CN114123928B - 基于n+1桥臂的n相双凸极电机最优电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了基于N+1桥臂的N相双凸极电机最优电流控制方法，该方法具体包括如下步骤：首先将实际转速与参考转速进行比较送入PI调节器得到参考转矩，而后根据参考转矩得到正向电流、负向电流和励磁电流的参考值，再通过滞环控制得到逆变器开关管的控制信号，实现对电流的直接控制，从而实现转速‑最优电流双闭环控制。该发明在能够实现N相双凸极电机不对称电流控制的同时还能够有效的降低逆变器成本。

Description

基于N+1桥臂的N相双凸极电机最优电流控制方法

技术领域

本发明属于电力驱动技术领域。

背景技术

电励磁双凸极电机是一种新型磁阻电机，其特点是电机转子仅由硅钢片叠压而成，转子上无线圈无永磁体无滑环，能够在恶劣的环境下工作。由于电励磁双凸极电机结构坚固可靠，不会出现转子励磁式电机励磁体易飞散和散热差的问题，且其定子上有独立的直流励磁绕组，发电控制简单，可用作飞机起动发电机，特别是在多电发动机内装式高速起动发电系统应用中具有独特的竞争优势和应用前景。

双凸极电机和开关磁阻电机相同之处是定子和转子铁心组件均为凸极结构，不同之处是双凸极电机定子上有直流励磁线圈或永磁磁钢，而开关磁阻电机则没有。双凸极电机和其他电机一样，均是可逆的，既可作发电机也可作电动机。但是和直流电机、异步电机不同，直流电动机接入直流电源即可旋转，异步电动机接入交流电源也能工作，而双凸极电机却不能。双凸极电机必须与电机转子位置传感器、功率变换器和控制器组合才能电动运行，是一种转速可调的电机。电励磁双凸极电机使用功率变换器替代机械换向器，从而消除了有刷电机的换相问题，在电励磁双凸极电机的研究过程中，许多研究学者提出不同种类的控制拓扑。

根据电励磁双凸极电机的电磁特性，全桥变换器是一种常用的控制拓扑。全桥控制具有控制简单、静态特性和动态特性良好的优点，但不能实现每一相电流的单独控制，在换相的时候容易产生负转矩，使得电机转矩脉动增大。采用半桥变换器可以很好的避免这个问题，仿真和实验结果表明分裂电容半桥式控制可以有效进行转矩脉动的抑制。但是为了保持电源电压稳定，所需要的分裂电容容值比较大，而且存在分裂电容充放电不平衡的问题。

由于电励磁双凸极电机磁路不可避免会出现磁饱和现象，通入负电流时会产生去磁作用，因此相同幅值的负向电流产生的电磁力矩要明显小于正向电流产生的电磁力矩。针对这一特性，需要采用不对称电流的控制方式，同时为了实现这一控制方式，就得需要对传统全桥控制电路进行改进为H桥的控制拓扑。H桥电路可以将中性点解开，实现每一相的解耦控制。但H桥变换器相对于全桥变换器要多一倍的开关管，这大大增加了成本。

发明内容

发明目的：为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于N+1桥臂的N相双凸极电机最优电流控制方法。

技术方案：本发明提供了一种基于N+1桥臂的N相双凸极电机最优电流控制方法，其特征在于，所述N+1桥臂为N+1桥臂逆变器中N+1桥臂，具体方法包括如下步骤：

步骤1：实时采集N相励磁双凸极电机的实际电枢电流，实际励磁电流I_f和位置信号，根据N相励磁双凸极电机的位置信号计算N相励磁双凸极电机的位置角的角度θ和N相励磁双凸极电机的实际转速；

步骤2：根据实际转速和预设的参考转速采用PI调节计算得到参考转矩T_ref，根据参考转矩T_ref计算得到电枢正向参考电流I_{p_ref}、电枢负向参考电流I_{n_ref}和励磁电流的参考值I_{f_ref}；

