CN107070346A - 一种永磁磁阻型双转子电机的解耦控制方法 - Google Patents
一种永磁磁阻型双转子电机的解耦控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种永磁磁阻型双转子电机的解耦控制方法，根据内外电机目标转速、实际转速和负载转矩确定内外电机目标电磁转矩，利用解耦控制方程分别得到两相旋转坐标系下的内外电机目标电流，对采集的内转子三相绕组电流和定子三相绕组电流通过坐标变换矩阵变换为两相旋转坐标系下的电流并与目标电流进行比较，通过PI控制器调制并进行坐标逆变换产生PWM控制信号控制永磁磁阻双转子电机的运行，采集运行结果进行反馈并重复控制步骤，从而能够对解耦后的内外电机分别控制，提高了永磁磁阻型双转子电机的控制性能，对永磁磁阻型双转子电机的进一步应用具有促进作用。
Description
技术领域
本发明涉及双转子电机的控制算法，具体涉及一种永磁磁阻型双转子电机的解耦控制方法。
背景技术
双转子电机是一种新型结构的电机，通过增加转子数目，实现了双机械和双电气端口，用一个电机替代原来复杂的电气传动系统，大大简化了传动链的体积和质量，在混合动力汽车和风力发电中有着良好的应用前景。专利号为“CN104377921A”的专利公开了一种永磁磁阻型双转子电机的结构，是本发明的研究基础。永磁磁阻型双转子电机作为双转子电机的一种，内电机形式上为永磁电机，延续了永磁电机的高功率密度的优点；外电机形式上为磁阻电机，继承了磁阻电机的结构简单、调速范围广的优点。内外电机的结合构成了永磁磁阻型双转子电机，有效地结合了内外电机的优点，且保证了紧凑的结构，具有较大的开发应用潜力。
永磁磁阻型双转子电机在结构上可以看作一个永磁电机和磁阻电机的叠加，但是定子绕组产生的磁通可以穿过内外气隙与内转子绕组匝链，内转子绕组产生的磁通同样可以穿过内外气隙与定子绕组匝链，使得内外两个电机存在电磁耦合，内外电机不能得到像两个独立电机一样的控制性能，影响了永磁磁阻型双转子电机的控制性能，阻碍了永磁磁阻型双转子电机的进一步应用，且众多对双转子电机的研究都集中在结构上的改进设计，关于双转子电机的解耦控制却很少涉及，针对永磁磁阻型双转子电机的解耦控制的研究更是很少。
专利号“CN103213580A”的专利公开了“电动汽车用双转子电机的控制方法和相关行星齿轮无级变速系统的控制方法”，仅仅公开了双转子电机最佳转矩和最佳转速的计算方法，并未对双转子电机的具体控制方法进行表述；专利号“CN103023021A”的专利公开了“双馈风力发电系统的非线性功率解耦控制方法”，解决了双馈风力发电控制系统中动态功率不解耦的问题，由于双馈风力发电机本质上是基于感应电机原理，这种解耦控制方法不能解决永磁磁阻型双转子电机这种同时基于磁阻原理和感应电机原理的双转子电机的耦合问题。
发明内容
为了克服永磁磁阻型双转子电机的内外电机之间的电磁耦合给电机带来的控制劣势，本发明提供了一种永磁磁阻型双转子电机的解耦控制算法，对解耦后的内外电机进行独立控制，在不同工况下发动机都能稳定运行在燃油经济指标高效区，对永磁磁阻型双转子电机的进一步应用有较好的促进作用。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种永磁磁阻型双转子电机的解耦控制方法，包括以下步骤：
S1：通过内转子目标转速外转子目标转速反馈得到的内转子转速ω1、反馈得到的外转子转速ω2和负载转矩Tload确定内电机和外电机的目标电磁转矩
S2：通过解耦控制方程确定不同位置的外电机定子目标直轴电流定子目标交轴电流内转子目标直轴电流和内转子目标交轴电流
S3：利用传感器采集内转子绕组三相电流及定子三相绕组电流，然后将采集到的内转子绕组三相电流利用变换矩阵C1变换为dq旋转坐标系下的电流id和iq，将采集到的定子三相绕组电流利用变换矩阵C2变换为DQ旋转坐标系下的iD和iQ，将id、iq、iD和iQ分别与目标和进行比较，比较的结果分别经过第一PI控制器、第二PI控制器、第三PI控制器和第四PI控制器调制，得到内转子d轴目标电压内转子q轴目标电压定子D轴目标电压和定子Q轴目标电压
