CN112653358A - 一种12/10极结构的电励磁双凸极电机的转矩脉动抑制方法 - Google Patents

一种12/10极结构的电励磁双凸极电机的转矩脉动抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种12/10极结构的电励磁双凸极电机的转矩脉动抑制方法，包括：对所述电励磁双凸极电机采用正弦波驱动，在反电势存在5、7谐波时，电励磁双凸极输出转矩脉动存在固定次谐波；在不改变电枢绕组驱动控制方式下，通过在励磁电流中注入谐波的控制方式，消除所述电励磁双凸极电机的输出转矩脉动。本发明能够有效降低正弦波驱动方式下12/10极结构电励磁双凸极电机的转矩脉动。

Description

一种12/10极结构的电励磁双凸极电机的转矩脉动抑制方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种12/10极结构的电励磁双凸极电机的转矩脉动抑制方法。
背景技术
双凸极电机结构与SRM类似，其定转子都是凸极式结构，但与SRM不同的是，双凸极电机定子侧采用了永磁体励磁或者直流绕组励磁，在电感变化的上升和下降区间均能够出力，提高了功率密度。电励磁双凸极电机(DSEM)转子上无永磁体和绕组，具有结构简单，控制灵活，容错性能好，使用恶劣工况的优点，在电动汽车、航空等领域均有很好的应用前景。由于DSEM采用了直流绕组励磁，大大降低电机的制造成本，并且励磁电流可控，非常容易实现弱磁升速，但是由于励磁绕组需要消耗一定的能量，导致DSEM效率相对较低。将励磁绕组复用至电机驱动器的前级DCDC中，不仅能够解决传统DSEM励磁损耗的问题，显著提高了系统的效率，还可以有效改善驱动运行的输出特性。
电动机的转矩脉动问题对电机的平稳运行十分重要，由于DSEM定转子均为凸极结构，电动运行时常采用的三相三状态通电规则在电枢绕组电感最大处换相，造成一定的转矩跌落，带来较大的转矩脉动。对于传统方波控制的DSEM，常采用换相角度优化的转矩脉动抑制策略，比如标准角控制策略、提前角度控制策略、三相六状态控制策略和三相九状态控制方法等策略，其效果相比正弦波控制的电机系统还有一定差距。DSEM反电势在空载时由于未受到电枢反应的影响一般呈方波状，而在励磁电流较大时，电枢绕组通入电流产生电枢反应，电机局部磁路更加饱和使得反电势趋于正弦化，所以也可以采用正弦波的驱动方式，仿真与实验均表明正弦波驱动方式大大减小了DSEM在换相时的转矩脉动。
在正弦波驱动的永磁同步电机(PMSM)中，常用定子电流补偿法的基本原理来抑制转矩脉动，比如定子谐波电流注入，注入的谐波电流通过与由非理想因素造成的扰动电流相互作用来抵消电机的转矩波动，从而降低转速波动，其方法常较为复杂。而目前还没有针对正弦波驱动的DSEM的转矩脉动抑制策略，在正弦波驱动的DSEM仿真与实验中，均发现其电磁转矩中存在较大的6次谐波分量，这主要是由于电机反电势中存在的高次谐波等非理想因素导致的。相比于PMSM，DSEM由于励磁绕组的特殊存在，给其驱动系统带来了更多的灵活性和可能性，因此，如何利用DSEM的励磁绕组针对电机中的非理想因素来方便快捷地抑制电机的转矩脉动具有很好的研究意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种12/10极结构的电励磁双凸极电机的转矩脉动抑制方法，用以在不改变电枢绕组驱动控制方式下，通过励磁电流的控制注入谐波，消除双凸极电机输出转矩脉动。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方式是：一种12/10极结构的电励磁双凸极电机的转矩脉动抑制方法，包括：对所述电励磁双凸极电机采用正弦波驱动，在反电势存在5、7谐波时，电励磁双凸极输出转矩脉动存在固定次谐波；
在不改变电枢绕组驱动控制方式下，通过在励磁电流中注入谐波的控制方式，消除所述电励磁双凸极电机的输出转矩脉动。
进一步的，所述电励磁双凸极电机的励磁转矩的表达式为：
Figure BDA0002875516660000021