步骤3：将N相励磁双凸极电机的第i相的实际电枢正向电流和I_{p_ref}进行比较得到两者之间的差值，将N相励磁双凸极电机的第i相的实际电枢负向电流和I_{n_ref}进行比较得到两者之间的差值，将两个差值分别进行滞环控制，得到N相励磁双凸极电机的第i相正电流斩波信号P_i1和N相励磁双凸极电机的第i相负电流斩波信号P_i2；

将I_f与I_{f_ref}进行比较，得到两者的差值，并对该差值进行滞环控制，根据滞环控制后的结果对N相励磁双凸极电机的励磁电流进行实时调节；使得N相励磁双凸极电机的励磁电流跟踪I_{f_ref}；

步骤4：根据P_i1和P_i2计算N+1桥臂的第i桥臂中上管的控制信号C_i，1和下管的控制信号C_i，2；

步骤5：根据N+1桥臂的N个桥臂的上下管控制信号，计算得到第N+1桥臂的上、下管控制信号；从而使得N相励磁双凸极电机的电枢正向电流跟踪I_{p_ref}，电枢负向电流跟踪I_{n_re}，最终实现转速-最优电流双闭环控制。

进一步的，所述步骤3中根据如下公式计算第i桥臂中上管的控制信号C_i，1和下管的控制信号C_i，2：

其中S_i1是N相励磁双凸极电机的第i相通入正向电流的位置角信号，S_i2是N相励磁双凸极电机的第i相通入负向电流的位置信号，如果θ在S_i1对应的位置角度范围内，则S_i1＝1，否则S_i1＝0。

进一步的，所述步骤5具体为：根据如下公式计算第N+1桥臂的上管的控制信号C_N+1,1：

其中C_1,2表示第1桥臂的下管的控制信号，C_j+1,2表示第j+1桥臂的下管的控制信号，C_N-1,2表示第N—1桥臂的下管的控制信号,C_j+1,2表示第j+1桥臂的下管的控制信号；

第N+1桥臂的下管的控制信号为C_N+1,2：

其中C_1,1表示第1桥臂的上管的控制信号，C_j+1,1表示第j+1桥臂的上管的控制信号，C_N-1,1表示第N-1桥臂的上管的控制信号,C_j+1,1表示第j+1桥臂的上管的控制信号。

基于N+1桥臂的N相励磁双凸极电机最优电流控制系统，包括励磁电流检测模块，第一～三滞环控制模块，位置信号采集模块，励磁驱动模块，驱动逻辑运算模块，励磁电流调节器，PI调节模块，电枢电流检测模块和最优电流控制模块，位置角计算模块和转速计算模块；

所述N相励磁双凸极电机的绕组和N+1桥臂逆变器的交流侧连接，所述励磁电流检测模块实时检测N相励磁双凸极电机的励磁电流I_f，电枢电流检测模块实时检测N相励磁双凸极电机的实际电枢电流，所述实际电枢电流包括每相电枢正向电流和每相电枢负向电流；所述位置信号采集模块实时采集N相励磁双凸极电机的位置信息，并传送至位置角计算模块和转速计算模块，所述位置角计算模块根据位置信息计算得到当前时刻的位置角θ，所述转速计算模块根据位置信息计算得到当前时刻的转速；所述PI调节模块根据当前时刻的转速和预设的参考转速，计算得到参考转矩T_ref,并将参考转矩传送至最优电流控制模块，所述最优电流控制模块根据T_ref计算得到电枢正向参考电流I_{p_ref}、电枢负向参考电流I_{n_ref}和励磁电流的参考值I_{f_ref}，将N相励磁双凸极电机每相实际电枢正向电流和I_{p_ref}进行比较，并将比较的结果传送至第一滞环控制模块，将N相励磁双凸极电机每相实际电枢负向电流和I_{n_ref}进行比较，并将比较的结果传送至第二滞环控制模块，将N相励磁双凸极电机实际励磁电流和I_{f_ref}进行比较，并将比较的结果传送至第三滞环控制模块，所述第一，二滞环控制模块将计算结果传送至驱动逻辑运算模块，所述驱动逻辑运算模块产生驱动每个桥臂的上、下管的驱动信号；所述第三滞环控制模块将计算结果传送至励磁驱动模块，所述励磁驱动模块通过励磁调节器对N相励磁双凸极电机的励磁电流进行调节。

