CN108322117A - 无刷双馈电机的控制系统、前馈控制方法及参数辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷双馈电机的控制系统、前馈控制方法及参数辨识方法，控制系统包括用于输出电压指令值的d轴分量的d轴控制结构、用于输出电压指令值的q轴分量的q轴控制结构；d轴控制结构包括第一PI控制器、第一比例控制器、第二比例控制器、第一微分控制器、第一叠加器以及第二叠加器，第一比例控制器、第二比例控制器以及第一微分控制器分别用于产生第一d轴中间分量、第二d轴中间分量以及第三d轴中间分量，第一PI控制器用于输出电压初始参考值的d轴分量，第二叠加器用于对电压参考值的d轴前馈量和电压初始参考值的d轴分量进行叠加处理输出电压指令值。该控制系统消除控制绕组电流和电压之间的耦合项，实现精确的闭环控制。

Description

无刷双馈电机的控制系统、前馈控制方法及参数辨识方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，更具体地，涉及无刷双馈电机的控制系统、前馈控制方法及参数辨识方法。

背景技术

随着能源问题日益严峻，人们开发出了风力发电、船舶轴带发电等一系列经济节能的独立发电形式。双馈电机由于所需变频器仅为转差倍功率容量，能将电网能量馈入(送出)电机并实现变速恒频发电，被广泛应用于独立发电系统中。相较于已普遍应用的有刷双馈电机，无刷双馈电机(brushless doubly-fed machine，BDFM)采用特殊的结构设计，取消了电刷和滑环，提升了电机运行可靠性、降低了维护和运营成本，是性能更优的新型双馈电机。

在独立发电应用中，无刷双馈电机的机侧变换器多采用矢量控制系统，在系统中添加前馈补偿环节，可以进一步减少电机内部耦合关系的影响，提升控制系统的整体性能。准确的前馈参数是前馈补偿环节提升性能的关键，实际应用中，无刷双馈电机的前馈参数存在未知或受运行状态改变而与初始值出现偏差的情况，因此为保证工业应用的自适应性需对和控制系统的高效性，需对前馈参数进行在线参数辨识，以及时获取或修正控制系统中的前馈参数。

目前，国内外关于在线参数辨识的研究对象主要为永磁同步电机，常用模型参考自适应法及神经网络等人工智能方法。例如，现有技术中，针对永磁同步电机的电机电感、定子电阻和转子磁链，利用电机d轴电流注入前后的电压偏差，基于自适应原理与最小均方算法设计神经网络控制器，实现多参数的解耦在线辨识。该类在线参数辨识方法基于永磁同步电机特性，算法简单、所需计算时间短，受外界因素影响小、鲁棒性好。但无刷双馈电机在结构、特性上均与永磁同步电机存在差异，控制系统所需参数也不同，因此难以沿用永磁同步电机的在线参数辨识方法。

针对与无刷双馈电机结构、特性相近的异步电机和有刷双馈电机，目前也有在线参数辨识的相关研究。现有技术中提到，一种正常运行工况下，基于模型参考自适应控制，对比计算和测得的转子磁链获得异步电机互感参数的方法；另一现有技术提出了一种采样定转子电压电流和转速信号、代入电机dq坐标系下最小二乘法标准形式中，运用反复采样和迭代计算，实现有刷双馈电机在线参数辨识的方法。以上两种方法的计算过程简单、响应迅速，工程实用性好。但无刷双馈电机的数学模型比以上两种电机更复杂，控制系统涉及参数也更多，采用相同方法时复杂程度明显提升，因此也难以沿用两者的辨识方法。

关于无刷双馈电机的参数辨识，目前主要为离线辨识方法，现有技术提出了一种基于无刷双馈电机等效电路，在不同电机模式下利用转子堵转、定子绕组空载或开路等工况的实验数据，进行转矩-转速特性拟合以提取电机参数的方法；现有技术提出了基于匝比、节距等电机结构参数计算得到电机参数的方法。

以上两种方法均基于获取电机参数的常规思路，简单直观，适用于各种无刷双馈电机，但存在些许不足：对电机定转子绕组和实验台架接线改动较多，在空间狭窄的应用场合不便实施；要求充分的无刷双馈电机结构先验知识和准确的电机结构参数，信息不完善时无法进行辨识；需先获取电机电感参数再经计算间接获得前馈参数，中间过程可能引入误差；参数辨识与控制系统相对独立，未充分利用控制系统的结构特点。且离线参数辨识方法一般仅提供前馈参数初始值，当实际运行中前馈参数受工况影响发生变化时，无法及时修正，难以继续保证较好的控制精度和性能。

针对由于电机结构、特性、控制所需参数的不同，永磁同步电机、异步电机等的相关在线参数辨识方法无法沿用到无刷双馈电机独立运行应用中，且无刷双馈电机现有参数辨识方法多为离线辨识方法，需掌握充分的电机结构知识及详细结构参数信息，或多次改动无刷双馈电机绕组及其台架，且需要通过提取电感电阻参数间接计算得到前馈参数，辨识过程未充分利用控制系统结构特点等不足。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供了一种无刷双馈电机的控制系统，旨在解决现有的无刷双馈电机控制系统中未考虑前馈环节中前馈参数识别的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种无刷双馈电机的控制系统，包括：

用于输出电压指令值的d轴分量的d轴控制结构及用于输出电压指令值的q轴分量的q轴控制结构；

d轴控制结构包括第一PI控制器、第一比例控制器、第二比例控制器、第一微分控制器、第一叠加器以及第二叠加器，第一比例控制器的输出端、第二比例控制器的输出端以及第一微分控制器的输出端依次同第一叠加器的三个输入端连接；第一PI控制器的输出端和第一叠加器的输出端依次同第二叠加器的两个输入端连接，第二叠加器的输出端作为d轴控制结构的输出端；

第一PI控制器用于对控制绕组电流的d轴分量和对控制绕组电流参考值的d轴分量进行PI控制，输出电压初始参考值的d轴分量；

第一比例控制器用于对控制绕组电流的q轴分量进行比例控制，输出第一d轴中间分量；

第二比例控制器用于对功率绕组电流的q轴分量进行比例控制，输出第二d轴中间分量；

第一微分控制器用于对功率绕组电流的d轴分量进行微分控制，输出第三d轴中间分量；

第一叠加器用于对第一d轴中间分量至第三d轴中间分量进行叠加处理输出电压参考值的d轴前馈量；

第二叠加器用于对电压参考值的d轴前馈量和电压初始参考值的d轴分量进行叠加处理输出电压指令值的d轴分量；

其中，第一比例控制器的比例参数为第一前馈参数与控制绕组的电量角频率之积，第二比例控制器的比例参数为第二前馈参数与控制绕组的电量角频率之积，第一微分控制器的微分参数为第二前馈参数。

优选地，q轴控制结构包括第二PI控制器、第三比例控制器、第四比例控制器、第二微分控制器、第三叠加器以及第四叠加器，第三比例控制器的输出端、第四比例控制器的输出端以及第二微分控制器的输出端依次同第三叠加器的三个输入端连接；第二PI控制器的输出端和第三叠加器的输出端依次同第四叠加器的两个输入端连接，第四叠加器的输出端作为q轴控制结构的输出端；

第二PI控制器用于对控制绕组电流的q轴分量和对控制绕组电流参考值的q轴分量进行PI控制，输出电压初始参考值的q轴分量；

第三比例控制器用于对控制绕组电流的d轴分量进行比例控制，输出第一q轴中间分量；

第四比例控制器用于对功率绕组电流的d轴分量进行比例控制，输出第二q轴中间分量；

第二微分控制器用于对功率绕组电流的q轴分量进行微分控制，输出第三q轴中间分量；

第三叠加器用于对第一q轴中间分量至第三q轴中间分量进行叠加处理获得电压参考值的q轴前馈量；

第四叠加器用于对电压参考值的q轴前馈量和电压初始参考值的q轴分量进行叠加处理获得电压指令值的q轴分量；

其中，第三比例控制器的比例参数为第一前馈参数与控制绕组的电量角频率之积，第四比例控制器的比例参数为第二前馈参数与控制绕组的电量角频率之积，第二微分控制器的微分参数为第二前馈参数。