公式(1)中，iA、iB、iC表示为三相电流，iF表示为励磁电流，LAF、LBF、LCF为励磁绕组与各相相绕组间的互感，θ表示电角度，eAF、eBF、eCF为各相反电势，ω为电角频率；
所述电励磁双凸极电机的输出转矩的表达式为：
Te＝ImiF(a+bcos(6ωt)) (2)
公式(2)中，Im为相电流幅值，a为反电势基波分量对应的常数系数，b为反电势5、7次谐波分量对应的系数，ω为电角频率，iF表示为励磁电流。
进一步的，所述通过在励磁电流中注入谐波的控制方式，消除所述电励磁双凸极电机的输出转矩脉动，具体包括如下步骤：
步骤S101、所述电励磁双凸极电机的输出转矩包含6次谐波导致的转矩脉动，通过在励磁电流中注入6次谐波，得到励磁电流的表达式为：
iF＝IF0+IFmcos(6ωt) (3)
公式(3)中，IF0为励磁电流直流分量幅值，IFm为注入励磁电流中6次谐波的分量幅值，iF表示为励磁电流；
步骤S102、所述电励磁双凸极电机的输出转矩的表达式更新为公式(4)，具体为：
Figure BDA0002875516660000022
公式(4)中，IF0为励磁电流直流分量幅值，IFm为励磁电流6次谐波分量幅值，Im为相电流幅值，a为反电势基波分量对应的常数系数，b为反电势5、7次谐波分量对应的系数，ω为电角频率；
步骤S103、忽略输出转矩中的12次的谐波，对所述电励磁双凸极电机的输出转矩的表达式进行再一次更新，具体为：
Te＝aImIF0+Im(IFma+IF0b)cos(6ωt) (5)
公式(5)中，IF0为励磁电流直流分量幅值，IFm为励磁电流6次谐波分量幅值，Im为相电流幅值，a为反电势基波分量对应的常数系数，b为反电势5、7次谐波分量对应的系数，ω为电角频率；
步骤S104、通过改变所注入的励磁电流谐波的幅值IFm使得IFma+IF0b为零，用以实现对转矩脉动进行抑制。
进一步的，在所述步骤S104中，所述幅值IFm的最优表达式为：
Figure BDA0002875516660000031
公式(6)中，IF0为励磁电流直流分量幅值，b为反电势5、7次谐波分量对应的系数，a为反电势基波分量对应的常数系数。
进一步的，在所述步骤S101中，注入的6次谐波与A相电流的初相相等，初相角由电机驱动系统中的位置传感器检测获取为θm，对应注入的谐波的表达式为：
iFm＝IFmcos(6pθm) (7)
公式(7)中，IFm表示注入励磁电流中6次谐波的幅值，θm表示为注入励磁电流中6次谐波的初相角。
进一步的，在励磁电流控制中，励磁电流给定为带直流偏置的正弦信号，采用重复控制器与PI控制器并联的调节方式；所述重复控制器内模中的低通滤波器采用FIR滤波器，用以跟踪不同频率给定信号。
本发明的有益效果是：
1、相比于传统直流励磁的控制方法，本发明提出的励磁电流谐波注入的控制方法能够有效降低正弦波驱动下的电励磁双凸极电机转矩脉动，降低电机运行时噪音。
2、本发明给出的励磁电流谐波给定函数能够跟随励磁电流直流分量以及转速变化实时给定，在不同励磁电流及不同转速下均适用。
3、本发明给出的励磁电流谐波最优幅值公式与相电流无关，则在相同励磁电流直流分量的情况下，同一励磁电流谐波给定函数适用于不同相电流工况下，尤其适用于重载工况下。
附图说明
图1为直流励磁时电励磁双凸极电机反电势波形。
图2为应用本发明的电励磁双凸极电机控制框图。
图3和图4为应用本发明的励磁电流给定函数波形图。
图5和图6为应用本发明的励磁电流仿真波形图。
图7为应用本发明的电励磁双凸极电机三相电流仿真波形图。
图8为应用本发明的电励磁双凸极电机的三相电流及励磁电流稳态仿真波形图。
图9为应用本发明的电励磁双凸极电机的转速仿真波形图。
图10为应用本发明的电励磁双凸极电机的转矩仿真波形图。
图11为未应用本发明的采用直流励磁的电励磁双凸极电机的转矩仿真波形图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1-图4，本实施例提供一种12/10极结构的电励磁双凸极电机的转矩脉动抑制方法，包括：对电励磁双凸极电机采用正弦波驱动，在反电势存在5、7谐波时，电励磁双凸极输出转矩脉动存在固定次谐波；
