CN111277191B - 一种无刷双机电端口电机的动态响应主动控制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无刷双机电端口电机的动态响应主动控制方法和装置，属于交流电机与驱动控制领域。本发明方法使用双三相绕组供电产生两个极对数的磁场，分别作用到磁齿轮MGM和永磁同步电机PMSM部分，实现了无刷双机电端口电机在电流闭环跟踪下的外转子驱动轴动态响应主动控制，具体为：基于少极磁场转矩预测方法，实现了内转子突加突减负载时的外转子驱动轴无差拍补偿控制，系统响应大大增强；通过外转子驱动轴上的负载转矩观测方法，实现了外转子驱动轴上突加突减负载时的前馈补偿控制，系统响应进一步增强。控制简单易于实现，能够有效抑制系统震荡，提高系统响应和使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于交流电机与驱动控制领域，更具体地，涉及一种无刷双机电端口电机的动态响应主动控制方法和装置。
背景技术
运载工具水平是人类社会文明发展程度的重要标志之一。电驱动系统具有控制灵活、能效高、噪音低等众多优势，但是由于器件发展水平的限制，功率密度的进一步提高还需要解决很多技术难题。内燃机具有超高的能量密度、成熟可靠等，内燃机仍为人类运载工具主动力，但是由于环境问题和能源问题的日趋严峻，减少排放已经成为各国重要课题。混合动力系统巧妙避开两种动力技术瓶颈问题，实现电驱动系统与内燃机两者的优势互补，具有很强的应用价值。当前，混合动力系统已在汽车产业大获成功，可以预见其在飞机、船舶等领域具有广阔的应用前景。
混动系统的核心是电动无级变速器，当前商业化程度最高的方案是采用行星齿轮加一个电动机和一个发动机来实现内燃机和道路工况解耦，其行星齿轮为核心的接触式传动方案不可避免的带来了振动、摩擦噪声和维护等问题，因此有学者提出了以双转子电机为核心的非接触式传动方案。这种方案具有集成度高，低噪声免维护等优点，二十年来已经发展出了多种拓扑。在已有的ECVT拓扑中，无刷双机电端口电机通过一个电机实现了行星轮和两台电机的所有功能，集成度最高，节省了宝贵的车内空间，专利文献CN105375714A详细讨论了其结构。虽然无刷双机电端口电机从原理上一个电机可以实现行星齿轮和两个电机的所有功能，但是还存在一些制约其实际应用的问题亟待解决。
无刷双机电端口电机通常可理解为由一个磁齿轮MGM组件和一个常规永磁同步电机PMSM构成，其中两个电端口通常称为调制绕组和常规绕组，分别产生作用于MGM部分的少极磁场和作用于PMSM部分的多极磁场。由于外转子除了作为磁齿轮MGM的一部分，也作为永磁同步电机PMSM的转子，不可避免的带来了内转子转矩和外转子转矩的耦合问题，分析如下：
由于磁齿轮MGM部分符合行星轮传动关系：
其中，
pro＝pri+plp
Trilp是内转子的MGM部分转矩，内转子只有这部分转矩；Tlp是调制绕组激励少极磁场产生的转矩，作用于无刷双机电端口电机的磁齿轮MGM部分的两个机械端口：内转子和外转子；Trolp是外转子的MGM部分转矩；pri，pro和plp分别对应于内转子、外转子和少极磁场极对数，与行星齿轮结构的太阳轮、行星架和齿圈在机械上呈对偶关系。
内转子仅有MGM部分转矩，由少极磁场激励产生，其电磁转矩：
而外转子受到来自MGM和PMSM两部分的转矩，分别由少极磁场和多极磁场激励产生，其电磁转矩：
其中，Tromp表示外转子的PMSM部分转矩，ψdlp,ψqlp为少极磁场旋转坐标系磁链dq分量；ψdmp,ψqmp为多极磁场旋转坐标系磁链dq分量；idlp,iqlp为少极磁场旋转坐标系电流dq分量；idmp,iqmp为多极磁场旋转坐标系电流dq分量。
由于外转子电磁转矩的产生来源既有多极磁场电流，也有少极磁场电流，而内转子电磁转矩仅与少极磁场电流有关，因此内转子转矩变化时外转子所受总转矩发生突变，转速将受到冲击。
无刷双机电端口电机通常有一端连接内燃机，另一端连接负载，称连接负载的机械端口为驱动轴。由于内燃机工作点通常较为稳定，而负载转速、转矩变化随工况变化频繁，因此驱动轴的动态响应将极大地影响车辆的平稳运行，制约该类型电机在实际电动无级变速系统的应用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种无刷双机电端口电机的动态响应主动控制方法和装置，其目的在于解决现有的无刷双机电端口电机外转子驱动轴对于负载转速、转矩的频繁变化，动态响应不足的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种无刷双机电端口电机的动态响应主动控制方法：包括：