优选地，无刷双馈电机的控制系统还包括：依次连接的坐标变换器、脉冲调制模块以及电机变换器，其中，坐标变换器用于将控制绕组电压的q分量参考值d分量参考值坐进行Park反变换，得到控制绕组电压的三相参考值。脉冲调制模块用于将控制绕组电压的三相参考值进行调制处理输出驱动信号，驱动信号用于驱动电机变换器产生所需的控制绕组三相电压，实现控制绕组电流dq分量对控制绕组电流参考值的闭环跟踪。

作为本发明的另一方面，本发明提供的无刷双馈电机的前馈控制方法，旨在解决现有的前馈控制方法中未考虑前馈环节中前馈参数识别的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种无刷双馈电机的前馈控制方法，包括如下步骤：

步骤1：对控制绕组电流的d轴分量和对控制绕组电流参考值的d轴分量进行PI控制，获得电压初始参考值的d轴分量；

对控制绕组电流的q轴分量和对控制绕组电流参考值的q轴分量进行PI控制，获得电压初始参考值的q轴分量；

步骤2：对控制绕组电流的q轴分量进行比例控制输出第一d轴中间分量；对功率绕组电流的q轴分量进行比例控制输出第二d轴中间分量；对功率绕组电流的d轴分量进行微分控制输出第三d轴中间分量；通过对第一d轴中间分量至第三d轴中间分量进行叠加处理获得电压参考值的d轴前馈量；

对控制绕组电流的d轴分量进行比例控制输出第一q轴中间分量；对功率绕组电流的d轴分量进行比例控制输出第二q轴中间分量；对功率绕组电流的q轴分量进行微分控制输出第三q轴中间分量；对第一q轴中间分量至第三q轴中间分量进行叠加处理获得电压参考值的q轴前馈量；

步骤3：将电压初始参考值的d轴分量和电压参考值的d轴前馈量进行叠加处理，得到参考电压指令值的d轴分量；将电压初始参考值的q轴分量和电压参考值的q轴前馈量进行叠加处理，得到参考电压指令值的q轴分量。

优选地，前馈控制方法还包括如下步骤：

步骤4：对参考电压指令值的d轴分量和参考电压指令值的q轴分量进行坐标变换获得参考相电压指令值；

步骤5：对参考相电压指令值进行脉冲调制处理获得驱动信号，驱动信号用于控制无刷双馈电机的变换器，使无刷电机的控制绕组电流为控制绕组电流的参考值。

优选地，参考电压前馈d轴分量的表达式为f_d＝K_f1ω_ci_cq-sK_f2i_pd-K_f2ω_ci_pq；

其中，K_f1为第一前馈参数，ω_c为控制绕组电量角频率，i_cq为控制绕组电流q轴分量，K_f2为第二前馈参数，s为拉普拉斯算子，i_pd为功率绕组电流d轴分量，i_pq为功率绕组电流q轴分量。

优选地，参考电压前馈q轴分量的表达式为f_q＝-K_f1ω_ci_cd-sK_f2i_pq+K_f2ω_ci_pd；其中，i_cd表示控制绕组电流d轴分量。

作为本发明提供的另一方面，本发明提供的无刷双馈电机的参数识别方法，旨在解决现有的无刷双馈电机参数辨识方法需要知晓电机结构知识及详细结构参数、台架与接线改动较多、未充分结合控制器结构特点及未知准确前馈参数导致控制系统无法实现准确前馈补偿、无刷双馈电机输出控制绕组电流无法实现精确闭环控制的技术问题，且既可作为离线参数辨识方法也可作为在线参数辨识方法。

为实现上述目的，本发明提供一种无刷双馈电机的参数识别方法，包括如下步骤：

步骤1：设置控制系统中第一前馈参数和第二前馈参数均为零，并设置控制系统的控制绕组电流参考值d轴分量为直流分量和第i次检测交流分量之和、控制绕组电流参考值q轴分量为零获得控制系统的第i次检测电压指令值；

获得无刷双馈电机接收控制系统输出第i次检测电压指令值，且无刷双馈电机空载运行且非同步转速下的控制绕组电流d轴分量，记为第i次控制绕组检测电流；

根据无刷双馈电机的第i次控制绕组检测电流和控制绕组电流参考值d轴分量获得第i次检测电流误差值；

步骤2：判断检测次序i是否大于检测总次数，若是，将最大检测电流误差值对应的控制绕组电流参考值d轴分量中交流分量的频率作为第一准确前馈频率，并根据第一准确前馈频率获得准确交流分量，进入步骤3；否则，调整控制绕组电流参考值d轴分量中检测交流分量的频率，获得第i+1次检测交流分量，并令i＝i+1，并进入步骤1；

步骤3：设置控制系统中第二前馈参数为零，设置控制系统中第一前馈参数为第j次观察的第一前馈参数，并设置控制系统的控制绕组电流参考值d轴分量为直流分量和准确交流分量之和、控制绕组电流参考值q轴分量为零，获得控制系统的第j次观测电压指令值；

获得无刷双馈电机接收控制系统输出第j次观测电压指令值，且无刷双馈电机空载运行且非同步转速下的控制绕组电流d轴分量，记为第j次控制绕组观测电流；

根据无刷双馈电机的第j次控制绕组观测电流和控制绕组电流参考值d轴分量获得第j次观测电流误差值；

步骤4：判断观测次序j是否大于观测总次数，若是，将最小观测电流误差值对应的第一前馈参数作为第一准确前馈参数；否则，调整第一前馈参数，获得第j+1次观察的第一前馈参数，并令j＝j+1，并进入步骤3。

优选地，还包括如下步骤：

步骤5：设置控制系统中第一前馈参数为第一准确前馈参数，设置控制系统中第二前馈参数为零，并设置控制系统的控制绕组电流参考值d轴分量为直流分量和第i次检测交流分量之和、控制绕组电流参考值q轴分量为零，获得控制系统的第i次检测电压指令值；

获得无刷双馈电机接收控制系统输出第i次检测电压指令值，且无刷双馈电机带载运行且非同步转速下的控制绕组电流q轴分量，记为第i次控制绕组检测电流；

根据无刷双馈电机的第i次控制绕组检测电流和控制绕组电流参考值q轴分量获得第i次检测电流误差值；

步骤6：判断检测次序i是否大于检测总次数；若是，将最大检测电流误差值对应的控制绕组电流参考值d轴分量中交流分量的频率作为第二准确前馈频率，并根据二准确前馈频率获得准确交流分量，进入步骤7；否则，调整控制绕组电流参考值d轴分量中交流分量的频率，获得第i+1次检测交流分量，并令i＝i+1，并进入步骤5；

步骤7：设置控制系统中第一前馈参数为第一准确前馈参数，设置控制系统中第二前馈参数为第j次检测的第二前馈参数，并设置控制系统的控制绕组电流参考值d轴分量为直流分量和准确交流分量之和、控制绕组电流参考值q轴分量为零，获得控制系统的第j次观测电压指令值；

获得无刷双馈电机接收控制系统输出第j次观测电压指令值，且无刷双馈电机带载运行且非同步转速下的控制绕组电流q轴分量，记为第j次控制绕组观测电流；

根据无刷双馈电机的第j次控制绕组观测电流和控制绕组电流参考值q轴分量获得第j次观测电流误差值；

步骤8：判断观测次序j是否大于观测总次数；若是，将最小观测电流误差值对应的第二前馈参数作为第二准确前馈参数；否则，调整第二前馈参数，获得第j+1次观测的第二前馈参数，并令j＝j+1，并进入步骤7。

