和可编程逻辑器件，所述位置传感器采用霍尔传感器，电流传感器采用霍尔电流传感器。

3.根据权利要求1所述的一种电励磁双凸极电机不对称电流控制系统，其特征在于：

所述全桥电路包括两条开关管支路，每条支路均包括一个上管和一个下管，其中一条开关管支路上管和下管的中间点连接电励磁双凸极电机一相的一端，另一条开关管支路上管和下管的中间点连接电励磁双凸极电机一相的一端；各支路上管的负极相连且连接到电源正极，各支路下管的正极相连且连接到电源负极。

4.一种电励磁双凸极电机不对称电流控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤1，利用位置传感器采集电励磁双凸极电机转子的位置信号，采用电流传感器和四相电流采样电路将采集的励磁双凸极电机的四相输入电流，经过AD模块得到相电流I_p；

步骤2，将所述位置信号发送至控制器，得到励磁双凸极电机的实时转速n，将所述实际转速n和给定转速n_ref 经过速度环得到励磁双凸极电机的实时转速差，进行PID调节后得到电机有效输入电流值；

步骤3，将步骤2中得到的电机有效输入电流值经电流幅值计算器计算得到的正负半周相电流基准值I_ref+、I_ref- ；

步骤4，将采集到的相电流信号I_p分为两路，一路与负半周相电流基准值I_ref-相减，另一路与正半周相电流基准值I_ref+相减，得到的两路电流差输入到电流调节器，得到开关管的驱动信号用于控制主功率电路输出的驱动电压和驱动电流即双凸极电机的正负半周电流。

5.根据权利要求4所述的一种电励磁双凸极电机不对称电流控制方法，其特征在于：步骤3具体指，采用“基于磁能积最大原则的算法”，电流幅值计算器根据电机有效输入电流求得正负半周相电流幅值，所求的值作为电机双电流环正负相电流的基准值I_ref+、I_ref-。

6.根据权利要求4所述的一种电励磁双凸极电机不对称电流控制方法，其特征在于：步骤4具体指，将所述实时电流差经过滞环比较器得到阶跃信号，经过逻辑控制电路得到激励信号，将激励信号经过隔离电路得到开关管的驱动信号用于控制功率电路输出的驱动电压和驱动电流即双凸极电机的正负半周电流。