S1.根据双三相电流反馈值，经过解耦和拓展Park变换获得多极磁场旋转坐标系电流反馈值和少极磁场旋转坐标系电流反馈值；
S2.将少极磁场旋转坐标系电流反馈值和少极磁场旋转坐标系电流给定值作差，经过PI控制得到少极磁场旋转坐标系电压给定值；
S3.根据少极磁场旋转坐标系电压给定值和少极磁场旋转坐标系电流反馈值，通过少极磁场转矩预测方法得到外转子需在多极磁场上补偿的少极磁场转矩预测补偿分量；
S4.利用外转子转速反馈值、少极磁场旋转坐标系电流反馈值和多极磁场旋转坐标系电流反馈值，通过负载转矩观测方法得到外转子负载转矩，计算需要在多极磁场上补偿的负载转矩前馈补偿分量；
S5.将多极磁场旋转坐标系电流反馈值和多极磁场旋转坐标系电流给定值作差，经过PI控制得到多极磁场旋转坐标系电压给定值；
其中，所述多极磁场旋转坐标系电流给定值由三部分构成，第一部分为外转子转速控制器输出的多极磁场旋转坐标系电流给定值，第二部分为步骤S3所得的少极磁场转矩预测补偿分量，第三部分为步骤S4所得的负载转矩前馈补偿分量；
S6.利用多极磁场旋转坐标系电压给定值和少极磁场旋转坐标系电压给定值，经过SVPWM空间矢量脉宽调制和PWM调制，对无刷双机电端口电机进行控制。
进一步地，步骤S1包括：
S1.1.根据双三相电流反馈值ia1,ib1,ic1,ia2,ib2,ic2，解耦出多极磁场相电流反馈值iamp,ibmp,icmp和少极磁场相电流反馈值ialp,iblp,iclp；
S1.2.利用多极磁场相电流反馈值iamp,ibmp,icmp和少极磁场相电流反馈值ialp,iblp,iclp经过拓展Park变换得到多极磁场旋转坐标系电流反馈值idmp,iqmp,i0mp和少极磁场旋转坐标系电流反馈值idlp,iqlp,i0lp；
其中，θelp表示少极磁场电角度，θemp表示多极磁场电角度；T(θelp)为少极磁场拓展Park变换矩阵，T(θemp)为多极磁场拓展Park变换矩阵，均为顺时针旋转。
进一步地，步骤S2中，上述少极磁场旋转坐标系电流给定值idlpref *,iqlpref *由少极磁场给定转矩Tlpref按照转矩分配策略得到。
进一步地，上述多极磁场电枢电流给定值通过以下步骤获得：
根据外转子转速反馈值ωro和外转子转速给定值ωro *得到转速误差值，根据转速误差值计算得到多极磁场电枢电流给定值ismpref *。
进一步地，S3具体包括：
S3.1.根据少极磁场电流方程进行少极磁场电流预测，由少极磁场旋转坐标系电压给定值udlpref *,uqlpref *和少极磁场旋转坐标系电流反馈值idlp,iqlp得到少极磁场电流微分表达式；
S3.2.由外转子所受MGM部分转矩与PMSM部分转矩的关系，将少极磁场电流微分表达式转化为少极磁场转矩预测补偿分量iqmpref1 **微分形式；
其中，少极磁场电流方程为：
少极磁场转矩预测补偿分量iqmpref1 **微分形式为：
其中，Ldlp,Lqlp,Mdqlp为少极磁场自感dq分量及互感；Ldmp,Lqmp,Mdqmp为多极磁场自感dq分量及互感；ωlp为少极磁场电角频率，为少极磁场电角度θelp微分得到；ωmp为多极磁场电角频率，为多极磁场电角度θemp微分得到。
进一步地，S4具体包括：
S4.1.建立以外转子转速反馈值ωro和外转子负载转矩Twheel为状态变量的状态空间，设计外转子负载转矩Twheel的luenberger观测器；
S4.2.观测得到转子负载转矩观测值并计算出多极磁场电流负载转矩预测补偿分量iqmpref2 **；
其中，以外转子转速反馈值ωro和外转子负载转矩Twheel为状态变量的状态空间为：
其中，
Bro为外转子摩擦系数；Jro为外转子转动惯量；Te为外转子总的电磁转矩；
外转子负载转矩Twheel的luenberger观测器为：
其中，所有含上标“^”的参数为观测参数；ts为二阶系统调节时间；ξ为阻尼比；
负载转矩预测补偿分量iqmpref2 **为
pro为外转子极对数；ψfro为外转子永磁磁链。
进一步地，S6包括：