S4：将内转子d轴目标电压内转子q轴目标电压通过变换矩阵C1逆变换为内电机三相目标电压和将定子D轴目标电压定子Q轴目标电压通过变换矩阵C2逆变换为外电机三相目标电压和并以此产生相应的PWM控制信号，将PWM控制信号传递给内电机的三相全桥驱动电路和外电机的三相H桥驱动电路，驱动控制永磁磁阻型双转子电机的运行；
S5：将传感器采集的永磁磁阻型双转子电机的内转子和定子电流信号反馈至S1，用转速测量传感器采集内外转子的转速并反馈至S3；
S6：重复S1-S5的控制过程，直到达到控制目标。
进一步地，S2中所述的解耦控制方程为：
其中，MdD为内电机d轴绕组对外电机D轴绕组的互感，MqQ为内电机q轴绕组对外电机Q轴绕组的互感，λpd为永磁体与内电机d轴绕组交链的磁链，λpD为永磁体与外电机D轴绕组交链的磁链，rem()为取余函数。
进一步地，所述变换矩阵C1为：
其中θ1为内外转子转速差引起的电角度差。
进一步地，所述变换矩阵C2为两个变换矩阵C3和C4的乘积，即C2＝C3C4，外电机定子三相的电磁参数首先分别通过变换矩阵C3变换为以4倍于外转子转速转动的D'Q'旋转坐标系下对应的量，然后分别通过变换矩阵C4变换为与外转子转速相同的DQ旋转坐标系下的对应的量，其中变换矩阵C3与C4分别为：
其中θ2为外转子转动的电角度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过对永磁磁阻型双转子电机电磁特性的研究，对内电机电磁参数进行坐标变换，对外电机电磁参数以及内外电机耦合参数进行两步的混合坐标变换，实现内外电机电磁参数的解耦，对解耦后的永磁磁阻型双转子电机的内外电机分别实行控制策略，从而可以对内外电机进行分别控制，提出针对内外电机独立的控制方法，使永磁磁阻型双转子电机的工作模式跟随动力系统的转速和转矩要求而变化，在不同工况下发动机都能稳定运行在燃油经济指标高效区，简化了永磁磁阻型双转子电机的控制方法，提高了永磁磁阻型双转子电机的控制性能，对永磁磁阻型双转子电机的进一步应用具有较大的参考价值和促进作用。
附图说明
图1为永磁磁阻型双转子电机的解耦控制算法结构图；
图2为永磁磁阻双转子电机电磁参数坐标系变换的原理图；
图3为内电机解耦前的电感；
图4为内电机解耦后的电感；
图5为外电机解耦前的电感；
图6为外电机解耦后的电感；
图7为内电机和外电机解耦前的互感；
图8为内电机和外电机解耦后的互感。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
一种永磁磁阻型双转子电机的解耦控制方法，其控制步骤结构框图如图1所示，具体控制步骤如下：
S1:通过内转子目标转速外转子目标转速反馈得到的内转子转速ω1、反馈得到的外转子转速ω2和负载转矩Tload确定内电机和外电机的目标电磁转矩
S2:由以下解耦控制方程确定不同位置的外电机定子目标直轴电流定子目标交轴电流内转子目标直轴电流和内转子目标交轴电流
其中，MdD为内电机d轴绕组对外电机D轴绕组的互感，MqQ为内电机q轴绕组对外电机Q轴绕组的互感，λpd为永磁体与内电机d轴绕组交链的磁链，λpD为永磁体与外电机D轴绕组交链的磁链，rem()为取余函数。
S3:将传感器采集到的内转子绕组三相电流利用变换矩阵C1变换为dq旋转坐标系下的电流id和iq，将定子三相绕组电流利用变换矩阵C2变换为DQ旋转坐标系下的iD和iQ，将id、iq、iD和iQ分别与目标和进行比较，比较的结果分别经过PI控制器1、PI控制器2、PI控制器3和PI控制器4调制，得到内转子d轴目标电压内转子q轴目标电压定子D轴目标电压和定子Q轴目标电压
S4:将内转子d轴目标电压内转子q轴目标电压通过变换矩阵C1逆变换为内电机三相目标电压和定子D轴目标电压定子Q轴目标电压通过变换矩阵C2逆变换为外电机三相目标电压和并以此产生相应的PWM控制信号，将PWM控制信号传递给内电机的三相全桥驱动电路和外电机的三相H桥驱动电路，驱动控制永磁磁阻型双转子电机的运行。
S5:将传感器采集的永磁磁阻型双转子电机的内转子和定子电流信号进行反馈，用转速测量传感器采集内外转子的转速并进行反馈。重复上述控制过程，直到达到控制目标。