在不改变电枢绕组驱动控制方式下，通过在励磁电流中注入谐波的控制方式，消除电励磁双凸极电机的输出转矩脉动。
具体的说，首先通过有限元仿真得到12/10极六相绕组两两反向串联的电励磁双凸极电机直流励磁时反电势波形，如图1所示，经拟合处理后保留主要部分的5、7次谐波得到dLAF/dθ、dLBF/dθ、dLCF/dθ的拟合函数，表达式如下：
Figure BDA0002875516660000041
Figure BDA0002875516660000042
Figure BDA0002875516660000043
因为电励磁双凸极电机正弦波驱动，故令iA＝Imsin(ωt)，iB＝Imsin(ωt-2π/3)，iC＝Imsin(ωt+2π/3)；
已知电励磁双凸极电机的励磁转矩公式，如下式：
Figure BDA0002875516660000051
因为12/10极结构的电励磁双凸极电机正弦化发电是中由于齿槽结构特性，反电势波形主要含有典型的5、7次谐波，采用三相正弦电流驱动方式下，其中iA＝Imsin(ωt)，其电磁转矩公式为：
Te＝ImiF(0.1112+0.004582cos(6ωt+2.647°))≈ImiF(0.1112+0.004582cos(6ωt))
可以得到a和b的近似值，具体见下式：
Figure BDA0002875516660000052
电励磁双凸极电机电磁转矩包含6次谐波导致的转矩脉动，通过励磁电流控制，注入6次谐波，具体表达式见下式：
iF＝IF0+IFmcos(6ωt)
将励磁电流公式代入电磁转矩公式中并忽略系数很小的项可得：
Te＝0.1112ImIF0+Im(0.1112IF0+0.004582IFm)cos(6ωt)
通过改变所注入的励磁电流谐波的幅值IFm使得IFma+IF0b为零，即可实现谐波转矩脉动的抑制。
实施例2
参见图5-图11，本实施例在实施例1的基础之上，提供一种12/10极结构的电励磁双凸极电机的转矩脉动抑制方法，在本实施例中，工况为转速200rpm，平均电磁转矩为10N·m，励磁电流直流分量为12A，相电流幅值为7.5A，为了使得电磁转矩公式中6次谐波分量的系数最小，则注入谐波的最优幅值为：
Figure BDA0002875516660000053
在励磁电流公式中，默认6次谐波与A相电流初相相等，而该控制方法实际使用时，若两者初相有偏移将导致转矩脉动抑制效果不佳甚至增大转矩脉动，同时正弦波驱动时存在位置传感器获取电机实时的机械角位置。
在本实施例中电励磁双凸极电机为12/10极结构，等效为10对极电机，极对数为10，因此设计所注入谐波的关于电机机械角位置的给定函数：
iFm＝IFmcos(6pθm)＝-0.49cos(60θm)
则励磁电流的给定函数为：
iF＝12-0.49cos(60θm)
通过上述励磁电流6次谐波注入，能够最大限度降低电磁转矩中6次谐波分量的幅值，实现抑制转矩脉动的效果。
由于励磁电流给定为带直流偏置的正弦信号，故采用重复控制器与PI控制器并联的方式，在保证动态性能的同时实现对给定信号的无静差跟踪，且重复控制器内模中的低通滤波器可采用FIR滤波器以优化对不同频率给定信号的跟踪。
为了验证上述方法对正弦波驱动的12/10极电励磁双凸极电机转矩脉动抑制的有效性，对实施例中的电励磁双凸极电机及其对应工况进行Matlab/Simulink仿真。其工况为，转速给定200rpm，带载启动，负载转矩为10N·m，励磁电流给定为上述给定函数。
具体仿真请参见图5-图11，具体的说，图5和图6为励磁电流仿真波形图，可以看出随着转速升高，励磁电流谐波的频率逐渐升高；图7为电机三相电流仿真波形图，其正弦度较好；图8为电机三相电流及励磁电流稳态仿真波形图，可以看出励磁电流能够跟随相电流的6倍频相位；图9为电机的转速波形图，稳态时能够稳定在给定转速；图10为励磁电流注入谐波后的电磁转矩仿真波形图；图11为励磁电流为直流的电磁转矩仿真波形图。