S6.1利用多极磁场旋转坐标系电压给定值和少极磁场旋转坐标系电压给定值经过SVPWM空间矢量脉宽调制，得到的多极磁场相开关占空比和少极磁场相开关占空比，将多极磁场相开关占空比和少极磁场相开关占空比作为PWM调制波对驱动脉冲进行调制，得到双三相PWM信号PWM1-6；
S6.2双三相PWM信号PWM1-6控制双三相半桥逆变器输出电压作用在无刷双机电端口电机的双三相电端口绕组上，产生对应于输入PWM调制波的电流信号波形，控制无刷双机电端口电机运行。
本发明另一方面提供了一种无刷双机电端口电机的动态响应主动控制装置，该装置采用上述无刷双机电端口电机的动态响应主动控制方法，具体包括以下模块：
采样变换模块，用于检测内转子机械角度、外转子机械角度和双三相电流反馈值，并对上述信息经过解耦和拓展Park变换获得多极磁场旋转坐标系电流反馈值和少极磁场旋转坐标系电流反馈值；
外转子速度控制器，用于将外转子转速反馈值和外转子转速给定值作差得到转速误差值，根据转速误差值计算得到多极磁场电枢电流给定值；
少极电流控制模块，用于将少极磁场旋转坐标系电流反馈值和少极磁场旋转坐标系电流给定值作差，经过PI控制得到少极磁场旋转坐标系电压给定值；
多极电流控制模块，用于将多极磁场旋转坐标系电流反馈值和多极磁场旋转坐标系电流给定值作差，经过PI控制得到多极磁场旋转坐标系电压给定值；
其中，所述多极磁场旋转坐标系电流给定值由三部分构成，第一部分为外转子转速控制器输出的多极磁场旋转坐标系电流给定值，第二部分为少极磁场转矩预测补偿模块输出的少极磁场转矩预测补偿分量，第三部分为负载转矩观测补偿模块输出的负载转矩前馈补偿分量；
少极磁场转矩预测补偿模块，用于根据少极磁场旋转坐标系电压给定值和少极磁场旋转坐标系电流反馈值，通过少极磁场转矩预测方法得到外转子需在多极磁场上补偿的少极磁场转矩预测补偿分量；
负载转矩观测补偿模块，用于根据外转子转速反馈值、少极磁场旋转坐标系电流反馈值和多极磁场旋转坐标系电流反馈值，通过负载转矩观测方法得到外转子负载转矩，计算需要在多极磁场上补偿的负载转矩前馈补偿分量；
SVPWM模块，用于对多极磁场旋转坐标系电压给定值和少极磁场旋转坐标系电压给定值进行SVPWM空间矢量脉宽调制，得到多极磁场相开关占空比和少极磁场相开关占空比，并作为PWM调制波对驱动脉冲进行调制，得到双三相PWM信号PWM1-6；
双三相半桥逆变器，用于接收双三相PWM信号PWM1-6，并转化为电压输出，作用在无刷双机电端口电机的双三相电端口绕组上，产生对应于输入PWM调制波的电流信号波形，控制无刷双机电端口电机运行。
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)本发明方法针对无刷双机电端口电机自身结构特点，解决了内外转子转矩传递造成的外转子驱动轴震荡问题，具体为：基于少极磁场转矩预测方法，实现了内转子突加突减负载时的外转子驱动轴无差拍补偿控制，系统响应大大增强；同时，通过外转子驱动轴上的负载转矩观测方法，实现了外转子驱动轴上突加突减负载时的前馈补偿控制，系统响应进一步增强。控制简单易于实现，能够有效抑制系统震荡，提高系统响应和使用寿命。
(2)本发明装置针对无刷双机电端口电机自身结构特点，通过双三相绕组供电实现了多极磁场和少极磁场的供电，提高了控制精度；在双三相绕组供电基础上通过少极磁场转矩预测方法和外转子驱动轴上的负载转矩观测方法提高了外转子驱动轴动态响应，为无刷双机电端口电机的实际应用方案提供了重要参考。
附图说明
图1是本发明实施例中无刷双机电端口电机的结构示意图；
图2是本发明实施例中无刷双机电端口电机的双三相驱动系统拓扑示意图；
图3是本发明实施例中无刷双机电端口电机的动态响应主动控制框图；
图4(a)是本发明实施例中无刷双机电端口电机的动态响应主动控制前，外转子转速响应受外转子转矩变化的波形；
图4(b)是本发明实施例中无刷双机电端口电机的动态响应主动控制后，外转子转速响应受外转子转矩变化的波形；
图5是本发明实施例中无刷双机电端口电机的动态响应主动控制前后，外转子转速响应受内转子转矩变化的波形；
其中，1为角度和转速获取模块，2为电流检测模块，3为磁场角度解耦模块，4为拓展Park变换模块，5为外转子速度控制器，6为少极电流控制模块，7为多极电流控制模块，8为少极磁场转矩预测补偿模块，9为负载转矩观测补偿模块，10为SVPWM模块，11为双三相半桥逆变器，12为无刷双机电端口电机，13为调制绕组，14为常规绕组，15为外转子，16为外转子Spoke磁钢，17为内转子永磁体，18为内转子，19为第一套三相半桥逆变器，20为第二套三相半桥逆变器，21为双三相电端口绕组，22为直流母线。