图2为永磁磁阻型双转子电机坐标变换的原理图，A、B、C为定子三相绕组，a、b、c为内转子三相绕组。内电机电磁参数通过变换矩阵C1将内电机三相静止坐标系下的电磁参数变换为与外转子转速相同的dq两相旋转坐标系下的电磁参数，变换矩阵C1为：
其中θ1为内外转子转速差引起的电角度差。
内电机定子三相绕组电感变换前和利用变换矩阵C1变换后分别如图3和图4所示。
外电机电磁参数坐标变换矩阵C2为两个变换矩阵C3和C4的乘积，即C2＝C3C4。外电机定子三相的电磁参数首先分别通过变换矩阵C3变换为以4倍于外转子转速转动的D'Q'旋转坐标系下对应的量，然后分别通过变换矩阵C4变换为与外转子转速相同的DQ旋转坐标系下的对应的量。其中变换矩阵C3与C4分别为：
其中θ2为外转子转动的电角度。
外电机定子三相绕组电感变换前和利用变换矩阵C2变换后分别如图5和图6所示。
内电机和外电机三相绕组互感变换前和利用变换矩阵变换后分别如图7和图8所示，图7中仅给出了外电机定子A相绕组对内电机a、b、c三相绕组的互感。
Claims (4)
1.一种永磁磁阻型双转子电机的解耦控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过内转子目标转速外转子目标转速反馈得到的内转子转速ω1、反馈得到的外转子转速ω2和负载转矩Tload确定内电机和外电机的目标电磁转矩
S2：通过解耦控制方程确定不同位置的外电机定子目标直轴电流定子目标交轴电流内转子目标直轴电流和内转子目标交轴电流
S3：利用传感器采集内转子绕组三相电流及定子三相绕组电流，然后将采集到的内转子绕组三相电流利用变换矩阵C1变换为dq旋转坐标系下的电流id和iq，将采集到的定子三相绕组电流利用变换矩阵C2变换为DQ旋转坐标系下的iD和iQ，将id、iq、iD和iQ分别与目标和进行比较，比较的结果分别经过第一PI控制器、第二PI控制器、第三PI控制器和第四PI控制器调制，得到内转子d轴目标电压内转子q轴目标电压定子D轴目标电压和定子Q轴目标电压
S4：将内转子d轴目标电压内转子q轴目标电压通过变换矩阵C1逆变换为内电机三相目标电压和将定子D轴目标电压定子Q轴目标电压通过变换矩阵C2逆变换为外电机三相目标电压和并以此产生相应的PWM控制信号，将PWM控制信号传递给内电机的三相全桥驱动电路和外电机的三相H桥驱动电路，驱动控制永磁磁阻型双转子电机的运行；
S5：将传感器采集的永磁磁阻型双转子电机的内转子和定子电流信号反馈至S1，用转速测量传感器采集内外转子的转速并反馈至S3；
S6：重复S1-S5的控制过程，直到达到控制目标。
2.根据权利要求1所述的一种永磁磁阻型双转子电机的解耦控制方法，其特征在于，S2中所述的解耦控制方程为：
其中，MdD为内电机d轴绕组对外电机D轴绕组的互感，MqQ为内电机q轴绕组对外电机Q轴绕组的互感，λpd为永磁体与内电机d轴绕组交链的磁链，λpD为永磁体与外电机D轴绕组交链的磁链，rem()为取余函数。
3.根据权利要求1所述的一种永磁磁阻型双转子电机的解耦控制方法，其特征在于，所述变换矩阵C1为：
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其中θ1为内外转子转速差引起的电角度差。
4.根据权利要求3所述的一种永磁磁阻型双转子电机的解耦控制方法，其特征在于，所述变换矩阵C2为两个变换矩阵C3和C4的乘积，即C2＝C3C4，外电机定子三相的电磁参数首先分别通过变换矩阵C3变换为以4倍于外转子转速转动的D'Q'旋转坐标系下对应的量，然后分别通过变换矩阵C4变换为与外转子转速相同的DQ旋转坐标系下的对应的量，其中变换矩阵C3与C4分别为：
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其中θ2为外转子转动的电角度。
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| CN107070346B (zh) | 2019-04-30 |
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