作为本发明的另一方面，本发明提供一种控制系统的参数辨识方法，包括如下步骤：

设置控制系统中第一前馈参数和第二前馈参数均为零，并设置控制系统的控制绕组电流参考值d轴分量为直流分量、控制绕组电流参考值q轴分量为零获得控制系统的电压指令值；

获得无刷双馈电机接收控制系统输出电压指令值，且无刷双馈电机空载运行且非同步转速下的功率绕组电压和功率绕组电流角频率；

根据功率绕组电压和功率绕组电流角频率获得第二前馈参数。

优选地，包括如下步骤：

设置控制系统中第一前馈参数和第二前馈参数均为零，并设置控制系统的控制绕组电流参考值d轴分量为直流分量、控制绕组电流参考值q轴分量为零获得控制系统的电压指令值；

获得无刷双馈电机接收控制系统输出电压指令值，且无刷双馈电机带载运行且非同步转速下的功率绕组电压、功率绕组电流和功率绕组电流角频率；

根据功率绕组电压、功率绕组电流以及功率绕组电流角频率获得控制参数，控制参数用于包含电压外环和电流内环的控制系统中电压外环带宽和前馈分量确定。

优选地，根据公式获得第二前馈参数，其中，U_p为功率绕组电压幅值，为控制绕组电流参考值d轴分量。

优选地，根据公式获得控制参数，其中，R_o为阻性负载量，X_o为感性负载量，R_o与X_o为并联关系，若实际负载为串联关系、则计算并联等效值；i_pd为功率绕组电流的d轴分量，i_pq为功率绕组电流的q轴分量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的控制系统，通过第一比例控制器、第二比例控制器、第一微分控制器和第一叠加器，实现d轴控制结构上前馈量的引入，能够消除控制绕组电压的d轴分量同控制绕组电流的q轴分量、功率绕组电流的dq轴分量之间的耦合关系，使得控制绕组电压的d轴分量同控制绕组电流的d轴分量之间呈线性关系，q轴控制结构上采用相同处理，实现对无刷双馈电机控制绕组电流的精确闭环控制，同时，本申请提供的控制系统有效的集成现有的无刷双馈电机控制系统，降低控制系统的成本；

另外，由于第一比例控制器采集控制绕组电流，第二比例控制器和第一微分控制器采集功率绕组电流，且第一比例控制器的比例参数为第一前馈参数与控制绕组的电量角频率之积，第二比例控制器的比例参数为第二前馈参数与控制绕组的电量角频率之积，第一微分控制器的微分参数为第二前馈参数，可以利用空载工况对第一前馈参数进行识别，在对第一前馈参数识别后进一步对第二前馈参数识别，充分利用该控制系统，实现前馈环节前馈参数的分步识别。

2、本发明提供的前馈控制方法，电压参考值的d轴前馈量根据第一d轴中间分量至第三d轴中间分量，其中，第一d轴中间分量通过对控制绕组电流的q轴分量进行比例控制获得，第二d轴中间分量通过对功率绕组电流的q轴分量进行比例控制获得，第三d轴中间分量通过对功率绕组电流的d轴分量进行微分控制获得，第一d轴中间分量至第三d轴中间分量获取步骤同控制绕组电压中耦合分量相似，使得耦合分量对控制性能的影响被抵消，控制绕组电压的d轴分量同控制绕组电流的d轴分量之间呈线性关系，电压参考值的q轴前馈量采用相似处理，最终实现对无刷双馈电机控制绕组电流的精确闭环控制。

3、本发明提供的参数辨识方法，充分考虑无刷双馈电机的自身特性，且通过恰当设计步骤、运用无刷双馈电机的控制系统和带载工况等条件，降低辨识的复杂性，可实现无刷双馈电机在独立运行工况下的前馈参数的在线辨识，具有良好的工业应用自适应性；

4、本发明提供的参数辨识方法，直接辨识获得控制所需的前馈参数，无需先辨识得到电机的电感电阻参数再进行运算以间接获得前馈参数，避免中间过程引入误差；

5、本发明提供的参数辨识方法，仅需对控制程序和电机负载做适当调整，无需对电机绕组、台架接线等进行改变，便于在空间狭小等不便于改动台架的应用场合实施；

6、本发明提供的参数辨识方法，无需详细的电机结构先验知识及结构参数信息，且适用于各种类型的无刷双馈电机和各种工业应用，稍作改动还可用于无刷双馈并网发电系统的在线参数辨识，具有良好的通用性。

附图说明

图1为本发明提供的无刷双馈电机的控制系统结构示意图；

图2(a)为控制绕组电流在αβ坐标系和dq坐标系的关系示意图，图2(b)为控制绕组电流转化到控制绕组电流dq分量的原理图；

图3(a)为功率绕组电流在αβ坐标系和dq坐标系的关系示意图，图3(b)为功率绕组电流转化到控制绕组电流dq分量的原理图；

图4为本发明提供的第一前馈参数K_f1的在线辨识方法的流程图；

图5为本发明提供的第二前馈参数K_f2的第一种在线辨识方法的流程图；

图6为本发明中提供的控制系统中第一前馈参数不为零、第二前馈参数为零时和没有前馈环节时的两种控制系统驱动下，无刷双馈电机由空载切换至带载时控制绕组电流的d、q轴分量波形的控制效果对比图；

图7为本发明中提供的控制系统中第一前馈参数和第二前馈参数均不为零时和没有前馈环节时的两种控制系统驱动下，无刷双馈电机由带载切换至空载时控制绕组电流的d、q轴分量波形的控制效果对比图；

图8为本发明提供的参数识别方法获得第一前馈参数、第二前馈参数和控制参数设计的电流内环-电压外环双环控制器进行控制时，无刷双馈电机由空载切换至带载时功率绕组单相电压和单相电流的动态控制波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明在充分结合无刷双馈电机特性与控制器自适应的基础上，提出一种无刷双馈电机的控制系统和控制方法，该控制系统能够实现无刷双馈独立运行矢量控制系统的准确前馈补偿，实现电流内部复杂关系的解耦。本发明还提出一种实现简单、自适应性良好、适用于各种无刷双馈电机类型和独立运行工业应用场合的参数辨识方法。基于无刷双馈电机的基本特性和控制绕组电流闭环控制下的dq数学模型，通过向闭环参考值注入恰当交流信号，并以控制绕组电流的闭环控制现象为依据进行前馈参数辨识，以便直接获得前馈参数，进行前馈补偿控制、提升闭环控制性能。

下面以独立运行发电模式下的一台32kW绕线式转子结构的无刷双馈电机为例，并结合附图1～5对本发明的实施过程做进一步详述。

无刷双馈电机是一个非线性、强耦合、多变量的系统，为了简化分析，通常只考虑无刷双馈电机气隙基波磁场的作用，并假定：

1、不计定子和转子齿槽影响，定子内表面和转子外表面圆滑，气隙均匀；

2、不计铁磁材料饱和、磁滞、涡流的影响，参数线性化；

3、定子绕组和转子绕组产生的磁场中只考虑极对数p_p和极对数p_c基波的作用，忽略谐波磁场的影响。

当无刷双馈电机采用发电机惯例，根据坐标变换关系，可得双同步旋转dq坐标系下无刷双馈电机数学模型。其中，电压方程为：

式中：u_pd、u_pq、u_cd、u_cq分别为功率绕组、控制绕组的dq轴电压分量；i_pd、i_pq、i_cd、i_cq、i_rd、i_rq分别为功率绕组、控制绕组、转子绕组的dq轴电流分量；Ψ_pd、Ψ_pq、Ψ_cd、Ψ_cq、Ψ_rd、Ψ_rq分别为功率绕组、控制绕组、转子绕组的dq轴磁链分量；R_p、R_c、R_r分别为功率绕组、控制绕组、转子绕组的单相电阻值；ω_p为功率绕组电量角频率；Ω_m为转子的机械角频率；p_p、p_c分别为功率绕组与控制绕组的极对数；s为拉普拉斯算子。

磁链方程为：

式中：L_p、L_c、L_r分别为功率绕组、控制绕组、转子绕组的单相自感值；M_pr、M_cr分别为功率绕组与转子绕组、控制绕组与转子绕组的单相互感值。

电磁转矩方程为：

在双同步坐标系的数学模型中，功率绕组、控制绕组、转子绕组的dq坐标系分别以ω_p、(p_p+p_c)Ω_m﹣ω_p、ω_p﹣p_pΩ_m的电角速度在空间旋转。

图1为本发明提供的无刷双馈电机的控制系统结构示意图，该无刷双馈电机的控制系统包括d轴控制结构和q轴控制结构，其中，d轴控制结构用于输出电压指令值的d轴分量，q轴控制结构用于输出电压指令值的q轴分量。

d轴控制结构包括第一PI控制器(Proportion Integration controller，以下简称PI控制器)、第一比例控制器、第二比例控制器、第一微分控制器、第一叠加器以及第二叠加器，第一比例控制器的输出端、第二比例控制器的输出端以及第一微分控制器的输出端依次同第一叠加器的三个输入端连接；第一PI控制器的输出端和第一叠加器的输出端依次同第二叠加器的两个输入端连接，第二叠加器的输出端作为d轴控制结构的输出端。