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。
本发明提供一种无刷双机电端口电机的动态响应主动控制方法，涉及的无刷双机电端口电机使用两个双三相绕组供电产生两个极对数的磁场，分别作用到磁齿轮MGM和永磁同步电机PMSM分量。内转子突加突减负载的外转子驱动轴动态响应主动控制是通过少极磁场转矩预测方法实现的，即通过预测少极磁场将作用到外转子上的转矩，跳过外转子转速环，直接将补偿分量作用到外转子转矩上，即直接补偿多极磁场电流。外转子突加突减负载的外转子驱动轴动态响应主动控制是通过负载转矩观测方法实现的，即通过观测外转子驱动轴的负载转矩，使用前馈的方式补偿到多极磁场电流，从而提高外转子驱动轴动态响应。
本发明实施例提供的无刷双机电端口电机如图1所示，包括调制绕组13、常规绕组14、外转子15、外转子Spoke磁钢16、内转子永磁体17、内转子18以及转轴、机壳、端盖、位置编码器等其他通用结构件。通过对调制绕组13和常规绕组14的合理设计，两套绕组间的磁链耦合关系可忽略不计，因此两套绕组可以分别独立控制，从而降低了控制的复杂性。外转子Spoke磁钢16，有利于大幅增强转矩调节能力，减小等效的永磁电机气隙长度。本发明实施例提供的无刷双机电端口电机，其极对数关系为少极磁场极对数2，多极磁场极对数13，内转子极对数11，外转子极对数13。这只是本发明提供的一个较佳实施例，实际使用时不仅限于此关系，可以拓展到更灵活的的极对数关系和电机相数的无刷双机电端口电机。本实施例提供的无刷双机电端口电机的双三相驱动系统拓扑采用图2所示结构，其中直流母线22给逆变器供电，第一套三相半桥逆变器19和第二套三相半桥逆变器20给本实施例提供的无刷双机电端口电机的双三相电端口绕组21供电。
该无刷双机电端口电机的动态响应主动控制方法，包括以下步骤：
S1.根据双三相电流反馈值经解耦和拓展Park变换获得多极磁场旋转坐标系电流反馈值和少极磁场旋转坐标系电流反馈值；
具体地，S1包括：
S1.1.根据双三相电流反馈值ia1,ib1,ic1,ia2,ib2,ic2，解耦出多极磁场相电流反馈值iamp,ibmp,icmp和少极磁场相电流反馈值ialp,iblp,iclp；
S1.2.利用多极磁场相电流反馈值iamp,ibmp,icmp和少极磁场相电流反馈值ialp,iblp,iclp经过拓展Park变换得到多极磁场旋转坐标系电流反馈值idmp,iqmp,i0mp和少极磁场旋转坐标系电流反馈值idlp,iqlp,i0lp；
其中，θelp表示少极磁场电角度，θemp表示多极磁场电角度；T(θelp)为少极磁场拓展Park变换矩阵，T(θemp)为多极磁场拓展Park变换矩阵，均为顺时针旋转。两个拓展Park变换矩阵表达式如下：
根据内转子机械角度θri和外转子机械角度θro，经过内转子极对数pri和外转子极对数pro得到内转子电角度θeri和外转子电角度θero
进一步地，内转子电角度θeri和外转子电角度θero经过以下磁场角度变换得到少极磁场电角度θelp和多极磁场电角度θemp
其中，少极磁场电角度θelp与内转子电角度θeri和外转子电角度θero的关系由无刷双机电端口电机的少极磁场极对数plp，内转子极对数pri和外转子极对数pro三者的关系决定。
S2.将少极磁场旋转坐标系电流反馈值idlp,iqlp和少极磁场旋转坐标系电流给定值idlpref *,iqlpref *作差，经过PI控制得到少极磁场旋转坐标系电压给定值udlpref *,uqlpref *，目的是控制少极磁场旋转坐标系电流反馈值idlp,iqlp和少极磁场旋转坐标系电流给定值idlpref *,iqlpref *差值为0；
其中，少极磁场旋转坐标系电流给定值idlpref *,iqlpref *由少极磁场给定转矩Tlpref按照转矩分配策略得到。
S3.根据少极磁场旋转坐标系电压给定值udlpref *,uqlpref *和少极磁场旋转坐标系电流反馈值idlp,iqlp，通过少极磁场转矩预测方法得到外转子为抵消少极磁场部分转矩而需在多极磁场上补偿的少极磁场转矩预测补偿分量iqmpref1 **，从而抵消内转子转矩在外转子上的传递；
