CN112332713A - 一种用于双段式电励磁双凸极电机的转矩分配控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种用于双段式电励磁双凸极电机的转矩分配控制方法,涉及变磁阻类电机驱动控制技术领域,能够提升双段式电励磁双凸极电机的平均输出转矩。本发明包括:采集第一电机的转子位置信号,并利用所述转子位置信号得到双段式电励磁双凸极电机的总转矩给定值;根据第一电机的转子位置信号获取最优转矩分配比,根据所述最优转矩分配比和所述总转矩给定值,获取所述第一电机和第二电机各自的转矩给定值;获取所述第一电机和所述第二电机各自的转矩反馈值;根据所述第一电机和所述第二电机各自的转矩给定值和转矩反馈值,获取所述第一电机和所述第二电机各自的控制信号并输出。本发明适用于双段式电励磁双凸极电机的转矩输出控制。
Description
技术领域
本发明涉及变磁阻类电机驱动控制技术领域,尤其涉及一种用于双段式电励磁双凸极电机的转矩分配控制方法。
背景技术
随着飞行器电气化程度的提高,应用于飞机发动机的起动发电机呈现无刷化、高速化和大功率化的发展趋势。电励磁双凸极电机由于其结构简单、工作可靠、能够适应高温、高速的工作环境的优势,适合作为航空多电发动机的起动发电机。然而,由于电励磁双凸极电机的双边凸极结构,使得其各电感、磁链和反电势等电磁量呈现强耦合性与非线性,导致其存在转矩脉动大、噪声大和振动剧烈的问题,又在一定程度上制约了其进一步的推广应用。
针对电励磁双凸极电动机转矩性能的优化研究方向主要分为两大类:一类是是从电机驱动控制的角度,提出新的电机控制策略,以此抑制电励磁双凸极电机的转矩脉动。目前已经提出的电励磁双凸极电机的控制策略有标准角控制策略、提前角控制策略、三相六状态控制策略、三相九状态控制策略和不对称电流控制策略。另一类是尝试通过优化电机本体抑制电励磁双凸极电机的转矩脉动,相关的研究有转子极加宽结构、转子斜槽结构和本发明所采用的双段式电机结构。
然而,由于电流闭环控制方式下电励磁双凸极电机存在较大的转矩脉动,使得两段电机实际上并未均等输出瞬时转矩,这就导致了双段式电励磁双凸极电机的输出转矩并不平均,导致在实际应用中会存在难以消除的误差。
发明内容
本发明的实施例提供一种用于双段式电励磁双凸极电机的转矩分配控制方法,能够提升双段式电励磁双凸极电机的平均输出转矩。
为达到上述目的,本发明的实施例采用如下技术方案:
S1、采集第一电机的转子位置信号,并利用所述转子位置信号得到双段式电励磁双凸极电机的总转矩给定值;
S2、获取最优转矩分配比,根据所述最优转矩分配比和所述总转矩给定值,获取所述第一电机和第二电机各自的转矩给定值;
S3、获取所述第一电机和所述第二电机各自的转矩反馈值;
S4、根据所述第一电机和所述第二电机各自的转矩给定值和转矩反馈值,获取所述第一电机和所述第二电机各自的控制信号并输出。
所述利用所述最优转矩分配比kT输出两段电机的转矩给定值T1 *和包括:提取存储于微处理器(DSP2812)内存中的最优转矩分配比曲线kT(θ),其中,最优转矩分配比曲线包括了不同转子位置下的最优转矩分配比;根据所述最优转矩分配比曲线kT(θ),所述第一电机的转矩给定值T1 *和所述第二电机的转矩给定值其中,
对于单段电励磁双凸极电机,获取再不同转矩分配比条件下的三相电流波形,所述三相电流波形为三相电流在一个电周期内的波形;利用所述三相电流波形,得到三相电流均方根的平均值随转子位置角和转矩分配比的变化规律,并记录为三维查找表i(θ,kT);对于一个转子,根据所述三维查找表i(θ,kT),获取不同转子位置角下使得目标函数最大的转矩分配比,作为该转子位置处的最优转矩分配比,并得到所述最优转矩分配比曲线。
7、根据权利要求6所述的方法,其特征在于,还包括:
建立所述目标函数:
其中,T*为总转矩给定值,和分别代表第一电机和第二电机的三相电流值,θr1为第一电机的转子位置信号,θr2为第二电机的转子位置信号,kTT*即为T1 *表示第一电机的转矩给定值,(1-kT)T*即为表示第二电机的转矩给定值。
本实施例由于对双段式电励磁双凸极电机采用转矩分配控制方法,充分利用双段式电励磁双凸极电机的两段电机的转子位置差的特性,在不同转子位置处给两段电机分配不同的转矩给定值。因而该方法能有效地提升双段式电励磁双凸极电机的平均输出转矩,为双段式电励磁双凸极电机在航空起动发电领域的推广应用奠定了一定的基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的双段式电励磁双凸极电机拓扑图;
