CN111614298A - 混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电机控制领域，具体涉及混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制方法。该方法通过引入外定子转矩解耦模块和内定子转矩解耦模块实现分别精确控制混合转子双定子同步电机内外定子绕组输出转矩及功率。该系统包括混合转子双定子同步电机，内、外定子与内、外定子驱动逆变器分别相连；外、内定子驱动逆变器由第一、第二电流控制器控制，转速信号通过转速PI控制器分别经过内、外定子转矩解耦模块，与第一矢量控制模块、第一三相电流比较器、第一电流控制器依次连接；或者与第二矢量控制模块、第二三相电流比较器、第二电流控制器依次连接。本发明转矩解耦矢量控制方法具有结构简单、控制方式灵活、响应速度快等优点。

Description

混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制方法
技术领域
本发明属于电机控制领域，具体涉及混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制方法。
背景技术
在众多的高端装备中，有一部分装备需要靠转速低于500r/min、转矩高于500Nm的低速大转矩电机来驱动，例如电梯、数控机床、舰船推进、煤矿井、石油探井和大型工业传送带等设备都需要低速大转矩电机来驱动，这类机电一体化设备能耗量极高，约占工业总量的10％。目前，我国利用低速大转矩电机驱动的装备大多采用的是“常速电机+减速齿轮结构”的驱动方式，但是该种驱动方式已经不能满足当代人对高端装备驱动的要求了。
与普通的常速永磁同步电机相比，低速大转矩直驱永磁同步电机的直径较大，留有较大的内腔空间，为了进一步提升电机的转矩密度，同时尽可能的节约生产成本，目前，利用其内腔空间形成新型结构的双定子电机并且研发新型转子结构是必然所趋。
2019年2月1日公开的CN109302025永磁/磁阻混合转子双定子同步电机及其控制方法设计了一种典型的双定子同步电机和控制方法。而现有的双定子电机的控制方法不能单独控制内外定子绕组产生的电磁转矩的问题，造成控制方法不灵活、响应速度慢的问题。
发明内容
发明目的：
本发明提供一种混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制方法，其目的是解决混合转子双定子同步电机不能单独控制电磁转矩的问题，提出的转矩解耦矢量控制方法具有结构简单、控制方式灵活、响应速度快的优点。
技术方案：
混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制方法，该控制方法具体包括：混合转子双定子同步电机的转速信号n，与系统给定转速信号n*作差，其差值信号通过转速PI控制器转化为转矩电流参考值iq*，转矩电流参考值iq*分别经过外定子转矩解耦模块和内定子转矩解耦模块得到外定子转矩解耦电流和内定子转矩解耦电流；外定子转矩解耦电流经过第一矢量控制模块得到外定子电流参考信号，内定子转矩解耦电流经过第二矢量控制模块得到内定子电流参考信号；外定子电流参考信号与外定子电流反馈信号相减得到外定子驱动逆变器调制信号，内定子电流参考信号与内定子电流反馈信号相减得到内定子驱动逆变器调制信号；将外定子驱动逆变器调制信号和内定子驱动逆变器调制信号分别通入第一三相电流比较器和第二三相电流比较器中，第一三相电流比较器获取外定子驱动逆变器调制信号，根据滞环电流控制原理，得到外定子逆变器驱动信号；第二三相电流比较器获取内定子驱动逆变器调制信号，根据滞环电流控制原理，得到内定子逆变器驱动信号。
进一步的，混合转子双定子同步电机的内定子和外定子之间还设有混合转子，混合转子外侧永磁体部分采用表贴式隐极结构，混合转子内侧磁阻部分采用磁障式转子结构，由于
Pe＝Te·n (1)
其中，Pe为电机功率，Te为电机电磁转矩，n为电机转速；
由于外定子和内定子的电磁转矩之比为x:y，外定子产生的电磁转矩为
Te1＝p1ψfiq * (2)