第一PI控制器用于对控制绕组电流的d轴分量和对控制绕组电流参考值的d分量进行PI控制，输出电压初始参考值的d轴分量；即将控制绕组电流d轴分量i_cd与控制绕组电流d轴分量参考值i_cd ^*的误差输入d轴PI控制器；输出电压初始参考值的d轴分量PI_d。

第一比例控制器用于对控制绕组电流的q轴分量进行比例控制，输出第一d轴中间分量；第二比例控制器用于对功率绕组电流的q轴分量进行比例控制，输出第二d轴中间分量；第一微分控制器用于对功率绕组电流的d轴分量进行微分控制，输出第三d轴中间分量；其中，第一比例控制器的比例参数为第一前馈参数与控制绕组的电量角频率之积，第二比例控制器的比例参数为第二前馈参数与控制绕组的电量角频率之积，第一微分控制器的微分参数为第二前馈参数。

第一叠加器用于对第一d轴中间分量至第三d轴中间分量进行叠加处理输出电压参考值的d轴前馈量f_d；其中，第一d轴中间分量为正分量，第二d轴中间分量和第三d轴中间分量均为负分量。

第二叠加器用于对电压参考值的d轴前馈量和电压初始参考值的d轴分量进行叠加处理输出电压指令值。即将第一PI控制器输出电压初始参考值的d轴分量PI_d叠加d轴前馈补偿环节的输出f_d，得到控制绕组电压参考值的d轴分量u_cd ^*。

q轴控制结构包括第二PI控制器、第三比例控制器、第四比例控制器、第二微分控制器、第三叠加器以及第四叠加器，第三比例控制器的输出端、第四比例控制器的输出端以及第二微分控制器的输出端依次同第三叠加器的三个输入端连接；第二PI控制器的输出端和第三叠加器的输出端依次同第四叠加器的两个输入端连接，第四叠加器的输出端作为q轴控制结构的输出端；

第二PI控制器用于对控制绕组电流的q轴分量和对控制绕组电流参考值的q轴分量进行PI控制，输出电压初始参考值的q轴分量；即将控制绕组电流q轴分量i_cq与控制绕组电流q轴分量参考值i_cq ^*的误差输入q轴PI控制器；输出电压初始参考值的q轴分量PI_q。

第三比例控制器用于对控制绕组电流的d轴分量进行比例控制，输出第一q轴中间分量；第四比例控制器用于对功率绕组电流的d轴分量进行比例控制，输出第二q轴中间分量；第二微分控制器用于对功率绕组电流的q轴分量进行微分控制，输出第三q轴中间分量；第三比例控制器的比例参数为第一前馈参数与控制绕组的电量角频率之积，第四比例控制器的比例参数为第二前馈参数与控制绕组的电量角频率之积，第二微分控制器的微分参数为第二前馈参数。

第三叠加器用于对第一q轴中间分量至第三q轴中间分量进行叠加处理获得电压参考值的q轴前馈量f_q；其中，第二q轴中间分量为正分量，第一q轴中间分量和第三q轴中间分量为负分量。

第四叠加器用于对电压参考值的q轴前馈量和电压初始参考值的q轴分量进行叠加处理获得电压指令值。即将第二PI控制器的输出电压初始参考值的q轴分量PI_q和叠加q轴前馈补偿环节的输出f_q，得到控制绕组电压的q轴分量参考值u_cq ^*。

本发明提供的无刷双馈电机的控制系统，还包括依次连接的坐标变换器、脉冲宽度调制模块以及电机变换器，控制绕组电压的q轴分量参考值u_cq ^*和控制绕组电压的d轴分量参考值u_cd ^*经坐标变换器进行Park反变换，得到控制绕组电压的三相参考值u_ca ^*、u_cb ^*、u_cc ^*；将u_ca ^*、u_cb ^*、u_cc ^*输入脉冲宽度调制模块，生成电机变换器的驱动信号，驱动电机变换器产生所需的控制绕组三相电压u_ca、u_cb、u_cc，实现控制绕组电流dq分量i_cd、i_cq对闭环参考值i_cd ^*、i_cq ^*的闭环跟踪。

根据上述无刷双馈电机的数学模型，各个电量之间存在着数学关系。本发明提供了一种无刷双馈电机的前馈控制方法，包括如下步骤：

步骤1：按图2(a)和图2(b)所示原理，检测控制绕组三相相电流i_ca、i_cb、i_cc，将控制绕组电流从静止三相ABC坐标系转换到统一参考dq坐标系下，得到控制绕组电流d轴分量i_cd和q轴分量i_cq，具体包括如下步骤：

(11)通过在转子上安装码盘，获得电机转子的机械角速度Ω_m；

(12)无刷双馈电机发出的功率绕组电流频率恒为50Hz，其角频率ω_p恒为常数100π rad/s。根据无刷双馈电机运行特性，将功率绕组极对数p_p、控制绕组极对数p_c、功率绕组的电流角频率100π rad/s、转子机械角速度Ω_m代入式(8)，得到控制绕组电流角频率ω_c：

ω_c＝(p_p+p_c)Ω_m-100π (8)

(13)将计算得到的ω_c输入积分环节，得到控制绕组电流变换到统一参考dq坐标系所需角度θ_c；s为拉普拉斯算子：

(14)检测控制绕组三相相电流i_ca、i_cb、i_cc，以θ_c作为坐标变换角、通过Park坐标变换，将控制绕组电流从静止ABC坐标转换到统一参考dq坐标系，得到分量控制绕组的d轴分量i_cd和控制绕组的q轴分量i_cq：

步骤2：按图3(a)和图3(b)所示原理，检测功率绕组三相相电流i_pa、i_pb、i_pc，将功率绕组电流从静止ABC坐标系转换统一参考dq坐标系下，得到功率绕组电流d轴分量i_pd和q轴分量i_pq，具体包括如下步骤：

(21)在无刷双馈电机转子上安装码盘，获得转子位置角θ_r；

(22)将功率绕组极对数p_p、控制绕组极对数p_c、步骤(1)中控制绕组坐标变换角θ_c、转子位置角θ_r代入式(11)，得到将功率绕组电流从静止ABC坐标转换到统一参考dq坐标系所用变换角θ_p：

θ_p＝(p_p+p_c)θ_r-θ_c (11)

(23)检测功率绕组三相相电流i_pa、i_pb、i_pc；以θ_p作为坐标变换角，通过Park坐标变换将功率绕组电流从静止ABC坐标转换到统一参考dq坐标系，得到分量i_pd、i_pq：

步骤3：根据上述控制绕组的d轴分量、q轴分量及功率绕组的d轴分量、q轴分量进行前馈控制，具体包括如下步骤：

(31)对控制绕组电流的d轴分量和对控制绕组电流参考值的d轴分量进行PI控制，获得电压初始参考值的d轴分量。对控制绕组电流的q轴分量和对控制绕组电流参考值的q轴分量进行PI控制，获得电压初始参考值的q轴分量。

即将控制绕组电流d轴分量i_cd与参考值i_cd ^*的差值(i_cd ^*﹣i_cd)输入d轴PI控制器，d轴PI控制器输出为PI_d；将控制绕组电流q轴分量i_cq与参考值i_cq ^*的差值(i_cq ^*﹣i_cq)输入q轴PI控制器，q轴PI控制器输出为PI_q。

根据设计经验设置d轴PI控制器的比例系数K_pd和积分系数K_id为较小值，为了防止电机出现失稳，q轴PI控制器比例系数K_pq和积分系数K_iq按式(13)取值，与d轴控制器参数对应相等：

K_pq＝K_pd K_iq＝K_id (13)

