CN110829939B - 一种降低电励磁双凸极电机转矩脉动的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低电励磁双凸极电机转矩脉动的控制方法，属于电机控制技术领域。本发明以转矩脉动最小化为目标，基于电励磁双凸极电机转矩产生原理及互感特性设计的电流给定函数，能够根据转矩调节器的输出及此时转子所处的位置计算得到各相所需的电流给定值。电流给定函数输出分别作为三相电流的设定值，解决了电励磁双凸极电机采用传统转矩电流闭环控制，在换相阶段三相同时导通时，三相电流由同一电流给定，三相电流无法同时控制的问题。本发明充分利用三相的互感变化产生转矩，在降低转矩脉动的同时，提高了三相电流产生转矩的效率。本发明适用于针对电励磁双凸极电机的转矩性能优化，提升电励磁双凸极电机电动运行时的效率。
Description
技术领域
本发明具体公开了一种降低电励磁双凸极电机转矩脉动的控制方法，属于电机控制领域。
背景技术
电励磁双凸极电机作为一种新型特种电机。其电机转子上无绕组和永磁体，具有结构简单，控制灵活，容错性能好，适用恶劣工况的优点，在航空、风力发电、新能源汽车等领域有很好的应用前景。转矩脉动的降低是电机平稳运行所要考虑的重要方面，因此研究电励磁双凸极电机转矩脉动的降低具有极其重要的意义。
目前针对电励磁双凸极电机主要采用转速电流双闭环结构，在电流闭环中结合提前、滞后角度控制策略减小转矩脉动。例如申请人申请的中国发明专利：一种三相双凸极无刷直流电机的控制方法及其驱动系统，申请号：201610266523.X，提出了一种根据励磁电流方向，转子旋转方向设置提前换相角，滞后关断角的双凸极电机控制方法，提高了双凸极电机的输出功率和工作效率，但其增加了多个导通状态，增加了控制的复杂性，且没有给出提前换相角及滞后关断角的选取方法，实施困难。已发表的论文《电励磁双凸极电机三相六拍控制策略研究》(中国电机工程学报2013.33(12))，介绍了一种“三相六拍”控制策略，其在主电路上下管开通时间同时提前一个角度开通的基础上，再将主电路上管各提前另一个角度开通和关断，以增加电励磁双凸极电机的输出转矩，但其控制角度选取与电机参数、负载等多个物理量有关，需要反复调试，转矩脉动虽然得到一定程度的降低，但仍然相对较大。为此，有学者提出转矩闭环控制策略，以转矩闭环替代电流闭环，能够直接对转矩进行控制，降低了非换相阶段的转矩脉动。例如申请人申请的中国发明专利：一种用于电励磁双凸极电机的转矩控制方法，申请号：201811346348.0，提出了一种转速转矩双闭环控制结构，控制量为功率变换器的驱动信号，能够直接对转矩闭环控制，降低转矩脉动，但其主要降低了非换相阶段的转矩脉动，换相阶段电流不能突变导致的换相转矩脉动仍然存在，且利用转矩信号直接控制功率管通断，不存在电流闭环，当转矩反馈低于转矩给定较长时间时会使得电枢电流过大。对于电励磁双凸极电机，若采用传统转矩电流闭环控制将转速闭环与电流闭环相结合，在换相阶段三相同时导通时，三相电流由同一电流给定，会产生三相电流无法同时控制的问题。
发明内容
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种降低电励磁双凸极电机转矩脉动的控制方法，其特征在于：
电励磁双凸极电机的励磁转矩公式为Tpe＝p0·ip·if*·(dLpf/dθ)，其中ip表示电枢电流，if表示励磁电流，Lpf表示励磁绕组与相绕组互感，θ表示转子位置角，下标p＝a，b，c表示A、B、C三相。在非换相阶段，阶段I中A相互感上升，B相互感不变，C相互感下降，由励磁转矩公式，若要产生正转矩，则互感变化率为正时，电枢电流应为正；互感变化率为零时，电枢电流为零；互感变化率为负时，电枢电流为负。从而设计得到A、B、C三相的电流给定函数为：