进一步的，该系统还包括，直流母线电源和励磁电源；所述直流母线电源为N+1桥臂逆变器提供直流电源，所述励磁电源为励磁电流调节器供电。

有益效果：本发明能够实现相间解耦，从而实现不对称电流控制，提高了双凸极电机及驱动系统效率，且本发明不存在分裂电容充电不平衡等问题，同时降低了成本。

附图说明

图1为本发明的工作原理图；

图2为本发明的系统结构图；

图3为四相电励磁双凸极电机的结构示意图；

图4为五桥臂控制拓扑的工作原理图；其中图(a)为A、C相电流未达到斩波上限时的电流路径图，图(b)为A相电流达到斩波上限、C相电流未达到斩波上限的电流路径图，图(c)为A相电流达到斩波上限、C相电流未达到斩波上限的电流路径图，图(d)为A、C相电流均达到斩波上限时的电流路径图；

图5为采用标准角控制下的四相电流波形；

图6为负向电流换相情况下的电流流向图；

图7为采用提前角控制下的四相电流波形图；

图8为四相电励磁双凸极电机的转速曲线图。

附图标记说明：1、定子；2、转子；4、励磁绕组；3、电枢绕组。

具体实施方式

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，本实施例提供一种基于N+1桥臂的N相双凸极电机最优电流控制方法，控制思路可以简述为电励磁双凸极电机实际转速与参考转速进行比较送入PI调节器得到参考转矩T_ref，而后经过最优电流分配模块得到电枢正向参考电流I_{p_ref}、电枢负向参考电流I_{n_ref}和励磁电流的参考值I_{f_ref}，再通过本发明的滞环控制逻辑得到逆变器开关管的控制信号，实现电机电枢实际正向电流跟踪电枢正向电流参考值，电枢实际负向电流跟踪电枢负向电流参考值，励磁电流跟踪励磁电流参考值，从而实现转速-最优电流双闭环控制。具体步骤为：

步骤1：实时采集N相励磁双凸极电机的实际电枢电流，实际励磁电流If和位置信号，根据N相励磁双凸极电机的位置信号计算N相励磁双凸极电机的位置角的角度θ和N相励磁双凸极电机的实际转速；

步骤2：根据实际转速和预设的参考转速采用PI调节计算得到参考转矩T_ref，根据参考转矩T_ref计算得到电枢正向参考电流I_{p_ref}、电枢负向参考电流I_{n_ref}和励磁电流的参考值I_{f_ref}；

步骤3：将N相励磁双凸极电机的第i相的实际电枢正向电流和I_{p_ref}进行比较得到两者之间的差值，将N相励磁双凸极电机的第i相的实际电枢负向电流和I_{n_ref}进行比较得到两者之间的差值，将两个差值分别进行滞环控制，得到N相励磁双凸极电机的第i相正电流斩波信号P_i1和N相励磁双凸极电机的第i相负电流斩波信号P_i2；

将I_f与I_{f_ref}进行比较，得到两者的差值，并对该差值进行滞环控制，根据滞环控制后的结果对N相励磁双凸极电机励磁电流进行实时调节；使得N相励磁双凸极电机的励磁电流跟踪I_{f_ref}；

步骤4：根据P_i1和P_i2计算N+1桥臂的第i桥臂中上管的控制信号C_i，1和下管的控制信号C_i，2；

步骤5：根据N+1桥臂的N个桥臂的上下管控制信号计算得到第N+1桥臂的上、下管控制信号；使得N相励磁双凸极电机的电枢正向电流跟踪I_{p_ref}，电枢负向电流跟踪I_{n_re}，最终实现转速-最优电流双闭环控制。