本发明提供的实施例中，K_pq＝K_pd＝1，K_iq＝K_id＝6。d轴PI控制器输出为q轴PI控制器输出为

(32)对控制绕组电流的q轴分量进行比例控制输出第一d轴中间分量；对功率绕组电流的q轴分量进行比例控制输出第二d轴中间分量；对功率绕组电流的d轴分量进行微分控制输出第三d轴中间分量；通过对第一d轴中间分量至第三d轴中间分量进行叠加处理获得电压参考值的d轴前馈量；

对控制绕组电流的d轴分量进行比例控制输出第一q轴中间分量；对功率绕组电流的d轴分量进行比例控制输出第二q轴中间分量；对功率绕组电流的q轴分量进行微分控制输出第三q轴中间分量；对第一q轴中间分量至第三q轴中间分量进行叠加处理获得电压参考值的q轴前馈量。

电压参考值的d轴前馈量的表达式为：

f_d＝K_f1ω_ci_cq-sK_f2i_pd-K_f2ω_ci_pq (14)

电压参考值的q轴前馈量的表达式为：

f_q＝-K_f1ω_ci_cd+K_f2ω_ci_pd-sK_f2i_pq (15)

其中，K_f1和K_f2为第一前馈参数、第二前馈参数，s为拉普拉斯算子，i_cd、i_cq、ω_c、i_pd、i_pq表示控制绕组电流d轴分量、控制绕组电流q轴分量、控制绕组的电量角频率、功率绕组电流d轴分量、功率绕组电流q轴分量。

(33)将电压初始参考值的d轴分量和电压参考值的d轴前馈量进行叠加处理，得到参考电压指令值的d轴分量；将电压初始参考值的q轴分量和电压参考值的q轴前馈量进行叠加处理，得到参考电压指令值的q轴分量。

即叠加电压初始参考值的d轴分量PI_d和电压参考值的d轴前馈量f_d，得到(PI_d+f_d)作为控制绕组电压的d轴参考值u_cd ^*；叠加电压初始参考值的q轴分量PI_q和电压初始参考值的q轴分量f_q，得到(PI_q+f_q)作为控制绕组电压的q轴参考值u_cq ^*。

本申请实施例中，控制绕组电压d轴参考值u_cd ^*、q轴参考值u_cq ^*表示式为：

(34)利用中θ_c，将u_cd ^*、u_cq ^*经Park反变换，得控制绕组电压的三相参考值u_ca ^*、u_cb ^*、u_cc ^*：

将u_ca ^*、u_cb ^*、u_cc ^*送入脉冲宽度调制模块，得到机侧变换器的开关驱动信号，用该信号驱动变换器，使其输出相应的控制绕组三相相电压u_ca、u_cb、u_cc，将该电压施加在无刷双馈电机的控制绕组上以实现对无刷双馈电机控制绕组电流的闭环控制。

无刷双馈电机数学模型内部存在式(18)数学关系：

其中，R_c为无刷双馈电机控制绕组的单相电阻，A₁、A₂为与电机电感相关的参数，u_cd、u_cq分别为控制绕组的dq轴电压分量。

本发明提供的无刷双馈电机的前馈控制方法，引入的电压参考值的d轴前馈量结构与控制绕组的d轴电压分量中存在耦合关系分量结构相似，引入的电压参考值的q轴前馈量结构与控制绕组的q轴电压分量中存在耦合关系分量结构相似，以消除耦合关系对控制的影响。将d、q轴控制绕组电流和控制绕组电压的关系转化为线性关系，实现对无刷双馈电机控制绕组电流的高性能闭环控制。

如图4所示，本发明提供的第一前馈参数辨识方法，包括如下步骤：

步骤1：采用本发明提供的无刷双馈电机的控制系统，令无刷双馈电机运行于空载工况且转速在除同步转速Ω₀以外的任意转速下，并设置无刷双馈电机的控制系统中第一前馈参数K_f1和第二前馈参数K_f2为零，即设置K_f1＝K_f2＝0。

其中，刷双馈电机的同步转速Ω₀定义为

在本发明提供的实施例中，令无刷双馈电机运行于空载、转速400转/分工况下，且令K_f1＝K_f2＝0，此时，d轴前馈量f_d和q轴前馈量f_q均为零，f_d＝f_q＝0。

设置控制绕组电流d轴分量参考值i_cd ^*和q轴分量参考值i_cq ^*：其中，控制绕组电流q轴分量参考值i_cq ^*＝0；控制绕组电流d轴分量参考值i_cd ^*为直流成分I_cd ^*与交流成分I^*sin(ωt)的叠加，如式(19)所示：

其中，I_cd ^*与交流成分幅值I^*在不超过控制器限流的前提下可取任意常数，t为时间，ω为角频率。

交流成分中角频率按照指定间隔进行设置，实现不同控制绕组电流的d轴分量参考值的输入，即角频率ω按式(20)设置：

ω＝Δω₁·(i-1) (20)

其中，i表示闭环控制观察次序，i＝1,2,3…n，n为总观察次数，Δω₁为角频率单位增量。

通过检测在不同控制绕组电流的d轴分量参考值i_cd ^*下控制绕组电流的d轴分量，获得控制绕组电流d轴分量参考值和控制绕组电流的d轴分量差值，并将最大差值对应的控制绕组电流的d轴分量参考值中交流成分角频率作为第一准确角频率。

本发明提供的实施例中，设置控制绕组电流q轴分量参考值i_cq ^*＝0；控制绕组电流d轴分量参考值i_cd ^*为直流成分10A与交流成分6sin(ωt)A的叠加，且交流成分的角频率ω按公式ω＝(i-1)设置，因此i_cd ^*的表达式为：则控制绕组电压d、q轴给定u_cd ^*、u_cq ^*分别为：

令i从1开始，逐次在控制系统实现稳定闭环控制后，记录第i次闭环控制时的和对应角频率ω，直到n次观察结束。

其中，为控制绕组电流的d轴分量i_cd波形交流成分的幅值I_cd与控制绕组电流的d轴分量参考值i_cd ^*交流成分幅值I^*的误差绝对值，

筛选出n次结果中最大值的对应角频率ω，记为第一准确角频率ω₁。

观察次数设置为10次，控制绕组电流的d轴分量参考值i_cd ^*交流成分幅值I为6A。

令i从1增大到10，每次增大1，计算第i次闭环控制下由示波器观察得到的控制绕组电流i_cd波形交流成分幅值I_cd与d轴分量参考值i_cd ^*交流成分幅值6A的误差绝对值

逐次记录与相应ω。当10次观察结束后，筛选得到记录结果中最大值所对应的交流成分角频率ω＝2rad/s，记ω₁＝2rad/s；

步骤2：采用本发明提供的无刷双馈电机的控制系统，令无刷双馈电机运行于空载、且转速在除同步转速Ω₀以外的任意转速下，设置第二前馈参数K_f2＝0，控制绕组电流q轴分量参考值i_cq ^*＝0；控制绕组电流d轴分量参考值i_cd ^*按式(23)设置：

第一前馈参数K_f1按式(24)设置：

K_f1＝ΔK_f1·(j-1) (24)

其中，j表示第j次闭环控制观察，j＝1,2,3…m，m为总观察次数，ΔK_f1为单位增量。

令j从1开始，逐次在控制系统实现稳定闭环控制后，按式(22)计算并记录第j次闭环控制时的和对应K_f1数值，直到m次观察结束。筛选出m次结果中最小值的对应K_f1，即为控制系统所需第一前馈参数K_f1的准确值。

在本发明提供的实施例中，令无刷双馈电机运行于空载、转速400转/分工况下；令K_f2＝0，K_f1按式(25)设置

K_f1＝0.004(j-1) (25)

其中，j表示第j次闭环控制与观察。

此时前馈量f_d、f_q分别为：

f_d＝0.004(j-1)ω_ci_cq f_q＝-0.004(j-1)ω_ci_cd (26)

以ω₁＝2rad/s作为i_cd ^*交流成分的角频率，设置i_cd ^*为直流成分10A与交流成分6sin(2t)的叠加：

则控制绕组电压d、q轴给定u_cd ^*、u_cq ^*分别为：

观察次数设置为15次，控制绕组电流的d轴分量参考值i_cd ^*交流成分幅值I为6A。令j从1增大到15，计算第j次闭环控制下由示波器观察得到的i_cd波形交流成分幅值I_cd与d轴分量参考值i_cd ^*交流成分幅值6A的误差绝对值