具体地，少极磁场转矩预测方法表述为：首先，根据少极磁场电流方程进行少极磁场电流预测，即由少极磁场旋转坐标系电压给定值udlpref *,uqlpref *和少极磁场旋转坐标系电流反馈值idlp,iqlp得到少极磁场电流微分表达式；然后，由外转子所受MGM部分转矩与PMSM部分转矩的关系，将少极磁场电流微分表达式转化为少极磁场转矩预测补偿分量iqmpref1 **微分形式。
其中，少极磁场电流方程为：
少极磁场转矩预测补偿分量iqmpref1 **微分形式为：
其中，Ldlp,Lqlp,Mdqlp为少极磁场自感dq分量及互感；Ldmp,Lqmp,Mdqmp为多极磁场自感dq分量及互感；ωlp为少极磁场电角频率，为少极磁场电角度θelp微分得到
ωmp为多极磁场电角频率，为多极磁场电角度θemp微分得到
Rs为定子相电阻，ψfri为内转子永磁磁链。
S4.利用外转子转速反馈值ωro、少极磁场旋转坐标系电流反馈值idlp,iqlp和多极磁场旋转坐标系电流反馈值idmp,iqmp，通过负载转矩观测方法得到外转子负载转矩Twheel，计算需要在多极磁场上补偿的负载转矩前馈补偿分量iqmpref2 **，从而加快外转子突加突减负载时的动态响应；
具体地，负载转矩观测方法表述为：建立以外转子转速反馈值ωro和外转子负载转矩Twheel为状态变量的状态空间，设计外转子负载转矩Twheel的luenberger观测器，观测得到转子负载转矩观测值并计算出多极磁场电流负载转矩预测补偿分量iqmpref2 **。
其中，以外转子转速反馈值ωro和外转子负载转矩Twheel为状态变量的状态空间为
其中，
进一步地，外转子负载转矩Twheel的luenberger观测器为
其中ts为二阶系统调节时间
ξ为阻尼比，选定后，无阻尼固有频率ωn也将确定
负载转矩预测补偿分量iqmpref2 **为：
S5.将多极磁场旋转坐标系电流反馈值idmp,iqmp和多极磁场旋转坐标系电流给定值idmpref,iqmpref作差，经过PI控制得到多极磁场旋转坐标系电压给定值udmpref *,uqmpref *，目的是控制多极磁场旋转坐标系电流反馈值idmp,iqmp和多极磁场旋转坐标系电流给定值idmpref,iqmpref差值为0；
其中，多极磁场旋转坐标系d轴电流给定值idmpref由外转子转速控制器输出的多极磁场旋转坐标系d轴电流给定值idmpref *确定；而iqmpref由三部分产生；
式中，iqmpref *为外转子转速控制器输出的多极磁场旋转坐标系q轴电流给定值；idmpref *,iqmpref *根据外转子转速PI控制器输出的多极磁场电枢电流给定值ismpref *和控制策略得到，目的是控制外转子转速反馈值ωro和外转子转速给定值ωro *差值为0；iqmpref1 **为由少极磁场转矩预测补偿分量；iqmpref1 **为负载转矩前馈补偿分量。
其中，多极磁场电枢电流给定值ismpref *通过以下步骤获得：根据外转子转速反馈值ωro和外转子转速给定值ωro *得到转速误差值，根据转速误差值计算得到多极磁场电枢电流给定值ismpref *。
S6.将根据多极磁场旋转坐标系电压给定值和少极磁场旋转坐标系电压给定值经过SVPWM空间矢量脉宽调制得到的多极磁场相开关占空比和少极磁场相开关占空比，作为PWM调制波对驱动脉冲进行调制，得到双三相PWM信号PWM1-6；
S7.双三相PWM信号PWM1-6控制双三相半桥逆变器输出电压作用在无刷双机电端口电机的双三相电端口绕组上，产生对应于输入PWM调制波的电流信号波形，控制无刷双机电端口电机运行。
如图3所示，本发明实施例还提供了一种无刷双机电端口电机的动态响应主动控制装置，包括：角度和转速获取模块1，电流检测模块2，磁场角度解耦模块3，拓展Park变换模块4，外转子速度控制器5，少极电流控制模块6，多极电流控制模块7，少极磁场转矩预测补偿模块8，负载转矩观测补偿模块9，SVPWM模块10和双三相半桥逆变器11。
角度和转速获取模块1，用于检测内转子机械角度θri和外转子机械角度θro，将其乘以对应的转子极对数得到内转子电角度θeri和外转子电角度θero，并对外转子机械角度θro进行微分得到外转子转速反馈值ωro；