p1为混合转子永磁体结构极对数，永磁体产生磁链为ψf，给定转速n*与混合转子双定子同步电机产生的转速n之差经过转速PI控制器产生内、外双定子电流参考值为iq*；
内定子产生的电磁转矩为
Te2＝p2(Ld-Lq)iq *2 (3)
其中，p2为磁阻结构极对数；d、q轴等效电感分别为Ld和Lq；
引入外定子转矩解耦系数KTe1和内定子转矩解耦系数KTe2得到
Figure BDA0002463028950000031
由于外定子转矩解耦系数KTe1和内定子转矩解耦系数KTe2之和为1，因此，得
Figure BDA0002463028950000032
Figure BDA0002463028950000033
进一步的，第一矢量控制模块采用id＝0矢量控制方法，第二矢量控制模块采用最大转矩电流比矢量控制方法。
进一步的，第一电流控制器和第二电流控制器均采用滞环比较器原理。
混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制系统，包括混合转子双定子同步电机，混合转子双定子同步电机具有内定子和外定子，内定子和外定子之间还设有混合转子，内定子与内定子驱动逆变器相连；外定子与外定子驱动逆变器相连，外定子驱动逆变器由第一电流控制器控制，内定子驱动逆变器由第二电流控制器控制，转速信号通过转速PI控制器分别经过外定子转矩解耦模块和内定子转矩解耦模块，外定子转矩解耦模块与第一矢量控制模块、第一三相电流比较器、第一电流控制器依次连接；内定子转矩解耦模块与第二矢量控制模块、第二三相电流比较器、第二电流控制器依次连接；混合转子双定子同步电机输出的电流iABC1、iABC2分别输入第一三相电流比较器、第二三相电流比较器中。
优点及效果：
本发明具有以下优点和有益效果：
本发明为提升混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制系统性能，将传统同步电机矢量控制系统进行了改进，引入了外定子转矩解耦系数KTe1和内定子转矩解耦系数KTe2，并根据内外绕组功率设计要求，计算出转矩解耦系数的数学表达式，进而实现单独控制内外定子绕组产生的电磁转矩的目标。
本发明转矩解耦矢量控制方法具有结构简单、控制方式灵活、响应速度快的优点。
附图说明
图1为本发明混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制系统框图；
图2为本发明混合转子双定子同步电机结构及驱动电路示意图；
图3为本发明外定子转矩解耦系数KTe1和内定子转矩解耦系数KTe2算法原理示意图。
附图标记说明：
1.混合转子双定子同步电机；2.外定子；3.内定子；4.混合转子；5.外定子驱动逆变器；6内定子驱动逆变器；7.第一电流控制器；8.第二电流控制器；9.第一矢量控制模块；10.第二矢量控制模块；11.外定子转矩解耦模块；12.内定子转矩解耦模块；13.转速PI控制器；14.第一三相电流比较器；15.第二三相电流比较器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1为本发明混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制系统框图；图1中的混合转子双定子同步电机1的具体结构图如图2所示：混合转子双定子同步电机1的内定子3和外定子2之间设有混合转子4。外定子2及其气隙与混合转子4的永磁体部分组成一个独立的机电能量转换装置，由外定子驱动逆变器5驱动；内定子3及其气隙与混合转子4的磁阻部分组成另一个独立的机电能量转换装置，由内定子驱动逆变器6驱动。
控制系统混合转子双定子同步电机1的转速信号n，与系统给定转速信号n*作差，其差值信号通过转速PI控制器13转化为转矩电流参考值iq*，转矩电流参考值iq*分别经过外定子转矩解耦模块11和内定子转矩解耦模块12得到外定子转矩解耦电流和内定子转矩解耦电流。外定子转矩解耦模块11和内定子转矩解耦模块12算法的具体原理如图3所示：控制器测量转矩电流参考值信号iq*，将iq*代入到公式5与公式6中计算得出外定子转矩解耦系数KTe1和内定子转矩解耦系数KTe2。
