CN108736789A

CN108736789A - 一种混合励磁同步电机的直接转矩控制方法

Info

Publication number: CN108736789A
Application number: CN201710252024.XA
Authority: CN
Inventors: 朱莲莉; 徐波; 夏义; 王邦兴; 云珂
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2018-11-02

Abstract

本发明公开了一种混合励磁同步电机的直接转矩控制方法，具体步骤为：1）采用混合励磁同步电机，获取转子的三相电流和三相电压；2）系统无位置检测装置，根据混合励磁同步电机输出的电流和电压信号，通过滑膜观测器确定转子的转速和位置角；3）根据滑膜观测器中得出的转速，利用PI调节得到转矩输出；4）将得到的转速、转矩和位置角作为电流滞环比较直接转矩控制模块的输入，得到定子的三相电源信号，输入混合励磁同步电机中。本发明选取的是混合励磁同步电机，具有永磁励磁和电励磁两种励磁源，既有机永磁同步电机的优点，又有电励磁同步电机的优点。同时，混合励磁同步电机十分适合于低速大转矩和宽调速领域的应用。

Description

一种混合励磁同步电机的直接转矩控制方法

技术领域

本发明属于电机领域，特别是一种涉及无位置传感器的混合励磁同步电机的直接转矩控制方法。

背景技术

混合励磁同步电机(Hybridexcitedsynchronousmachine，HESM)具有永磁励磁和电励磁两种励磁源，目标是有机结合永磁同步电机和电励磁同步电机的优点其中，永磁励磁部分提供主气隙磁场，电励磁部分主要用于调节气隙磁场，提高电机的带载和调速能力，所以混合励磁同步电机十分适合于低速大转矩和宽调速领域的应用。

目前为止，国内外诸多学者的研究方向和重也基本集中在混合励磁同步电机的拓化结构上，取得了比较丰硕的研究成果。而混合励磁同步电机控制技术的研巧相对比较滞后，文献和成果也不是很多，能够查到的相关参考文献大多以混合励磁同步电机矢量控制方法为主，主要包括：弱磁、最小铜巧等电流矢量控制策略。混合励磁同步电机控制方法和控制策略继续朝着实现简单方便、拓宽调速范围、增大输出转矩和功率、优化效率和提高可靠性等方向发展。

根据现有文献查阅的情况，目前还没有文章专门针对无位置传感器的混合励磁同步电机的直接转矩控制方法展开研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混合励磁同步电机的直接转矩控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种混合励磁同步电机的直接转矩控制方法，包括以下步骤：

步骤1、采用混合励磁同步电机，获取转子的三相电流i_ai_bi_c和三相电压u_au_bu_c；

步骤2、根据混合励磁同步电机输出的电流和电压信号，通过滑膜观测器确定转子的转速和位置角；

步骤3、根据滑膜观测器中得出的转速，利用PI调节得到转矩输出；

步骤4、将得到的转速、转矩和位置角作为电流滞环比较直接转矩控制模块的输入，得到定子的三相电源信号，输入混合励磁同步电机中，完成对电机的控制。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明选取的是混合励磁同步电机，具有永磁励磁和电励磁两种励磁源，既有机永磁同步电机的优点，又有电励磁同步电机的优点。同时，混合励磁同步电机十分适合于低速大转矩和宽调速领域的应用。2)本发明确定转子转速和位置角时采用滑膜观测器，避免了采用位置检测器件容易出现故障的问题，提高了驱动系统的可靠性和安全性。3)本发明采用的直接转矩控制是继矢量控制之后发展起来的另一种电机控制方法。直接转矩控制控制方式简单、转矩响应快、便于数字化实现、对参数变化和扰动不敏感。

附图说明

图1为混合励磁同步电机的直接转矩控制原理框图。

图2为滑膜变结构控制示意图。

图3为滑膜变运行轨迹示意图。

图4为三相静止坐标系和两相静止坐标系对应关系示意图。

图5为电流滞环比较直接转矩控制模块的系统框图。

图中：1为混合励磁同步电机，2为滑膜观测器，3为转速PI调节，4为电流滞环比较直接转矩控制。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明提供一种混合励磁同步电机的直接转矩控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1、采用混合励磁同步电机，获取转子的三相电流和三相电压；该步骤采用的是混合励磁同步电机，电机内存在两个磁势源，一个是由永磁体产生的，另一个是电励磁产生的。永磁体产生主磁通，电励磁产生辅助磁通，通过增磁与弱磁调节永磁体产生的磁通，由它们相互作用实现电磁能量转换。因此，HESM既保留了永磁同步电机与电励磁同步电机的优点，又克服了各自的缺点。