图2为本发明实施例提供的双段式电励磁双凸极电机的转矩分配控制框图;
图3为本发明实施例提供的单段电励磁双凸极电机的三相电流均方根的平均值关于转子位置角和转矩分配比的三维波形图;
图4为本发明实施例中,所得到的双段式电励磁双凸极电机最优转矩分配比曲线;
图5为对比方案中的双段式电励磁双凸极电机传统控制方法的仿真结果;
图6为对比方案中的双段式电励磁双凸极电机的转矩分配控制方法的仿真结果。
其中各个标号分别表示:1为第一电机的定子铁心,2为第三电机的定子铁心,3为第一电机的转子,4为第二电机的转子,5为两段电机的励磁绕组,6为第一电机的电枢绕组,7为第二电机的电枢绕组,8为电机转轴。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式,所述实施方式的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解,除非特意声明,这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是,本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解,当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时,它可以直接连接或耦接到其他元件,或者也可以存在中间元件。此外,这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样定义,不会用理想化或过于正式的含义来解释。
在目前的方案中,由于双段式电励磁双凸极电机的转子存在22.5o的机械角度差(即180o电角度差),所以两段电机输出转矩波形也存在22.5o的机械角度差(即180o电角度差),使得两段电机转矩波峰与波谷相对,从而抑制了双段式电励磁双凸极电机的转矩脉动。例如:对两段电机同时采用标准角电流闭环控制,且电流给定值相等,这样分配电流给定值是期望将总瞬时转矩平均分配给两段电机。然而,由于电流闭环控制方式下电励磁双凸极电机存在较大的转矩脉动,使得两段电机实际上并未均等输出瞬时转矩。另一方面,由于目前的控制方法并未充分利用两段电机之间的转子位置差,因此,双段式电励磁双凸极电机的转矩输出能力仍有提升的空间。
基于以上分析,本实施例的设计目的在于,提出一种双段式电励磁双凸极电机的转矩分配控制方法,进一步提升双段式电励磁双凸极电机的平均输出转矩。其中的具体设计思路,可以理解为:具体设计双段式电励磁双凸极电机转矩分配控制方法的四个环节:总给定转矩的获取环节、转矩分配环节、转矩观测器环节和转矩控制环节。下述步骤S1-S4则是基于上述设计思路中的4个环节分别作出的流程步骤。
本发明实施例提供一种用于双段式电励磁双凸极电机的转矩分配控制方法,包括:
S1、采集第一电机的转子位置信号,并利用所述转子位置信号得到双段式电励磁双凸极电机的总转矩给定值。
其中,第一电机也可称为单段电励磁双凸极电机,第一电机和第二电机都为单段电励磁双凸极电机,双段式电励磁双凸极电机包含两段结构相同的电励磁双凸极电机,第一电机和第二电机作为组成双段式电励磁双凸极电机的重要组成部分。
S2、获取最优转矩分配比,根据所述最优转矩分配比和所述总转矩给定值,获取所述第一电机和第二电机各自的转矩给定值。可以根据第一电机的转子位置信号获取最优转矩分配比。
S3、获取所述第一电机和所述第二电机各自的转矩反馈值。
S4、根据所述第一电机和所述第二电机各自的转矩给定值和转矩反馈值,获取所述第一电机和所述第二电机各自的控制信号并输出。
本实施例中,所述双段式电励磁双凸极电机,包括两段结构相同的所述第一电机和所述第二电机,且都为电励磁双凸极电机。其中,所述第一电机的定子铁心和所述第二电机的定子铁心共用一套励磁绕组。所述第一电机的电枢绕组与所述第二电机的电枢绕组相互独立,嵌于各自的定子槽内。所述第一电机的转子和所述第二电机的转子同轴安装,且两个转子存在22.5°的机械角度差(即180°电角度差)。
具体的,所述步骤S1包括:
通过旋转变压器采集所述第一电机的转子位置信号θr1并输入解码器,所述解码器输出转速的反馈值n,其中,θ表示位置,r(rotor)表示转子。将转速给定值n*与所述转速反馈值n作差,并通过转速PI调节器输出为双段式电励磁双凸极电机的总转矩给定值T*。
所述步骤S2包括:
获取当前转子位置下的最优转矩分配比kT,其中,k表示分配比,T表示转矩的分配比。利用所述最优转矩分配比kT输出两段电机的转矩给定值T1 *和其中,T1 *为第一电机的转矩给定值和为第二电机的转矩给定值。
所述步骤S3包括:通过两个转矩观测器,分别输出所述第一电机的转矩反馈值T1和所述第二电机的转矩反馈值T2,其中,输入转矩观测器1的信号包括:电流霍尔传感器采集的电流信号iA1、iB1和iC1,和由旋转变压器采集的转子位置信号θr1,输入转矩观测器2的信号包括:所述电流霍尔传感器采集的电流信号iA2、iB2和iC2,和由旋转变压器采集的转子位置信号θr2,A1、B1、C1表示第一台电机的ABC三相,A2、B2、C2表示第二电机的ABC三相。
所述步骤S4包括:通过两个转矩控制器,分别根据所述第一电机的转矩给定值T1 *和所述第二电机的转矩给定值以及所述第一电机的转矩反馈值T1和所述第二电机的转矩反馈值T2,输出所述第一电机和所述第二电机的控制信号ck1和ck2。
在所述步骤S2,即转矩分配环节,本实施例提供一下具体实现方式,其中:
所述利用所述最优转矩分配比kT输出两段电机的转矩给定值T1 *和包括:提取存储于微处理器(DSP2812)内存中的最优转矩分配比曲线kT(θ),其中,最优转矩分配比曲线包括了不同转子位置下的最优转矩分配比。根据所述最优转矩分配比曲线kT(θ),所述第一电机的转矩给定值T1 *和所述第二电机的转矩给定值其中,
具体的,对于单段电励磁双凸极电机,获取再不同转矩分配比条件下的三相电流波形,所述三相电流波形为三相电流在一个电周期内的波形。利用所述三相电流波形,得到三相电流均方根的平均值随转子位置角和转矩分配比的变化规律,并记录为三维查找表i(θ,kT),其中,i表示三相电流均方根的平均值。对于一个转子,根据所述三维查找表i(θ,kT),获取不同转子位置角下使得目标函数最大的转矩分配比,作为该转子位置处的最优转矩分配比,并得到所述最优转矩分配比曲线。
在建立最优转矩分配比曲线kT(θ)之前,还需建立所述目标函数:
其中,T*为总转矩给定值,和分别代表第一电机和第二电机的三相电流值,θr1为第一电机的转子位置信号,θr2为第二电机的转子位置信号,kTT*即为T1 *表示第一电机的转矩给定值,(1-kT)T*即为表示第二电机的转矩给定值。
本实施例中的最优转矩分配比曲线kT(θ)的获取方法可以理解为:对于单段电励磁双凸极电机,仿真得到不同转矩分配比条件下,三相电流在一个电周期内的波形。结合步骤中的得到的三相电流波形,得到三相电流均方根的平均值随转子位置角和转矩分配比的变化规律,构建相应的三维查找表i(θ,kT)。根据三维查找表i(θ,kT),获取不同转子位置角下使得目标函数最大的转矩分配比,作为该转子位置处的最优转矩分配比,从而形成最优转矩分配比曲线。
本实施例的原理为:转速外环的输出作为双段式电励磁双凸极电机的总转矩给定值;转矩分配环节根据预设的最优转矩分配比曲线,将总转矩给定值分配给两段电机;两段电机的转矩观测器获取相应的转矩反馈值;两段电机的转矩控制器分别根据各自的转矩给定值和转矩反馈值输出相应的控制信号,实现转矩分配控制。本实施例充分考虑双段式电励磁双凸极电机的特性,能够有效地提升其平均输出转矩。
总结来说,本实施例由于对双段式电励磁双凸极电机采用转矩分配控制方法,充分利用双段式电励磁双凸极电机的两段电机的转子位置差的特性,在不同转子位置处给两段电机分配不同的转矩给定值。因而该方法能有效地提升双段式电励磁双凸极电机的平均输出转矩,为双段式电励磁双凸极电机在航空起动发电领域的推广应用奠定了一定的基础。
下面结合具体举例,提供一种本实施例的可能的实现方式,其中:
图1为本实施例的双段式电励磁双凸极电机拓扑图。双段式电励磁双凸极电机包含两段结构相同的电励磁双凸极电机。其中,两段电机的定子铁心共用一套励磁绕组,电枢绕组相互独立,且嵌于各自的定子槽内;两段电机的转子同轴安装,且转子存在22.5°的机械角度差(即180°电角度差)。