所述步骤4中根据如下公式计算第i桥臂中上管的控制信号C_i，1和下管的控制信号C_i，2：

其中S_i1是N相励磁双凸极电机的第i相通入正向电流的位置角信号，S_i2是N相励磁双凸极电机的第i相通入负向电流的位置信号，如果θ在S_i1对应的位置角度范围内，则S_i1＝1，否则S_i1＝0。

所述步骤5具体为：根据如下公式计算第N+1桥臂的上管的控制信号C_N+1,1：

其中C_1,2表示第1桥臂的下管的控制信号，C_j+1,2表示第j+1桥臂的下管的控制信号，C_N-1,2表示第N—1桥臂的下管的控制信号,C_j+1,2表示第j+1桥臂的下管的控制信号；

第N+1桥臂的下管的控制信号为C_N+1,2：

其中C_1,1表示第1桥臂的上管的控制信号，C_j+1,1表示第j+1桥臂的上管的控制信号，C_N-1,1表示第N-1桥臂的上管的控制信号,C_j+1,1表示第j+1桥臂的上管的控制信号。

如图1,2所示，本实施例提供了一种基于N+1桥臂的N相励磁双凸极电机最优电流控制系统，包括励磁电流检测模块，第一～三滞环控制模块，位置信号采集模块，励磁驱动模块，驱动逻辑运算模块，励磁电流调节器，PI调节模块，电枢电流检测模块和最优电流控制模块，位置角计算模块和转速计算模块；

所述N相励磁双凸极电机的绕组和N+1桥臂逆变器的交流侧连接，所述励磁电流检测模块实时检测N相励磁双凸极电机的励磁电流I_f，电枢电流检测模块实时检测N相励磁双凸极电机的实际电枢电流，所述实际电枢电流包括每相电枢正向电流和每相电枢负向电流；所述位置信号采集模块实时采集N相励磁双凸极电机的位置信息，并传送至位置角计算模块和转速计算模块，所述位置角计算模块根据位置信息计算得到当前时刻的位置角θ，所述转速计算模块根据位置信息计算得到当前时刻的转速；所述PI调节模块根据当前时刻的转速和预设的参考转速，计算得到参考转矩T_ref,并将参考转矩传送至最优电流控制模块，所述最优电流控制模块根据T_ref计算得到电枢正向参考电流I_{p_ref}、电枢负向参考电流I_{n_ref}和励磁电流的参考值I_{f_ref}，将N相励磁双凸极电机每相实际电枢正向电流和I_{p_ref}进行比较，并将比较的结果传送至第一滞环控制模块，将N相励磁双凸极电机每相实际电枢负向电流和I_{n_ref}进行比较，并将比较的结果传送至第二滞环控制模块，将N相励磁双凸极电机实际励磁电流和I_{f_ref}进行比较，并将比较的结果传送至第三滞环控制模块，所述第一，二滞环控制模块将计算结果传送至驱动逻辑运算模块，所述驱动逻辑运算模块产生驱动每个桥臂的上、下管的驱动信号；所述第三滞环控制模块将计算结果传送至励磁驱动模块，所述励磁驱动模块通过励磁调节器对N相励磁双凸极电机的励磁电流进行调节。

本实施例中该系统还包括，直流母线电源和励磁电源；所述直流母线电源为N+1桥臂逆变器提供直流电源，所述励磁电源为励磁电流调节器供电。

本发明的一个实施例

以N＝4为例，四相电励磁双凸极电机如图3所示，电机主体由定子1和转子2组成，在定子上有励磁绕组4和电枢绕组3。电励磁双凸极电机的励磁磁场可以直接通过调节励磁电流直接调节。在电励磁双凸极电机励磁磁场存在的情况下，只要在四相电枢绕组磁链处于上升区间通入正向电流，磁链处于下降区间通入负向电流就能够使得电机克服负载转矩实现电动控制。

电机控制器驱动励磁电流调节器对励磁电流进行控制，从而调节电励磁双凸极电机的励磁磁场，即励磁电流调节器为电励磁双凸极电机提供励磁电流，产生励磁磁场。直流电源连接励磁电流调节器，给励磁电流调节器供电。