混合励磁同步电机工作可靠稳定，相对于永磁同步电机，气隙磁通调节方便，调速范围宽；同时，也减小了永磁体体积，节约了永磁体用量。由于利用了永磁体，所以混合励磁同步电机能够提供比电励磁同步电机更高的转矩密度与功率密度。混合励磁同步电机特别适合宽速度范围、输出电压稳定、调速范围大，以及转矩及功率大的场合。

根据混合励磁同步电机中永磁磁势和电励磁磁势在磁路上的相互作用关系，可将混合励磁同步电机分为串联磁势式SHESM和并联磁势式PHESM两大类。SHESM是指永磁磁势与电励磁磁势在磁路上呈串联关系的HESM，电励磁绕组产生的磁通要直接穿过永磁体，而永磁体的磁导率接近空气，磁阻大。因此，为了混合励磁运行，励磁绕组必须注入足够大的电流，这样就会产生一个很大的额外铜耗。同时，励磁绕组注入过大电流，有可能会使永磁体永久退磁。PHESM是指永磁磁势与电励磁磁势在磁路上呈并联关系的HESM。励磁绕组产生的磁通并不直接穿过永磁体，所以不存在退磁问题。相互并联的磁路结构，便于实现电机的增磁与弱磁运行，其弱磁能力优于SHESM。PHESM的永磁体设置也比较灵活，既可以放置在定子上，也可以在转子上，结构形式多样。

步骤2、系统无位置传感器根据混合励磁同步电机输出的电流和电压信号，通过滑膜观测器2确定转子的转速和位置角；滑模变结构控制是根据系统期望的动态特性设计系统的切换超平面，通过淆动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束。系统一旦到达切换超平面，控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点，这一沿切换超平面向原点滑动的过程称为滑模控制，是非线性控制系统分析与设计的一类普遍方法。

如图2，假设任意n维状态空间的非线性控制系统状态方程的数学模型为：

其中，x为系统输入状态变量，u为系统输入控制函数。

定义切换函数s(x)为：

s(x)＝s(x₁,x₂…x_n) s∈R^m (2)

系统输入控制函数u根据定义的切换函数s(x)，按照一定的切换规则在s(x)＝0构成的面上切换，即有：

式中，u⁺(x,t)、u^-(x,t)为变结构控制函数，u⁺(x,t)≠u^-(x,t)。为了满足抗干扰性和鲁棒性的要求，基于滑模变结构的控制系统必须满足以下条件：

(1)到达条件：控制系统的任一点将向滑模切面s(x)＝0方向靠近，即

(2)等效控制：理想的滑动模态是光滑的，存在条件s＝0，但实际应用中，由于延迟和空间滞后，使得滑模带有抖动，如图3所示。

根据理想滑动模态存在条件s＝0，可得：

对上式求解，如果u的解存在，称为系统在滑动模态区内可以求得等效控制函数。等效控制函数是指等效控制力，即强迫系统状态量沿着切换面s(x)运动，直到状态点达到其平衡稳定点。

步骤3、根据滑膜观测器中得出的转速，利用PI调节得到转矩输出；对由滑膜观测器输出的转速进行PI调节，输出电磁转矩的参考信号。PI调节器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例P和积分I通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。比例调节作用：按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。

积分调节作用：使系统消除稳态误差，提高无误差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。

步骤4、将得到的转速、转矩和位置角作为电流滞环比较直接转矩控制模块的输入，得到定子的三相电源信号，输入混合励磁同步电机中。

如图4所示，根据两相静止坐标和三相静止坐标的对应关系，可以将三相相电流i_a、i_b、i_c经过3/2变换得到两相静止αβ参考坐标系中α轴电流i_α。和β轴电流i_β如下所示：