其中
分别为A、B、C三相的电流给定值，id为电流调节量，是转矩调节器的输出。
阶段II换相阶段中A相互感继续上升，但是互感的变化率开始逐步减小到零，此时A电枢电流需逐步减小至零；B相互感开始上升，互感变化率逐步增大，此时B相电枢电流需逐渐增大；C相互感继续下降，互感变化率为负，大小基本不变，此时C相电枢电流保持为负。由此设计得到A、B、C三相的电流给定函数为：
其中θ表示转子转过的电角度，Δθ表示阶段II换相期间间隔的角度。
阶段III换相阶段中A相互感开始下降，互感变化率由零变为负，此时A相电枢电流需从零变为负，幅值逐渐增大；B相互感继续上升，互感变化率保持在某一值基本不变，此时B相电枢电流保持为正；C相互感继续下降，互感变化率由负值逐渐变为零，此时C相电枢电流由阶段II中保持的负值逐渐变为零。由此设计得到A、B、C三相的电流给定函数为：
电励磁双凸极电机绕组采用星形连接，三相电流之和为零，由此所设计的电流给定函数得到的三相电流给定值相加应为零，上述三个阶段下的电流给定值均满足这一条件。一个电周期内其他部分的电流给定函数可以依据以上分析同理得到，从而由转矩调节器的输出和转子位置即可得到A、B、C三相所需的电流给定。
有益效果：
(1)在转速电流闭环的基础上增加转矩闭环，可以实现对转矩直接控制，从而能够降低转矩脉动。
(2)在转矩闭环中的电流给定函数可以根据电机电感和转矩特性来设计，由此得到各相电流给定，分别利用电流滞环或者电压PWM控制使各相电流跟随给定电流即可，控制方便灵活并且提高了三相电流产生转矩的效率。
(3)由于三相电流的给定是由转矩闭环的转矩调节器输出来控制，会根据实际的转矩适时的增大或减小电流，从而可以对换相及非换相阶段的转矩脉动均有良好的降低作用。降低电励磁双凸极电机转矩脉动的控制方法
附图说明
附图1是应用本发明对降低转矩脉动技术的电励磁双凸极电机及变换器驱动拓扑图；
附图2是应用本发明对降低转矩脉动技术的电励磁双凸极电机的截面图；
附图3是应用本发明对降低转矩脉动技术的系统控制框图；
附图4是应用本发明对降低转矩脉动技术的电励磁双凸极电机电枢绕组与励磁绕组互感曲线及电流给定函数图；
附图5是应用本发明对降低转矩脉动技术的三相电流仿真波形图；
附图6是应用本发明对降低转矩脉动技术的转速、转矩仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明两种容错技术进行详细说明。
本发明针对的电励磁双凸极电机及其变换器驱动拓扑如图1所示，电励磁双凸极电机由三相全桥变换器驱动，励磁部分由不对称半桥变换器驱动，电励磁双凸极电机截面如图2所示，定转子均为凸极结构，转子上既无永磁体也无绕组。本发明的系统控制框图如图3所示，采用转速外环电流内环加中间转矩闭环的三闭环控制结构。图4是本发明根据电励磁双凸极电机互感特性及转矩公式设计的电流给定函数的图形。图5是本发明控制下，采用Matlab/Simulink仿真得到的电励磁双凸极电机三相电流波形图。图6是本发明转速转矩电流三闭环控制下的转速转矩仿真波形。
本发明具体实施步骤如下：
1、电励磁双凸极电机转子位置信号由光电编码器测得，通过微处理器程序计算得到电机转速。如图3所示，由电励磁双凸极电机转速给定n*和转速反馈n作差，经过转速调节器，转速调节器的输出即为转矩给定值
转速调节器采用PI调节器，通过对转速给定值
的调节即可控制转矩，调节转速。
2、电励磁双凸极电机三相电流信号由电流霍尔传感器得到，建立各相转矩Tp与各相电流ip和转子位置θ的关系，得到转矩观测器的离线三维查找表，在电机运行过程中通过对转子位置信号及各相电流值实时查询得到相应的转矩，将各相转矩相加即得到电机转矩反馈Te。