逐次记录和对应的K_f1数值。当15次观察结束，筛选得到记录的结果中最小值所对应的K_f1＝0.036，因此控制系统所需第一前馈参数K_f1的准确值即为0.036。

本发明提供的第一前馈参数辨识方法，设置控制电流d轴参考值i_cd ^*为直流成分与交流成分的叠加，并以角频率单位增量Δω₁逐次改变i_cd ^*中交流成分的角频率，观察并记录i_cd波形交流成分幅值与i_cd ^*交流成分幅值的误差绝对值对应交流成分角频率。n次观察结束后，筛选出n次结果中最大值所对应角的交流成分角频率，记为ω₁；

以ω₁重新设置参考值i_cd ^*中的交流成分角频率后，以单位增量ΔK_f1逐次改变前馈参数K_f1，同时记录对应K_f1。m次观察结束后，筛选出m次结果中最小值所对应K_f1，即为准确前馈所需的第一前馈参数K_f1，记为第一准确前馈参数。

在简单的控制绕组电流闭环控制下，利用前馈补偿环节中的前馈参数在不同取值时控制绕组电流跟踪其参考值的现象差异，结合简单的数学计算，实现无刷双馈电机在独立运行工况下的前馈参数在线辨识。

如图5所示，本发明提供的第二前馈参数的第一种参数辨识方法，包括如下步骤：

步骤1：采用本发明提供的无刷双馈电机的控制系统，令无刷双馈电机运行于在不超过额定负载的任意带载工况和同步速Ω₀以外的任意转速下，设置第一前馈参数K_f1为第一准确前馈参数，第二前馈参数为零，即K_f2＝0。

在本发明提供的实施例中，令无刷双馈电机带载8kW三相负载、运行于转速400转/分工况下。令K_f1＝0.036，K_f2＝0，此时前馈量f_d、f_q为：

f_d＝0.036ω_ci_cq f_q＝-0.036ω_ci_cd (30)

设置控制绕组电流q轴分量参考值i_cq ^*＝0；控制绕组电流d轴分量参考值i_cd ^*为直流成分I_cd ^*与交流成分I^*sin(ωt)的叠加，如公式(31)所示：

其中，I_cd ^*与交流成分幅值I^*在不超过控制器限流的前提下可取任意常数，t为时间，ω为角频率。

交流成分中角频率按照指定间隔进行设置，实现不同控制绕组电流的d轴分量参考值的输入，即角频率ω按式(32)设置：

ω＝Δω₂·(k-1) (32)

其中，k表示闭环控制观察次序，k＝1,2,3…p，p为总观察次数，Δω₂为角频率单位增量。

在本发明提供的实施例中，设置控制绕组电流q轴分量参考值i_cq ^*＝0；控制绕组电流d轴分量参考值i_cd ^*为直流成分10A与交流成分6sin(ωt)A的叠加。

交流成分的角频率ω按式(33)设置：

ω＝0.05(k-1) (33)

因此控制绕组电流d轴分量参考值i_cd ^*按式(34)设置：

控制绕组电压d、q轴给定u_cd ^*、u_cq ^*分别为：

令k从1开始，逐次在控制系统实现稳定闭环控制后，记录第k次闭环控制时的和对应角频率ω，直到p次观察结束。

其中，为i_cq波形交流成分幅值I_cq与0的误差绝对值，

筛选出p次结果中最大值的对应角频率ω，记为ω₂。

设置闭环控制观察次数p为15，令k从1增大到15，每次增大为1，计算第k次闭环控制下由示波器观察得到的i_cq波形交流成分幅值I_cq与0的误差绝对值

逐次记录与相应ω，当15次观察结束后，筛选得到记录结果中最大值所对应的交流成分角频率ω＝0.35rad/s，记ω₂＝0.35rad/s。

步骤2：采用本发明提供的无刷双馈电机的控制系统，设置第一前馈参数K_f1为第一准确前馈参数，i_cq ^*＝0；i_cd ^*按式(36)设置：

第二前馈参数K_f2按式(37)设置：

K_f2＝ΔK_f2·(l-1) (37)

其中，l表示闭环控制观察次数，l＝1,2,3…q，q为总观察次数，ΔK_f2为单位增量。

在本发明提供的实施例中，采用本发明提供的无刷双馈电机的控制系统，令无刷双馈电机带载8kW三相负载、运行于转速400转/分工况下。令K_f1＝0.036，K_f2按式(38)设置：

K_f2＝0.002(l-1) (38)

其中，l表示第l次闭环控制观察次数。

此时前馈量f_d、f_q为：

以ω₂＝0.35rad/s作为i_cd ^*交流成分的角频率，设置i_cd ^*为直流成分10A与交流成分6sin(0.35t)的叠加：

控制绕组电压d、q轴给定u_cd ^*、u_cq ^*分别为：

令l从1开始，在控制系统实现稳定闭环控制后，逐次记录第l次闭环控制与观察时的和对应K_f2数值，直到q次观察结束。筛选出q次结果中最小值的对应K_f2，即为控制系统所需前馈参数K_f2的准确值。

本发明提供的实施例中，设置闭环控制观察次数q为20，令l从1增大到20，每次增大1，计算第l次闭环控制下由示波器观察得到的i_cq波形幅值I_cq与0的误差绝对值

逐次记录与相应K_f2。当20次观察结束后，筛选得到记录结果中最小值所对应的K_f2＝0.026，因此控制系统所需前馈参数K_f2的准确值即为0.026。

本发明提供的参数辨识方法中，令无刷双馈电机运行于带载工况，将各个电量dq分量和获得的第一前馈参数的K_f1准确值代入控制系统中，设置控制电流d轴参考值i_cd ^*为直流成分与交流成分的叠加，并以角频率单位增量Δω₂逐次改变交流成分角频率，观察并记录i_cq波形幅值与0的误差绝对值对应交流成分角频率。p次观察结束后，筛选出p次结果中最大值所对应角的交流成分角频率，记为ω₂。

以ω₂重新设置参考值i_cd ^*中的交流成分角频率后，以单位增量ΔK_f2逐次改变前馈参数K_f2，同时记录对应K_f2。q次观察结束后，筛选出q次结果中最小值所对应K_f2，即为准确前馈所需K_f2。

在第二前馈参数的辨识中再次寻找合适的控制绕组电流d轴给定的交流成分的角频率，能够提高第二前馈参数的识别精度。

本发明提供的第二前馈参数的第二种参数辨识方法，包括如下步骤：

步骤1：采用本发明提供的无刷双馈电机的控制系统，且前馈补偿环节不工作，则有f_d＝f_q＝0。

令无刷双馈电机工作于空载工况、Ω₀以外的任意转速下，控制绕组电流d轴参考值i_cd ^*设置为任意不超过变换器限流的常数I_c ^*，设置控制绕组电流d、q轴分量参考值i_cd ^*、i_cq ^*如下：

步骤2：电机稳定运行、实现闭环控制后，采样功率绕组电压幅值U_p、控制绕组电流d轴分量i_cd计算得到控制系统前馈补偿所需的前馈参数K_f2准确值：

当电机实现稳定闭环控制后，通过闭环控制实现了控制绕组电流对其给定I_c ^*的跟踪，此时步骤1所得控制绕组电流d轴分量参考值i_cd＝I_c ^*，q轴分量i_cq＝0；由于处于空载工况，因此步骤2所得功率绕组电流dq分量均为0。此时电机内部功率绕组电压幅值U_p与i_cd的数学关系简化为：

因此，可以根据功率绕组电压幅值、控制绕组电流d轴分量参考值及功率绕组电量角频率获得第二前馈参数。

无刷双馈电机内部电量间存在式(45)所示关系：

其中，s为拉普拉斯算子，u_pd、u_pq分别为功率绕组电压的d、q分量，i_pd、i_pq分别为功率绕组电流的d、q分量，i_cd、i_cq分别为控制绕组电流的d、q分量。