综上所述，应用本发明的励磁电流注入谐波后的电磁转矩稳态脉动为0.366N·m，转矩脉动率约为：3.7％，传统的励磁电流为直流的电磁转矩稳态脉动为0.987N·m，转矩脉动率约为9.9％。因此本例中应用本发明的降低正弦波驱动的电励磁双凸极电机转矩脉动的控制方法，能够相比传统直流励磁的控制方法，转矩脉动降低了约62.9％。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种12/10极结构的电励磁双凸极电机的转矩脉动抑制方法，其特征在于，包括：对所述电励磁双凸极电机采用正弦波驱动，在反电势存在5、7谐波时，电励磁双凸极输出转矩脉动存在固定次谐波；
在不改变电枢绕组驱动控制方式下，通过在励磁电流中注入谐波的控制方式，消除所述电励磁双凸极电机的输出转矩脉动。
2.根据权利要求1所述的一种12/10极结构的电励磁双凸极电机的转矩脉动抑制方法，其特征在于，所述电励磁双凸极电机的励磁转矩的表达式为：
Figure FDA0002875516650000011
公式(1)中，iA、iB、iC表示为三相电流，iF表示为励磁电流，LAF、LBF、LCF为励磁绕组与各相相绕组间的互感，θ表示电角度，eAF、eBF、eCF为各相反电势，ω为电角频率；
所述电励磁双凸极电机的输出转矩的表达式为：
Te＝ImiF(a+bcos(6ωt)) (2)
公式(2)中，Im为相电流幅值，a为反电势基波分量对应的常数系数，b为反电势5、7次谐波分量对应的系数，ω为电角频率，iF表示为励磁电流。
3.根据权利要求2所述的一种12/10极结构的电励磁双凸极电机的转矩脉动抑制方法，其特征在于，所述通过在励磁电流中注入谐波的控制方式，消除所述电励磁双凸极电机的输出转矩脉动，具体包括如下步骤：
步骤S101、所述电励磁双凸极电机的输出转矩包含6次谐波导致的转矩脉动，通过在励磁电流中注入6次谐波，得到励磁电流的表达式为：
iF＝IF0+IFmcos(6ωt) (3)
公式(3)中，IF0为励磁电流直流分量幅值，IFm为注入励磁电流中6次谐波的分量幅值，iF表示为励磁电流；
步骤S102、所述电励磁双凸极电机的输出转矩的表达式更新为公式(4)，具体为：
Figure FDA0002875516650000012
公式(4)中，IF0为励磁电流直流分量幅值，IFm为励磁电流6次谐波分量幅值，Im为相电流幅值，a为反电势基波分量对应的常数系数，b为反电势5、7次谐波分量对应的系数，ω为电角频率；
步骤S103、忽略输出转矩中的12次的谐波，对所述电励磁双凸极电机的输出转矩的表达式进行再一次更新，具体为：
Te＝aImIF0+Im(IFma+IF0b)cos(6ωt) (5)
公式(5)中，IF0为励磁电流直流分量幅值，IFm为励磁电流6次谐波分量幅值，Im为相电流幅值，a为反电势基波分量对应的常数系数，b为反电势5、7次谐波分量对应的系数，ω为电角频率；
步骤S104、通过改变所注入的励磁电流谐波的幅值IFm使得IFma+IF0b为零，用以实现对转矩脉动进行抑制。
4.根据权利要求3所述的一种12/10极结构的电励磁双凸极电机的转矩脉动抑制方法，其特征在于，在所述步骤S104中，所述幅值IFm的最优表达式为：
Figure FDA0002875516650000021
公式(6)中，IF0为励磁电流直流分量幅值，b为反电势5、7次谐波分量对应的系数，a为反电势基波分量对应的常数系数。
5.根据权利要求4所述的一种12/10极结构的电励磁双凸极电机的转矩脉动抑制方法，其特征在于，在所述步骤S101中，注入的6次谐波与A相电流的初相相等，初相角由电机驱动系统中的位置传感器检测获取为θm，对应注入的谐波的表达式为：
iFm＝IFmcos(6pθm) (7)
公式(7)中，IFm表示注入励磁电流中6次谐波的幅值，θm表示为注入励磁电流中6次谐波的初相角。
6.根据权利要求5所述的一种12/10极结构的电励磁双凸极电机的转矩脉动抑制方法，其特征在于，在励磁电流控制中，励磁电流给定为带直流偏置的正弦信号，采用重复控制器与PI控制器并联的调节方式；所述重复控制器内模中的低通滤波器采用FIR滤波器，用以跟踪不同频率给定信号。
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