3、如图3所示，由转速调节器输出得到的转矩给定值
和转矩观测器得到的转矩反馈值Te相减经过转矩调节器得到电流调节量id。以此电流调节量id及转子位置信号作为输入，根据电机电感特性及转矩产生原理设计电流给定函数，从而得到三相电流给定值。电流给定函数设计过程如下：
4、电励磁双凸极电机互感特性如图4所示，电励磁双凸极电机转矩由磁阻转矩和励磁转矩组成，由于电励磁双凸极电机磁阻转矩较小，励磁转矩为主要转矩，在设计电流给定函数时从励磁转矩考虑，励磁转矩公式如下：
由公式可以看出，励磁转矩的大小和方向由电枢电流，励磁电流及电枢绕组与励磁绕组间互感随转子位置的变化率有关。互感特性如图4所示，励磁绕组通入正向电流时，如果要产生正向转矩，则在互感上升阶段时，电枢绕组需通入正向电流，在互感下降阶段时，电枢绕组需通入负向电流。
5、图4横坐标为一个电角度周期，取其中一部分分为三个阶段分析，其他部分类似，只是A、B、C三相顺序不同。阶段I中A相互感上升，B相互感不变，C相互感下降。由此设计得到A、B、C三相的电流给定函数为：
其中
分别为A、B、C三相的电流给定值，id为电流调节量，是转矩调节器的输出。
6、阶段II中A相互感继续上升，但是互感的变化率开始逐步减小到零，此时A相电枢电流需逐步减小至零；B相互感开始上升，互感变化率逐步增大，此时B相电枢电流需逐渐增大；C相互感继续下降，互感变化率为负，大小基本不变，此时C相电枢电流保持为负。由此设计得到A、B、C三相的电流给定函数为：
其中θ为转子旋转的电角度，Δθ为电流换相提前的角度，在此例中取Δθ＝24°，由于Δθ在小范围内变化时余弦函数的值变化较小，且存在id的调节作用，故对电流给定值的影响较小，Δθ值的选取较为方便。
7、阶段III中A相互感开始下降，互感变化率由零变为负，此时A相电枢电流需从零变为负，幅值逐渐增大；B相互感继续上升，互感变化率保持在某一值基本不变，此时B相电枢电流保持为正；C相互感继续下降，互感变化率由负值逐渐变为零，此时C相电枢电流由阶段II中保持的负值逐渐变为零。由此设计得到A、B、C三相的电流给定函数为：
8、如图1所示，电励磁双凸极电机绕组采用星形连接，三相电流之和为零，由此所设计的电流给定函数得到的三相电流给定值相加应为零，上述三个阶段下的电流给定值均满足这一条件。一个电周期内其他部分的电流给定函数可以依据以上分析同理得到，从而由转矩调节器的输出和转子位置即可得到A、B、C三相所需的电流给定。
9、电流环采用滞环控制，以A相为例说明，A相电流给定与电流反馈相减，经过滞环比较器控制A相对应上下桥臂的开通与关断，使实际的A相电流值与电流给定值的差值不超过滞环控制器的环宽，从而使实际电流跟随给定电流，其他相同理。
10、电励磁双凸极电机的自感变化趋势与互感相同，幅值小于互感，由电励磁双凸极的磁阻转矩公式：
及图4可知，在阶段I的非换相阶段，两相导通，电流大小相等从而两相磁阻转矩可以互相抵消，而在阶段II、III换相阶段，三相同时导通磁阻转矩不为零，但是由于转矩反馈包含了励磁转矩及磁阻转矩，从而通过转矩闭环调节转矩调节器的输出id，可以补偿磁阻转矩引起的转矩脉动；在换相及非换相阶段当实际转矩反馈大于或者小于给定转矩时，转矩调节器的输出id对应减小或者增大，从而对换相及非换相阶段的转矩脉动均有降低作用。
从图4可以看出在非换相阶段I有一相互感变化率为零，另两相其中一相互感变化率为正，另一相变化率为负故采用两相导通模式；在换相阶段II、III，依据各相互感变化率，设计各相的电流给定函数：换相相A相互感变化率由正变为零再到负，其幅值先减小后增大，则A相电流由正向零再变到负向，其他两相同理可分析。从而充分利用三相的互感变化产生转矩，提高了三相电流产生转矩的效率。