具体实施方案一、图2为双段式电励磁双凸极电机的转矩分配控制框图,结合图2说明本实施方案,具体实施方案用文字描述如下:
步骤一、在实施本实施例所述的双段式电励磁双凸极电机的转矩分配控制方法前,通过仿真获取最优转矩分配比曲线。
步骤二、由旋转变压器采集到单段电机(第一电机)的转子位置信号θr1,经过解码器输出转速的反馈值n,转速给定值n*与转速反馈值n作差,经过转速PI调节器输出双段式电励磁双凸极电机的总转矩给定值T*;
步骤四、两段电机的转矩观测器根据电流霍尔传感器采集的两段电机的三相电流信号iA1、iB1、iC1、iA2、iB2、iC2,以及由旋转变压器采集的转子位置信号θr1和θr2,分别输出两段电机的转矩反馈值T1和T2;
具体实施方案二、本实施方案是对实施方案一所述的双段式电励磁双凸极电机的转矩分配控制方法的进一步说明,实施方案一中所述的转子位置和转速信号是由旋转变压器及其解码器等相关硬件电路采集获得。
实施方案一中所述的电流信号是通过三个电流霍尔传感器分别采集三相电流的模拟信号,三相电流模拟信号经采样电阻转化为电压信号,经过二阶低通有源滤波器滤除高频噪声信号,然后送入A/D转换芯片将模拟信号转换为数字信号iA1、iB1、iC1、iA2、iB2、iC2,然后将A/D转换芯片输出的数字信号送入微处理器。
实施方案一中所述的控制信号ck1和ck2的获得方法如下:转矩的给定值Tp *与反馈值Tp作差,得到转矩的控制误差Tp_err。若Tp_err<-Tband(Tband为转矩滞环控制的环宽),则控制信号为低电平,即ckp=0;若Tp_err>Tband,则控制信号为高电平,即ckp=1;若-Tband<Tp_err<Tband,则控制信号保持不变。其中,p表示第一电机或2。
具体实施方案三、本实施方案是对实施方案一所述的双段式电励磁双凸极电机的转矩分配控制方法的进一步说明,实施方案一中所述的获取最优转矩分配比曲线,具体实施方案分为以下三步:
(1).对于单段电励磁双凸极电机,仿真得到不同转矩分配比条件下,单个电周期内的三相电流波形;
(2).结合步骤1中的得到的三相电流波形,得到三相电流均方根的平均值随转子位置角和转矩分配比的变化规律,构建相应的三维查找表i(θ,kT);
(3).根据三维查找表i(θ,kT),获取不同转子位置角下使得目标函数最大的转矩分配比,作为该转子位置处的最优转矩分配比,从而形成最优转矩分配比曲线。本步骤所构建的目标函数为:
其中,T*为总转矩给定值,和分别代表第一电机和第二电机的三相电流值,θr1为第一电机的转子位置信号,θr2为第二电机的转子位置信号,kTT*即为T1 *表示第一电机的转矩给定值,(1-kT)T*即为T1 *表示第二电机的转矩给定值。
图3和图4即为实施方案三所获取的相关仿真结果,其中,图3为单段电励磁双凸极电机的三相电流均方根的平均值关于转子位置角和转矩分配比的三维波形图;图4为本实施例所得到的双段式电励磁双凸极电机的最优转矩分配比曲线。其中,图3的z轴表示三相电流均方根的平均值。
为了验证本实施例所提出的双段式电励磁双凸极电机转矩分配控制方法提升电机转矩能力的有效性,图5和图6分别给出了现有文献(Chen Z,Wang H,Yan Y.A DoublySal ient Starter/Generator With Two-Section Twisted-Rotor Structure forPotential Future Aerospace Appl ication[J].IEEE Transactions on IndustrialElectronics,2012,59(9):3588-3595.)中所采用的双段式电励磁双凸极电机传统控制方法和本实施例所提出的双段式电励磁双凸极电机的转矩分配控制方法的仿真结果。其中,图5(a)、5(b)、6(a)和6(b)分别为两种控制方法下的第一电机和2的三相电流波形。图5(c)和6(c)分别为两种控制方法下的第一电机和第二电机的转矩波形以及总转矩波形。其中,iA1、iB1、iC1、iA2、iB2、iC2分别为第一电机和第二电机的三相电流,T1和T2分别表示第一电机和第二电机的转矩,T表示双段式电励磁双凸极电机的总转矩。