外定子转矩解耦电流经过永磁同步电机第一矢量控制模块9得到外定子电流参考信号，内定子转矩解耦电流经过第二矢量控制模块10得到内定子电流参考信号；外定子电流参考信号与外定子电流反馈信号相减得到外定子驱动逆变器调制信号，内定子电流参考信号与内定子电流反馈信号相减得到内定子驱动逆变器调制信号；将外定子驱动逆变器调制信号和内定子驱动逆变器调制信号分别通入第一三相电流比较器14和第二三相电流比较器15中，第一三相电流比较器14获取外定子驱动逆变器调制信号，根据滞环电流控制原理，得到外定子逆变器驱动信号；第二三相电流比较器15获取内定子驱动逆变器调制信号，根据滞环电流控制原理，得到内定子逆变器驱动信号。
如图1所示，uA1、uB1、uC1分别为混合转子双定子同步电机外定子A、B、C相输入电压；uA2、uB2、uC2分别为混合转子双定子同步电机内定子A、B、C相输入电压。iABC1为混合转子双定子同步电机外定子三相电流；iABC2为混合转子双定子同步电机内定子三相电流。
混合转子双定子同步电机1的内定子3和外定子2之间还设有混合转子4，混合转子4外侧永磁体部分采用表贴式隐极结构，混合转子4内侧磁阻部分采用磁障式转子结构，由于
Pe＝Te·n (1)
其中，Pe为电机功率，Te为电机电磁转矩，n为电机转速；
由于外定子2和内定子3的电磁转矩之比为x∶y，外定子2产生的电磁转矩为
Te1＝p1ψfiq * (2)
p1为混合转子4的永磁体结构极对数，永磁体产生磁链为ψf，给定转速n*与混合转子双定子同步电机产生的转速n之差经过转速PI控制器13产生内、外双定子电流参考值为iq*；
内定子3产生的电磁转矩为
Te2＝p2(Ld-Lq)iq *2 (3)
其中，p2为磁阻结构极对数；d、q轴等效电感分别为Ld和Lq；
引入外定子转矩解耦系数KTe1和内定子转矩解耦系数KTe2得到
Figure BDA0002463028950000061
由于外定子转矩解耦系数KTe1和内定子转矩解耦系数KTe2之和为1，因此，得
Figure BDA0002463028950000071
Figure BDA0002463028950000072
图3为本发明外定子转矩解耦系数KTe1和内定子转矩解耦系数KTe2算法原理示意图：控制器测量转矩电流参考值信号iq*，将iq*代入到公式5与公式6中计算得出外定子转矩解耦系数KTe1和内定子转矩解耦系数KTe2。
第一矢量控制模块9采用id＝0矢量控制方法，第二矢量控制模块10采用最大转矩电流比矢量控制方法。
第一电流控制器7和第二电流控制器8均采用滞环比较器原理。
如图1、图2所示，混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制系统，包括混合转子双定子同步电机1，混合转子双定子同步电机1具有内定子3和外定子2，内定子3和外定子2之间还设有混合转子4，内定子3与内定子驱动逆变器6相连；外定子2与外定子驱动逆变器5相连，外定子驱动逆变器5由第一电流控制器7控制，内定子驱动逆变器6由第二电流控制器8控制，转速信号通过转速PI控制器13分别经过外定子转矩解耦模块11和内定子转矩解耦模块12，外定子转矩解耦模块11与第一矢量控制模块9、第一三相电流比较器14、第一电流控制器7依次连接；内定子转矩解耦模块12与第二矢量控制模块10、第二三相电流比较器15、第二电流控制器8依次连接；混合转子双定子同步电机1输出的电流iABC1、iABC2分别输入第一三相电流比较器14、第二三相电流比较器15中。
图2为本发明混合转子双定子同步电机结构及驱动电路示意图：混合转子双定子同步电机1的内定子3和外定子2之间设有混合转子4。外定子2及其气隙与混合转子4的永磁体部分组成一个独立的机电能量转换装置，由外定子驱动逆变器5驱动；内定子3及其气隙与混合转子4的磁阻部分组成另一个独立的机电能量转换装置，由内定子驱动逆变器6驱动。
由于混合转子双定子同步电机结构的特殊性，采用内外定子绕组分别独立进行矢量控制，但是其内外定子绕组所产生的转矩是通过一根机械轴输出的，在电流环反馈的时候需要一个解耦系数将两台电机共同输出的转矩进行解耦，实现分别精确控制混合转子双定子同步电机内外定子绕组输出转矩及功率。

Claims (5)