通过上述步骤实现了通过对电流的控制达到控制转矩，进一步控制转速，降低转矩脉动的目的。为了验证所述方法对电励磁双凸极电机转矩脉动降低的有效性，对一台电励磁双凸极电机进行Matlab/Simulink仿真。仿真的转速给定为500r/min，空载起动，0.07s突加负载，三相电流的仿真波形如图5所示，转速、转矩仿真波形如图6所示。
从图5可以看出在非换相阶段，此时两相导通，正负电流大小相等，但是在此阶段内电流幅值有逐渐增大的趋势，即弥补非换相阶段的转矩脉动；而在换相阶段，此时三相导通，一相电流由正向负换相，另两相电流则有一个先增大后减小的过程，且增大的幅值较大，从而降低换相阶段产生的较大转矩脉动；另外可以看到在换相阶段正负向电流增大的幅值不同，这是由于补偿磁阻转矩变化而产生的效果。图6中转矩脉动率约为6％，电励磁双凸极电机的转矩脉动得到了显著降低，转矩性能得到了明显提升，转速控制平稳。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之类。
Claims (2)
1.一种降低电励磁双凸极电机转矩脉动的控制方法，其特征在于：
电励磁双凸极电机的励磁转矩公式为Tpe＝p0·ip·if·(dLpf/dθ)，其中p0表示电机极对数，ip表示电枢电流，if表示励磁电流，Lpf表示励磁绕组与相绕组间互感，θ表示电角度，下标p＝a，b，c表示A、B、C三相， Δθ表示换相阶段换相期间间隔的角度，阶段II和阶段III均为换相阶段， 阶段I非换相阶段，即(0°+Δθ)≤θ＜(120°-Δθ)区间，A相互感上升，B相互感不变，C相互感下降，由励磁转矩公式，当励磁电流为正时，若要产生正转矩，则互感变化率为正时，电枢电流应为正；互感变化率为零时，电枢电流为零；互感变化率为负时，电枢电流为负，从而设计得到A、B、C三相的电流给定函数为：
其中
分别为A、B、C三相的电流给定值，id为电流调节量，是转矩调节器的输出；
阶段II换相阶段，即(120°-Δθ)≤θ＜120°区间，A相互感继续上升，但是互感的变化率开始逐步减小到零，此时A相电枢电流需逐步减小至零；B相互感开始上升，互感变化率逐步增大，此时B相电枢电流需逐渐增大；C相互感继续下降，互感变化率为负，大小基本不变，此时C相电枢电流保持为负，由此设计得到A、B、C三相的电流给定函数为：
其中θ表示电角度，Δθ表示阶段II换相期间间隔的角度；
阶段III换相阶段，即120°≤θ＜(120°+Δθ)区间，A相互感开始下降，互感变化率由零变为负，此时A相电枢电流需从零变为负，幅值逐渐增大；B相互感继续上升，互感变化率保持在正值基本不变，此时B相电枢电流保持为正；C相互感继续下降，互感变化率由负值逐渐变为零，此时C相电枢电流由阶段II中保持的负值逐渐变为零， 由此设计得到A、B、C三相的电流给定函数为：
其中θ表示电角度，Δθ表示阶段III换相期间间隔的角度；
一个电周期内其他部分的电流给定函数可以依据以上分析同理得到，从而由转矩调节器的输出和转子位置即可得到A、B、C三相所需的电流给定。
2.根据权利要求1所述的一种降低电励磁双凸极电机转矩脉动的控制方法，其特征在于：
描述换相阶段II、III的电流变化的电流给定函数是线性函数：
阶段II，(120°-Δθ)≤θ＜120°时，描述相应电流变化过程的电流给定函数为：
阶段III，120°≤θ＜(120°+Δθ)时，描述相应电流变化过程的电流给定函数为：
对于电励磁双凸极电机绕组采用星形接法时，电流给定函数设计需满足使三相电流给定值之和为零。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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