在两种控制方式下,总转矩给定值T*均设置为12N·m,在双段式电励磁双凸极电机传统控制方法下,两段电机三相电流均方根的平均值为65.24A;而在本实施例所提出的双段式电励磁双凸极电机的转矩分配控制方法下,两段电机三相电流均方根的平均值为58.46A。由此可得出结论,在双段式电励磁双凸极电机输出转矩一定的情况下,采用本实施例所提出的双段式电励磁双凸极电机的转矩分配控制方法所需要的电流小于采用双段式电励磁双凸极电机传统控制方法,因此验证了双段式电励磁双凸极电机转矩分配控制方法提升电机转矩能力的有效性。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其,对于设备实施例而言,由于其基本相似于方法实施例,所以描述得比较简单,相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种用于双段式电励磁双凸极电机的转矩分配控制方法,其特征在于,包括:
S1、采集第一电机的转子位置信号,并利用所述转子位置信号得到双段式电励磁双凸极电机的总转矩给定值;
S2、获取最优转矩分配比,根据所述最优转矩分配比和所述总转矩给定值,获取所述第一电机和第二电机各自的转矩给定值;
S3、获取所述第一电机和所述第二电机各自的转矩反馈值;
S4、根据所述第一电机和所述第二电机各自的转矩给定值和转矩反馈值,获取所述第一电机和所述第二电机各自的控制信号并输出。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述双段式电励磁双凸极电机,包括两段结构相同的所述第一电机和所述第二电机,且都为电励磁双凸极电机;
其中,所述第一电机的定子铁心和所述第二电机的定子铁心共用一套励磁绕组;
所述第一电机的电枢绕组与所述第二电机的电枢绕组相互独立,嵌于各自的定子槽内;
所述第一电机的转子和所述第二电机的转子同轴安装,且两个转子存在22.5°的机械角度差。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤S1包括:
通过旋转变压器采集所述第一电机的转子位置信号θr1并输入解码器,所述解码器输出转速的反馈值n,其中,θ表示位置,r(rotor)表示转子;
将转速给定值n*与所述转速反馈值n作差,并通过转速PI调节器输出为双段式电励磁双凸极电机的总转矩给定值T*。
6.根据权利要求1或5所述的方法,其特征在于,还包括:
对于单段电励磁双凸极电机,获取在不同转矩分配比条件下的三相电流波形,所述三相电流波形为三相电流在一个电周期内的波形;
利用所述三相电流波形,得到三相电流均方根的平均值随转子位置角和转矩分配比的变化规律,并记录为三维查找表i(θ,kT),其中,i表示三相电流均方根的平均值;
对于一个转子,根据所述三维查找表i(θ,kT),获取不同转子位置角下使得目标函数最大的转矩分配比,作为该转子位置处的最优转矩分配比,并得到所述最优转矩分配比曲线。
8.根据权利要求1或4所述的方法,其特征在于,所述步骤S3包括:
通过两个转矩观测器,分别输出所述第一电机的转矩反馈值T1和所述第二电机的转矩反馈值T2,其中,输入转矩观测器1的信号包括:电流霍尔传感器采集的电流信号iA1、iB1和iC1,和由旋转变压器采集的转子位置信号θr1,输入转矩观测器2的信号包括:所述电流霍尔传感器采集的电流信号iA2、iB2和iC2,和由旋转变压器采集的转子位置信号θr2,其中,A1、B1、C1表示第一台电机的ABC三相,A2、B2、C2表示第二电机的ABC三相。
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CN102946227A (zh) * | 2012-10-26 | 2013-02-27 | 福州大学 | 凸极式永磁无刷直流电机电磁转矩观测方法及装置 |
CN103401506A (zh) * | 2013-08-06 | 2013-11-20 | 东南大学 | 一种电动车用隐极式混合励磁电机直接转矩控制方法 |
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-
2020
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Patent Citations (5)
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