电流检测模块2，用于检测双三相电流反馈值ia1,ib1,ic1,ia2,ib2,ic2，该双三相电流是静止相坐标轴系下的相电流；
磁场角度解耦模块3，其输入端与角度和转速获取模块连接1，用于将内转子电角度θeri和外转子电角度θero，根据磁场调制关系计算得到少极磁场电角度θelp和多极磁场电角度θemp；具体包括多极磁场拓展Park变换模块和少极磁场拓展Park变换模块，分别通过多极磁场拓展Park变换矩阵T(θelp)和少极磁场拓展Park变换矩阵T(θemp)，将多极磁场相电流反馈值iamp,ibmp,icmp和少极磁场相电流反馈值ialp,iblp,iclp经过拓展Park变换得到多极磁场旋转坐标系电流反馈值idmp,iqmp,i0mp和少极磁场旋转坐标系电流反馈值idlp,iqlp,i0lp；即以多极磁场旋转坐标系电流反馈值idmp,iqmp,i0mp的d轴分量idmp作为多极磁场旋转坐标系d轴电流反馈值；以多极磁场旋转坐标系电流反馈值idmp,iqmp,i0mp的q轴分量iqmp作为多极磁场旋转坐标系q轴电流反馈值；以少极磁场旋转坐标系电流反馈值idlp,iqlp,i0lp的d轴分量idlp作为少极磁场旋转坐标系d轴电流反馈值；以所述少极磁场旋转坐标系电流反馈值idlp,iqlp,i0lp的q轴分量iqlp作为少极磁场旋转坐标系q轴电流反馈值；
外转子速度控制器5，其输入端与角度和转速获取模块1连接，用于将外转子转速反馈值ωro和外转子转速给定值ωro *作差得到转速误差值，根据转速误差值计算得到多极磁场电枢电流给定值ismpref *；
少极电流控制模块6，包括少极磁场电流分配器、少极磁场电流控制器；少极磁场电流分配器的输入为少极磁场给定转矩Tlpref *，按照转矩分配策略，得到少极磁场旋转坐标系电流给定值idlpref *,iqlpref *；少极磁场电流控制器，用于将少极磁场旋转坐标系电流反馈值idlp,iqlp和少极磁场旋转坐标系电流给定值idlpref *,iqlpref *做差，输出少极磁场旋转坐标系电压给定值udlpref *,uqlpref *；
多极电流控制模块7，包括多极电流分配器、多极电流控制器；多极电流分配器，用于根据多极磁场电枢电流给定值ismpref *和控制策略，得到外转子转速控制器输出的多极磁场旋转坐标系电流给定值idmpref *,iqmpref *；多极电流控制器，用于将多极磁场旋转坐标系电流反馈值idmp,iqmp和多极磁场旋转坐标系电流给定值idmpref,iqmpref做差，输出多极磁场旋转坐标系电压给定值udmpref *,uqmpref *；
少极磁场转矩预测补偿模块8，输入为少极磁场旋转坐标系电压给定值udlpref *,uqlpref *，及少极磁场旋转坐标系电流反馈值idlp,iqlp，通过少极磁场转矩预测方法得到到外转子为抵消少极磁场部分转矩，需要在多极磁场上补偿的少极磁场转矩预测补偿分量iqmpref1 **；
负载转矩观测补偿模块9，输入为外转子转速反馈值ωro、少极磁场旋转坐标系电流反馈值idlp,iqlp以及多极磁场旋转坐标系电流反馈值idmp,iqmp，通过负载转矩观测方法得到到外转子负载转矩Twheel，计算需要在多极磁场上补偿的负载转矩前馈补偿分量iqmpref2 **；
SVPWM模块10，其输入为磁场角度解耦模块输出的少极磁场电角度θelp和多极磁场电角度θemp，以及少极磁场旋转坐标系电压给定值udlpref *,uqlpref *和多极磁场旋转坐标系电压给定值udmpref *,uqmpref *，进行空间矢量脉宽调制，得到多极磁场相开关占空比damp,dbmp,dcmp和少极磁场相开关占空比dalp,dblp,dclp，将多极磁场相开关占空比damp,dbmp,dcmp和少极磁场相开关占空比dalp,dblp,dclp作为PWM调制波对驱动脉冲进行调制，得到双三相PWM信号PWM1-6；
双三相半桥逆变器11，其6个输入端分别与所述双三相反解耦模块的6和输出端连接，用于接收双三相PWM信号PWM1-6，并转化为电压输出，双三相PWM信号控制双三相半桥逆变器输出电压作用在无刷双机电端口电机12的双三相电端口绕组上，产生对应于输入PWM调制波的电流信号波形，控制无刷双机电端口电机12运行。
本发明实例利用仿真对上述无刷双机电端口电机的动态响应主动控制方法进行验证。