在无刷双馈独立运行发电系统中，式(45)常与无刷双馈电机模型、负载信息用于结合设计电压外环控制系统，而该式中除系统可测电压u_pd、u_pq，可测电流i_pd、i_pq、i_cd、i_cq外，还含有第一前馈参数K_f1和控制参数K_f3。在获得第一前馈参数K_f1准确值后，进一步辨识控制参数K_f3以便后续电压控制器的设计。

本发明提供的控制参数K_f3的在线辨识方法，包括如下步骤：

步骤1：采用本发明提供的无刷双馈电机的控制系统，且前馈补偿环节不工作，则有f_d＝f_q＝0。

令无刷双馈电机工作于带载工况、Ω₀以外的任意转速下，无刷双馈电机的负载为不超过额定负载的任意负载，且可表示为由阻性负载R_o与感性负载X_o并联组成的形式，控制绕组电流d轴参考值i_cd ^*设置为任意不超过变换器限流的常数I_c ^*，控制绕组电流q轴参考值i_cq ^*＝0。

本发明提供的实施例中，采用本发明提供的无刷双馈电机的控制系统，且前馈补偿环节不工作，f_d＝f_q＝0；令无刷双馈电机工作于转速400转/分、带载8kW三相负载工况下。

设置控制绕组电流d轴闭环给定i_cd ^*＝10A，控制绕组电流q轴闭环给定i_cq ^*＝0，则控制绕组电压d轴给定u_cd ^*和q轴给定u_cq ^*分别为：

步骤2：电机稳定运行、实现闭环控制后，由功率绕组电流dq分量i_pd、i_pq和负载信息R_o、X_o计算得到控制系统所需的前馈参数K_f3准确值：

当电机实现稳定闭环控制后，通过闭环控制实现了控制绕组电流对其给定的跟踪，此时控制绕组电流d轴分量i_cd＝I_c ^*，q轴分量i_cq＝0。此时电机内部功率绕组电流dq分量间的数学关系简化为：

根据公式(47)即可得到控制参数K_f3，该控制参数可以用于计算控制器带宽。

本发明提供的实施例中，实现稳定闭环控制后，利用功率绕组电流dq分量i_pd＝3.16A、i_pq＝3.88A，结合功率绕组电压/电流角频率100πrad/s和8kW阻性负载信息(R_o＝﹣18.15Ω，X_o等效为∞)代入式(47)，计算得到前馈控制所需的的准确前馈参数K_f3＝0.047。

该控制参数K_f3与第一前馈控制参数K_f1、第二前馈控制参数K_f2用于对包含电流内环和电压外环双环控制系统进行。其中，对包含电流内环和电压外环双环控制系统为在上述无刷双馈电机的控制系统输入端加入电压外环控制器构成，电压外环控制器对功率绕组电压幅值U_p进行闭环控制，令其维持为功率绕组电压幅值参考值U_p ^*，同时其输出作为控制绕组电流d轴分量参考值i_cd ^*提供给电流内环。

综上，利用获得的前馈参数K_f1、K_f2可实现无刷双馈独立运行矢量控制系统的准确前馈补偿，实现电流内部复杂关系的解耦；利用获得的控制参数K_f3可准确指导电压外环控制器带宽设计与相应前馈补偿等，提升系统的控制性能。

下面结合附图6～8给出本实例的电机参数和实验波形图。本实例由一台32kW绕线型转子无刷双馈电机、独立负载、背靠背型电力电子变换器以及使用本发明方法的控制器组成。

在无刷双馈电机发电运行在400转/分，并由根据上述参数辨识方法获得第一前馈参数K_f1、第二前馈参数K_f2并应用于上述控制系统进行控制，令控制绕组电流d、q轴分量的闭环给定分别为i_cd ^*＝10A、i_cq ^*＝0A。

为验证辨识所得第一前馈参数K_f1的准确性与前馈效果，图6给出了无刷双馈电机由空载投入16kW三相负载时，无前馈的电流闭环控制与采用本发明方法辨识获得前馈参数K_f1前馈补偿K_f1相关项的电流闭环控制两种情况下，控制绕组电流d、q分量i_cd、i_cq的动态波形对比结果。可以看到，采用辨识所得K_f1实现部分前馈补偿后，i_cd波形在投载瞬间的跌落与i_cq波形在投载瞬间的超调均明显减小，恢复稳定的速度明显加快，闭环控制性能得到提升。

已知准确第一前馈参数K_f1的基础上，进一步验证辨识所得第二前馈参数K_f2的准确性与前馈效果，如图7所示，无刷双馈电机在带载16kW三相负载时切到空载时，无前馈的电流闭环控制与采用本发明方法辨识获得第一前馈参数K_f1、第二前馈参数K_f2实现前馈补偿的电流闭环控制两种情况下，控制绕组电流d、q分量i_cd、i_cq的动态波形对比结果。可以看到，采用辨识所得K_f1、K_f2进行完全前馈补偿后，i_cd波形在投载瞬间的超调与i_cq波形在投载瞬间的跌落均明显减小，恢复稳定的速度明显加快，闭环控制性能在剧烈冲击下也得到提升。

在无刷双馈电机发电运行在400转/分，并由根据上述参数辨识方法获得第一前馈参数参数K_f1、第二前馈参数K_f2、控制参数K_f3设计的电流内环-电压外环双环控制器进行控制，功率绕组电压外环幅值给定U_p ^*＝311V。

图8给出了无刷双馈电机由空载投入16kW负载时，功率绕组单相电压u_pa和单相电流i_pa的动态控制波形，可以看到，在该双环控制系统的控制下，由空载突然投入负载时，功率绕组单相电压和单相电流u_pa和i_pa均能很快恢复稳定。

综上可得，使用本发明辨识方法可以获得准确前馈与电压外环设计所需要的控制参数，将其应用于独立运行控制系统可以明显提升系统的动态控制性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无刷双馈电机的控制系统，其特征在于，包括：用于输出电压指令值的d轴分量的d轴控制结构及用于输出电压指令值的q轴分量的q轴控制结构；

d轴控制结构包括第一PI控制器、第一比例控制器、第二比例控制器、第一微分控制器、第一叠加器以及第二叠加器，第一比例控制器的输出端、第二比例控制器的输出端以及第一微分控制器的输出端依次同第一叠加器的三个输入端连接；第一PI控制器的输出端和第一叠加器的输出端依次同第二叠加器的两个输入端连接，第二叠加器的输出端作为d轴控制结构的输出端；

第一PI控制器用于对控制绕组电流的d轴分量和对控制绕组电流参考值的d轴分量进行PI控制，输出电压初始参考值的d轴分量；

第一比例控制器用于对控制绕组电流的q轴分量进行比例控制，输出第一d轴中间分量；

第二比例控制器用于对功率绕组电流的q轴分量进行比例控制，输出第二d轴中间分量；

第一微分控制器用于对功率绕组电流的d轴分量进行微分控制，输出第三d轴中间分量；

第一叠加器用于对第一d轴中间分量至第三d轴中间分量进行叠加处理输出电压参考值的d轴前馈量；

第二叠加器用于对电压参考值的d轴前馈量和电压初始参考值的d轴分量进行叠加处理输出电压指令值的d轴分量；

其中，第一比例控制器的比例参数为第一前馈参数与控制绕组的电量角频率之积，第二比例控制器的比例参数为第二前馈参数与控制绕组的电量角频率之积，第一微分控制器的微分参数为第二前馈参数。

2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，q轴控制结构包括第二PI控制器、第三比例控制器、第四比例控制器、第二微分控制器、第三叠加器以及第四叠加器，第三比例控制器的输出端、第四比例控制器的输出端以及第二微分控制器的输出端依次同第三叠加器的三个输入端连接；第二PI控制器的输出端和第三叠加器的输出端依次同第四叠加器的两个输入端连接，第四叠加器的输出端作为q轴控制结构的输出端；

第二PI控制器用于对控制绕组电流的q轴分量和对控制绕组电流参考值的q轴分量进行PI控制，输出电压初始参考值的q轴分量；

第三比例控制器用于对控制绕组电流的d轴分量进行比例控制，输出第一q轴中间分量；

第四比例控制器用于对功率绕组电流的d轴分量进行比例控制，输出第二q轴中间分量；

第二微分控制器用于对功率绕组电流的q轴分量进行微分控制，输出第三q轴中间分量；

第三叠加器用于对第一q轴中间分量至第三q轴中间分量进行叠加处理获得电压参考值的q轴前馈量；

第四叠加器用于对电压参考值的q轴前馈量和电压初始参考值的q轴分量进行叠加处理获得电压指令值的q轴分量；

其中，第三比例控制器的比例参数为第一前馈参数与控制绕组的电量角频率之积，第四比例控制器的比例参数为第二前馈参数与控制绕组的电量角频率之积，第二微分控制器的微分参数为第二前馈参数。