利用直流母线电压U_dc和逆变器开关状态S_a、S_b、S_c，根据下式确定两相静止αβ坐标系中α轴电压u_α和β轴电压u_β，即：

式中，S_a、S_b、S_c分别为三相逆变桥臂a、b、c功率开关器件的开关状态，上桥臂导通时值为1，下桥臂导通时值为0。

三相对称定子绕组由三相电压供电时，每一相都可写出一个电压平衡方程式，求三相电压平衡方程得矢量和，得定子合成电压与合成磁链空间关系为：

将上式经3/2变换，得到电机在两相静止αβ参考坐标系中α轴定子磁链ψ_α和β轴定子磁链ψ_β：

定子磁链ψ_s与分量ψ_α和ψ_β之间的关系可表示为：

定子磁链的位置角θ_s，可得：

在两相静止参考坐标系中，HESM电机的电磁转矩方程为：

根据上述公式，建立如图5所示的HESM电机电流滞环比较直接转矩控制系统，主要包括：HESM电机、功率变换器、CHPWM、参考电流计算、定子参考磁链计算、限幅模块、开关状态表、逆变器、坐标变换、两相静止坐标下磁链计算、电磁转矩和定子磁链滞环比较等。根据公式估算电机α轴和β轴的定子磁链，代入定子磁链计算模块估算ψ_s的实际值；电磁转矩模块利用公式估算T_e实际值；参考磁链模块根据参考电流计算定子磁链参考值ψ_sref。将ψ_sref减去ψ_s，得到偏差Δψ_s；电磁转矩参考值T_eref减去T_e，得到偏差ΔT_e；将Δψ_s和ΔT_e分别送入转矩和磁链滞环比较器得到转矩控制信号τ和磁链巧制信号φ，以及转子位置角θ。

参考电流计算模块，是HESM电机滞环比较直接转矩控制系统中所采用的控制策略。采用了i_d＝0的控制策略，无论电机运行在轻载或重载状态，始终保持d轴电流为零，利用励磁电流i_f进行调整。电机轻载运行时，负载小于等于额定负载，保持d轴电流等于0，电枢电流能够满足负载要求，无需增磁控制，励磁电流i_f＝0，则参考电流为：

定子磁链参考值ψ_sref：

电机起动或重载运行时，负载转矩大于额定转矩，同样保持d轴电流等于0，q轴电流达到额定电流i_qN。利用励磁电流i_f増磁，提高电机的带载能力。参考电流为：

定子磁链参考值ψ_sref：

根据负载大小判断电机运行状态，通过上述公式得定子参考磁链ψ_sref，用图5所示原理进行控制。

本发明选取的是混合励磁同步电机，具有永磁励磁和电励磁两种励磁源，既有机永磁同步电机的优点，又有电励磁同步电机的优点。同时，混合励磁同步电机十分适合于低速大转矩和宽调速领域的应用。

Claims

1.一种混合励磁同步电机的直接转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的混合励磁同步电机的直接转矩控制方法，其特征在于，步骤2中通过滑膜观测器确定转子的转速和位置角具体为：

假设任意n维状态空间的非线性控制系统状态方程的数学模型为：

其中，x为系统输入状态变量，u为系统输入控制函数。

切换函数s(x)为：

s(x)＝s(x₁,x₂…x_n) s∈R^m

系统输入控制函数u根据定义的切换函数s(x)，在s(x)＝0构成的面上切换，即有：

式中，u⁺(x,t)、u^-(x,t)为变结构控制函数，u⁺(x,t)≠u^-(x,t)，基于滑模变结构的控制系统须满足以下条件：

(2)等效控制：理想的滑动模态是光滑的，存在条件s＝0，可得：

对上式求解，如果u的解存在，称为系统在滑动模态区内可以求得等效控制函数。

3.如权利要求1所述的混合励磁同步电机的直接转矩控制方法，其特征在于，所述步骤4中将转速n、转矩T_e和位置角作为电流滞环比较直接转矩控制模块的输入信号，输出混合励磁同步电机的定子三相电源信号i_a′i_b′i_c′，具体为：

根据两相静止坐标和三相静止坐标的对应关系，可以将三相相电流i_a、i_b、i_c经过3/2变换得到两相静止αβ参考坐标系中α轴电流i_α和β轴电流i_β如下所示：

式中，S_a、S_b、S_c分别为三相逆变桥臂a、b、c功率开关器件的开关状态，上桥臂导通时值为1，下桥臂导通时值为0；

三相对称定子绕组由三相电压供电时，每一相都写出一个电压平衡方程式，求三相电压平衡方程得矢量和，得定子合成电压与合成磁链空间关系为：

定子磁链ψ_s与分量ψ_α和ψ_β之间的关系表示为：

定子磁链的位置角θ_s，得：

在两相静止参考坐标系中，HESM电机的电磁转矩方程为：

根据上述公式，建立HESM电机电流滞环比较直接转矩控制系统，其中参考电流计算模块采用了i_d＝0的控制策略，无论电机运行在轻载或重载状态，始终保持d轴电流为零，利用励磁电流i_f进行调整；电机轻载运行时，负载小于等于额定负载，保持d轴电流等于0，电枢电流能够满足负载要求，无需增磁控制，励磁电流i_f＝0，则参考电流为：

定子磁链参考值ψ_sref：

电机起动或重载运行时，负载转矩大于额定转矩，同样保持d轴电流等于0，q轴电流达到额定电流i_qN，利用励磁电流i_f増磁，提高电机的带载能力，参考电流为：

定子磁链参考值ψ_sref：

根据负载大小判断电机运行状态，通过上述公式得定子参考磁链ψ_sref。