1.混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制方法，其特征在于：该控制方法具体包括：混合转子双定子同步电机(1)的转速信号n，与系统给定转速信号n*作差，其差值信号通过转速PI控制器(13)转化为转矩电流参考值iq*，转矩电流参考值iq*分别经过外定子转矩解耦模块(11)和内定子转矩解耦模块(12)得到外定子转矩解耦电流和内定子转矩解耦电流；
外定子转矩解耦电流经过第一矢量控制模块(9)得到外定子电流参考信号，内定子转矩解耦电流经过第二矢量控制模块(10)得到内定子电流参考信号；
外定子电流参考信号与外定子电流反馈信号相减得到外定子驱动逆变器调制信号，内定子电流参考信号与内定子电流反馈信号相减得到内定子驱动逆变器调制信号；
将外定子驱动逆变器调制信号和内定子驱动逆变器调制信号分别通入第一三相电流比较器(14)和第二三相电流比较器(15)中，第一三相电流比较器(14)获取外定子驱动逆变器调制信号，根据滞环电流控制原理，得到外定子逆变器驱动信号；第二三相电流比较器(15)获取内定子驱动逆变器调制信号，根据滞环电流控制原理，得到内定子逆变器驱动信号。
2.根据权利要求1所述的混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制方法，其特征在于：混合转子双定子同步电机(1)的内定子(3)和外定子(2)之间还设有混合转子(4)，混合转子(4)外侧永磁体部分采用表贴式隐极结构，混合转子(4)内侧磁阻部分采用磁障式转子结构，由于
Pe＝Te·n (1)
其中，Pe为电机功率，Te为电机电磁转矩，n为电机转速；
由于外定子(2)和内定子(3)的电磁转矩之比为x:y，外定子(2)产生的电磁转矩为
Te1＝p1ψfiq * (2)
p1为混合转子(4)永磁体结构极对数，永磁体产生磁链为ψf，给定转速n*与混合转子双定子同步电机产生的转速n之差经过转速PI控制器(13)产生内、外双定子电流参考值为iq*；
内定子(3)产生的电磁转矩为
Te2＝p2(Ld-Lq)iq *2 (3)
其中，p2为磁阻结构极对数；d、q轴等效电感分别为Ld和Lq；
引入外定子转矩解耦系数KTe1和内定子转矩解耦系数KTe2得到
Figure FDA0002463028940000021
由于外定子转矩解耦系数KTe1和内定子转矩解耦系数KTe2之和为1，因此，得
Figure FDA0002463028940000022
Figure FDA0002463028940000023
3.根据权利要求1所述的混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制方法，其特征在于：第一矢量控制模块(9)采用id＝0矢量控制方法，第二矢量控制模块(10)采用最大转矩电流比矢量控制方法。
4.根据权利要求1所述的混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制方法，其特征在于：第一电流控制器(7)和第二电流控制器(8)均采用滞环比较器原理。
5.混合转子双定子同步电机转矩解耦矢量控制系统，包括混合转子双定子同步电机(1)，混合转子双定子同步电机(1)具有内定子(3)和外定子(2)，内定子(3)和外定子(2)之间还设有混合转子(4)，其特征在于：内定子(3)与内定子驱动逆变器(6)相连；外定子(2)与外定子驱动逆变器(5)相连，外定子驱动逆变器(5)由第一电流控制器(7)控制，内定子驱动逆变器(6)由第二电流控制器(8)控制，转速信号通过转速PI控制器(13)分别经过外定子转矩解耦模块(11)和内定子转矩解耦模块(12)，外定子转矩解耦模块(11)与第一矢量控制模块(9)、第一三相电流比较器(14)、第一电流控制器(7)依次连接；内定子转矩解耦模块(12)与第二矢量控制模块(10)、第二三相电流比较器(15)、第二电流控制器(8)依次连接；混合转子双定子同步电机(1)输出的电流iABC1、iABC2分别输入第一三相电流比较器(14)、第二三相电流比较器(15)中。
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