3.一种基于权利要求1或2所述的控制系统的前馈控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对控制绕组电流的d轴分量和对控制绕组电流参考值的d轴分量进行PI控制，获得电压初始参考值的d轴分量；

对控制绕组电流的q轴分量和对控制绕组电流参考值的q轴分量进行PI控制，获得电压初始参考值的q轴分量；

步骤2：对控制绕组电流的q轴分量进行比例控制输出第一d轴中间分量；对功率绕组电流的q轴分量进行比例控制输出第二d轴中间分量；对功率绕组电流的d轴分量进行微分控制输出第三d轴中间分量；通过对第一d轴中间分量至第三d轴中间分量进行叠加处理获得电压参考值的d轴前馈量；

对控制绕组电流的d轴分量进行比例控制输出第一q轴中间分量；对功率绕组电流的d轴分量进行比例控制输出第二q轴中间分量；对功率绕组电流的q轴分量进行微分控制输出第三q轴中间分量；对第一q轴中间分量至第三q轴中间分量进行叠加处理获得电压参考值的q轴前馈量；

步骤3：将电压初始参考值的d轴分量和电压参考值的d轴前馈量进行叠加处理，得到参考电压指令值的d轴分量；将电压初始参考值的q轴分量和电压参考值的q轴前馈量进行叠加处理，得到参考电压指令值的q轴分量。

4.如权利要求3所述的前馈控制方法，其特征在于，前馈控制方法还包括如下步骤：

步骤4：对参考电压指令值的d轴分量和参考电压指令值的q轴分量进行坐标变换获得参考相电压指令值；

步骤5：对参考相电压指令值进行脉冲调制处理获得驱动信号，驱动信号用于控制无刷双馈电机的变换器，使无刷电机的控制绕组电流为控制绕组电流的参考值。

5.如权利要求3或4所述的前馈控制方法，其特征在于，参考电压前馈d轴分量的表达式为f_d＝K_f1ω_ci_cq-sK_f2i_pd-K_f2ω_ci_pq；

其中，K_f1为第一前馈参数，ω_c为控制绕组电流角频率，i_cq为控制绕组电流q轴分量，K_f2为第二前馈参数，s为拉普拉斯算子，i_pd为功率绕组电流d轴分量，i_pq为功率绕组电流q轴分量。

6.如权利要求3或5任一项所述的前馈控制方法，其特征在于，参考电压前馈q轴分量的表达式为f_q＝-K_f1ω_ci_cd-sK_f2i_pq+K_f2ω_ci_pd；其中，i_cd表示控制绕组电流d轴分量。

7.一种基于权利要求1所述的控制系统的参数辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：设置控制系统中第一前馈参数和第二前馈参数均为零，并设置控制系统的控制绕组电流参考值d轴分量为直流分量和第i次检测交流分量之和、控制绕组电流参考值q轴分量为零获得控制系统的第i次检测电压指令值；

获得无刷双馈电机接收控制系统输出第i次检测电压指令值，且无刷双馈电机空载运行且非同步转速下的控制绕组电流d轴分量，记为第i次控制绕组检测电流；

根据无刷双馈电机的第i次控制绕组检测电流和控制绕组电流参考值d轴分量获得第i次检测电流误差值；

步骤2：判断检测次序i是否大于检测总次数，若是，将最大检测电流误差值对应的控制绕组电流参考值d轴分量中交流分量的频率作为第一准确前馈频率，并根据第一准确前馈频率获得准确交流分量，进入步骤3；否则，调整控制绕组电流参考值d轴分量中检测交流分量的频率，获得第i+1次检测交流分量，并令i＝i+1，并进入步骤1；

步骤3：设置控制系统中第二前馈参数为零，设置控制系统中第一前馈参数为第j次观察的第一前馈参数，并设置控制系统的控制绕组电流参考值d轴分量为直流分量和准确交流分量之和、控制绕组电流参考值q轴分量为零，获得控制系统的第j次观测电压指令值；

获得无刷双馈电机接收控制系统输出第j次观测电压指令值，且无刷双馈电机空载运行且非同步转速下的控制绕组电流d轴分量，记为第j次控制绕组观测电流；

根据无刷双馈电机的第j次控制绕组观测电流和控制绕组电流参考值d轴分量获得第j次观测电流误差值；

步骤4：判断观测次序j是否大于观测总次数，若是，将最小观测电流误差值对应的第一前馈参数作为第一准确前馈参数；否则，调整第一前馈参数，获得第j+1次观察的第一前馈参数，并令j＝j+1，并进入步骤3。

8.如权利要求7所述的参数辨识方法，其特征在于，还包括如下步骤：

步骤5：设置控制系统中第一前馈参数为第一准确前馈参数，设置控制系统中第二前馈参数为零，并设置控制系统的控制绕组电流参考值d轴分量为直流分量和第i次检测交流分量之和、控制绕组电流参考值q轴分量为零，获得控制系统的第i次检测电压指令值；

获得无刷双馈电机接收控制系统输出第i次检测电压指令值，且无刷双馈电机带载运行且非同步转速下的控制绕组电流q轴分量，记为第i次控制绕组检测电流；

根据无刷双馈电机的第i次控制绕组检测电流和控制绕组电流参考值q轴分量获得第i次检测电流误差值；

步骤6：判断检测次序i是否大于检测总次数；若是，将最大检测电流误差值对应的控制绕组电流参考值d轴分量中交流分量的频率作为第二准确前馈频率，并根据二准确前馈频率获得准确交流分量，进入步骤7；否则，调整控制绕组电流参考值d轴分量中交流分量的频率，获得第i+1次检测交流分量，并令i＝i+1，并进入步骤5；

步骤7：设置控制系统中第一前馈参数为第一准确前馈参数，设置控制系统中第二前馈参数为第j次检测的第二前馈参数，并设置控制系统的控制绕组电流参考值d轴分量为直流分量和准确交流分量之和、控制绕组电流参考值q轴分量为零，获得控制系统的第j次观测电压指令值；

获得无刷双馈电机接收控制系统输出第j次观测电压指令值，且无刷双馈电机带载运行且非同步转速下的控制绕组电流q轴分量，记为第j次控制绕组观测电流；

根据无刷双馈电机的第j次控制绕组观测电流和控制绕组电流参考值q轴分量获得第j次观测电流误差值；

步骤8：判断观测次序j是否大于观测总次数；若是，将最小观测电流误差值对应的第二前馈参数作为第二准确前馈参数；否则，调整第二前馈参数，获得第j+1次观测的第二前馈参数，并令j＝j+1，并进入步骤7。

9.一种基于权利要求1所述的控制系统的参数辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：

设置控制系统中第一前馈参数和第二前馈参数均为零，并设置控制系统的控制绕组电流参考值d轴分量为直流分量、控制绕组电流参考值q轴分量为零获得控制系统的电压指令值；

获得无刷双馈电机接收控制系统输出电压指令值，且无刷双馈电机空载运行且非同步转速下的功率绕组电压和功率绕组电流角频率；

根据功率绕组电压和功率绕组电流角频率获得第二前馈参数。

10.一种基于权利要求1所述的控制系统的参数辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：

设置控制系统中第一前馈参数和第二前馈参数均为零，并设置控制系统的控制绕组电流参考值d轴分量为直流分量、控制绕组电流参考值q轴分量为零获得控制系统的电压指令值；

获得无刷双馈电机接收控制系统输出电压指令值，且无刷双馈电机带载运行且非同步转速下的功率绕组电压、功率绕组电流和功率绕组电流角频率；

根据功率绕组电压、功率绕组电流以及功率绕组电流角频率获得控制参数，控制参数用于包含电压外环和电流内环的控制系统中电压外环带宽和前馈分量确定。