首先是无刷双机电端口电机的动态响应主动控制前后，外转子转速响应受外转子转矩变化影响；仿真时长0.1s，初始状态时，内转子静止空载，外转子500rpm空载；在0.05s，外转子加载10Nm，观察无刷双机电端口电机的动态响应主动控制前后的外转子转速响应波形，图4(a)是本发明实施例中无刷双机电端口电机的动态响应主动控制前的外转子转速响应波形，由图可见，外转子在外转子加载时转速跌落13.7rpm；图4(b)是本发明实施例中无刷双机电端口电机的动态响应主动控制后的外转子转速响应波形，由图可见，外转子在外转子加载时转速跌落6.9rpm；因此，无刷双机电端口电机的动态响应主动控制方法有效抑制了外转子负载转矩对外转子转速的影响，实验中转速跌落从13.7rpm减小到6.9rpm，即转速跌落减小49.6％。
然后是无刷双机电端口电机的动态响应主动控制前后，外转子转速响应受内转子转矩变化影响；仿真时长0.1s，初始状态时，内转子连接伺服电机，伺服电机转速为0，外转子500rpm空载运行；在0.05s，内转子加载调制绕组少极磁场电流d轴分量iqlp＝5A，观察无刷双机电端口电机的动态响应主动控制前后的外转子转速响应波形，如图5所示，无刷双机电端口电机的动态响应主动控制前转速掉落到480.4rpm，掉落19.6rpm；无刷双机电端口电机的动态响应主动控制后只掉落到493.8rpm，掉落6.2rpm，转速掉落减小了68.37％；因此所提出的无刷双机电端口电机的动态响应主动控制有效提高了无刷双机电端口电机的外转子驱动轴动态响应。
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 (8)
1.一种无刷双机电端口电机的动态响应主动控制方法，其特征在于，包括：
S1.根据双三相电流反馈值，经过解耦和拓展Park变换获得多极磁场旋转坐标系电流反馈值和少极磁场旋转坐标系电流反馈值；
S2.将少极磁场旋转坐标系电流反馈值和少极磁场旋转坐标系电流给定值作差，经过PI控制得到少极磁场旋转坐标系电压给定值；
S3.根据少极磁场旋转坐标系电压给定值和少极磁场旋转坐标系电流反馈值，通过少极磁场转矩预测方法得到外转子需在多极磁场上补偿的少极磁场转矩预测补偿分量；
S4.利用外转子转速反馈值、少极磁场旋转坐标系电流反馈值和多极磁场旋转坐标系电流反馈值，通过负载转矩观测方法得到外转子负载转矩，计算需要在多极磁场上补偿的负载转矩前馈补偿分量；
S5.将多极磁场旋转坐标系电流反馈值和多极磁场旋转坐标系电流给定值作差，经过PI控制得到多极磁场旋转坐标系电压给定值；
其中，所述多极磁场旋转坐标系电流给定值由三部分构成，第一部分为外转子转速控制器输出的多极磁场电枢电流给定值，第二部分为步骤S3所得的少极磁场转矩预测补偿分量，第三部分为步骤S4所得的负载转矩前馈补偿分量；
S6.利用多极磁场旋转坐标系电压给定值和少极磁场旋转坐标系电压给定值，经过SVPWM空间矢量脉宽调制，对无刷双机电端口电机进行控制。
2.如权利要求1所述的一种无刷双机电端口电机的动态响应主动控制方法，其特征在于，步骤S1包括：
S1.1.根据双三相电流反馈值ia1,ib1,ic1,ia2,ib2,ic2，解耦出多极磁场相电流反馈值iamp,ibmp,icmp和少极磁场相电流反馈值ialp,iblp,iclp；
S1.2.利用多极磁场相电流反馈值iamp,ibmp,icmp和少极磁场相电流反馈值ialp,iblp,iclp经过拓展Park变换得到多极磁场旋转坐标系电流反馈值idmp,iqmp,i0mp和少极磁场旋转坐标系电流反馈值idlp,iqlp,i0lp；
其中，θelp表示少极磁场电角度，θemp表示多极磁场电角度；T(θelp)为少极磁场拓展Park变换矩阵，T(θemp)为多极磁场拓展Park变换矩阵，均为顺时针旋转。
3.如权利要求1或2所述的一种无刷双机电端口电机的动态响应主动控制方法，其特征在于，步骤S2中，所述少极磁场旋转坐标系电流给定值
由少极磁场给定转矩Tlpref按照转矩分配策略得到。
4.如权利要求1或2所述的一种无刷双机电端口电机的动态响应主动控制方法，其特征在于，多极磁场电枢电流给定值通过以下步骤获得：
根据外转子转速反馈值ωro和外转子转速给定值ωro *得到转速误差值，根据转速误差值计算得到多极磁场电枢电流给定值
5.如权利要求1所述的一种无刷双机电端口电机的动态响应主动控制方法，其特征在于，S3具体包括：
S3.1.根据少极磁场电流方程进行少极磁场电流预测，由少极磁场旋转坐标系电压给定值
和少极磁场旋转坐标系电流反馈值idlp,iqlp得到少极磁场电流微分表达式；
S3.2.由外转子所受MGM部分转矩与PMSM部分转矩的关系，将少极磁场电流微分表达式转化为少极磁场转矩预测补偿分量iqmpref1 **微分形式；其中，少极磁场转矩预测补偿分量iqmpref1 **微分形式为：
其中，Ldlp,Lqlp,Mdqlp为少极磁场自感dq分量及互感；ψfro为外转子永磁磁链；ψfri为内转子永磁磁链。
6.如权利要求1所述的一种无刷双机电端口电机的动态响应主动控制方法，其特征在于，S4具体包括：
S4.1.建立以外转子转速反馈值ωro和外转子负载转矩Twheel为状态变量的状态空间，设计外转子负载转矩Twheel的luenberger观测器；
S4.2.观测得到转子负载转矩观测值并计算出多极磁场电流负载转矩预测补偿分量iqmpref2 **；
其中，以外转子转速反馈值ωro和外转子负载转矩Twheel为状态变量的状态空间为：
其中，
Bro为外转子摩擦系数；Jro为外转子转动惯量；Te为外转子总的电磁转矩；
外转子负载转矩Twheel的luenberger观测器为：
其中，所有含上标“^”的参数为观测参数；ts为二阶系统调节时间；ξ为阻尼比；负载转矩预测补偿分量iqmpref2 **为
pro为外转子极对数；ψfro为外转子永磁磁链。
7.如权利要求1所述的一种无刷双机电端口电机的动态响应主动控制方法，其特征在于，步骤S6具体包括：
S6.1利用多极磁场旋转坐标系电压给定值和少极磁场旋转坐标系电压给定值经过SVPWM空间矢量脉宽调制，得到的多极磁场相开关占空比和少极磁场相开关占空比，将多极磁场相开关占空比和少极磁场相开关占空比作为PWM调制波对驱动脉冲进行调制，得到双三相PWM信号PWM1-6；
S6.2双三相PWM信号PWM1-6控制双三相半桥逆变器输出电压作用在无刷双机电端口电机的双三相电端口绕组上，产生对应于输入PWM调制波的电流信号波形，控制无刷双机电端口电机运行。
8.一种无刷双机电端口电机的动态响应主动控制装置，其特征在于，该装置采用如权利要求1至7任一项所述的无刷双机电端口电机的动态响应主动控制方法，具体包括以下模块：
采样变换模块(1,2,3,4)，用于检测内转子机械角度、外转子机械角度和双三相电流反馈值，并对上述信息经过解耦和拓展Park变换获得多极磁场旋转坐标系电流反馈值和少极磁场旋转坐标系电流反馈值；
外转子转速控制器(5)，用于将外转子转速反馈值和外转子转速给定值作差得到转速误差值，根据转速误差值计算得到多极磁场电枢电流给定值；
少极电流控制模块(6)，用于将少极磁场旋转坐标系电流反馈值和少极磁场旋转坐标系电流给定值作差，经过PI控制得到少极磁场旋转坐标系电压给定值；
多极电流控制模块(7)，用于将多极磁场旋转坐标系电流反馈值和多极磁场旋转坐标系电流给定值作差，经过PI控制得到多极磁场旋转坐标系电压给定值；
其中，所述多极磁场旋转坐标系电流给定值由三部分构成，第一部分为外转子转速控制器(5)输出的多极磁场电枢电流给定值，第二部分为少极磁场转矩预测补偿模块(8)输出的少极磁场转矩预测补偿分量，第三部分为负载转矩观测补偿模块(9)输出的负载转矩前馈补偿分量；
少极磁场转矩预测补偿模块(8)，用于根据少极磁场旋转坐标系电压给定值和少极磁场旋转坐标系电流反馈值，通过少极磁场转矩预测方法得到外转子需在多极磁场上补偿的少极磁场转矩预测补偿分量；
负载转矩观测补偿模块(9)，用于根据外转子转速反馈值、少极磁场旋转坐标系电流反馈值和多极磁场旋转坐标系电流反馈值，通过负载转矩观测方法得到外转子负载转矩，计算需要在多极磁场上补偿的负载转矩前馈补偿分量；
SVPWM模块(10)，用于对多极磁场旋转坐标系电压给定值和少极磁场旋转坐标系电压给定值进行SVPWM空间矢量脉宽调制，得到多极磁场相开关占空比和少极磁场相开关占空比，并作为PWM调制波对驱动脉冲进行调制，得到双三相PWM信号PWM1-6；
双三相半桥逆变器(11)，用于接收双三相PWM信号PWM1-6，并转化为电压输出，作用在无刷双机电端口电机(12)的双三相电端口绕组上，产生对应于输入PWM调制波的电流信号波形，控制无刷双机电端口电机运行。
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