电励磁双凸极电机的四相绕组和五桥臂逆变器的交流侧连接电机绕组的中性点与逆变器的第五桥臂中点相连，逆变器的直流侧通过滤波电容与直流母线连接。在电励磁双凸极电机运行时，五桥臂逆变器将直流母线侧的直流电压转化为四相交变电流供给电励磁双凸极电机四相电枢绕组。

本发明采用的五桥臂逆变器控制拓扑如图4所示，此处以0°到5°机械角内A、C相绕组为例介绍五桥臂拓扑的工作原理。如图4所示。0°到5°内仅有A、C两相处于通电状态且A相通正电流、C相通负电流。也既A相正电流未达到正电流给定值且C相负电流未达到负电流给定值时，导通Q₁₁和Q₂₂开关管，如图4中的(a)所示，此时A相正电流和C相负电流均上升；当A相正电流达到正电流给定值并达到滞环环宽，而C相负电流仍需要继续上升时，此时关闭Q₁₁管并开通第五桥臂上管Q₅₁、Q₁₂和Q₃₂管，如图4中的(b)所示，此时A相正电流将经由Q₁₂和Q₅₁开关管续流下降，而C相负电流继续上升；当A相正电流需要上升，而C相负电流达到负电流给定值并达到滞环环宽时，此时开通第五桥臂下管Q₅₂、Q₁₁和Q₃₁管，如图4中的(c)所示，此时A相正电流将继续上升，而C相负电流将经由Q₅₂、Q₃₁开关管续流下降；当A相正电流达到正电流给定值并达到滞环环宽，C相负电流达到负电流给定值并达到滞环环宽时，开通Q₁₂、Q₃₁，A、C相电流将续流下降，如图4中的(d)所示。

通过图4对A、C相电流的控制逻辑的推导，可以发现A、B、C和D相桥臂的控制逻辑与H桥的控制逻辑基本相同，就是上开关管开通，电流上升。下开关管开通，电流下降。在每一个时刻会有两相通入电流，也就是说在任意时刻，A、B、C和D相桥臂至少有两个管子开通。而且通过观察图4的导通逻辑，可以得出一个结论，当四相桥臂有两个上开关管导通时，打开第五桥臂下开关管。当四相桥臂有两个下管打开时，打开第五桥臂上开关管，定义C_1，1、C_2，1、C_3，1、C_4，1、C_5,1分别为上开关管Q₁₁、Q₂₁、Q₃₁、Q₄₁、Q₅₁的驱动逻辑信号，C_1,2、C_2,2、C_3,2、C_4,2、C_5,2分别为下开关管Q_1,2、Q_2,2、Q_3,2、Q_4,2、Q_5,2的驱动逻辑信号，当信号为“1”时，对应的开关管开通，当信号为“0”时，对应的开关管关断，写成逻辑表达式为：

C₅₁＝C₁₂·C₂₂+C₁₂·C₃₂+C₁₂·C₄₂+C₂₂·C₃₂+C₂₂·C₄₂+C₃₂·C₄₂

C₅₂＝C₁₁·C₂₁+C₁₁·C₃₁+C₁₁·C₄₁+C₂₁·C₃₁+C₂₁·C₄₁+C₃₁·C₄₁

A、B、C、D相桥臂的控制方法如下：

定义通入正向电流机械角0-15°的位置信号为S_A1，15-30°的位置信号为S_B1,30-45°的位置信号为S_C1,45-60°的位置信号为S_D1；定义通入负向电流的机械角20-35°的位置信号为S_A2，35-50°的位置信号为S_B2，50-60°且0-5°为S_C2，5-20°为S_D2。S_A1、S_B1、S_C1、S_D1、S_A2、S_B2、S_C2、S_D2均为逻辑信号。

将四相电流采样值与电枢正向电流参考值、电枢负向电流参考值分别进行比较并送入滞环斩波模块得到四相正电流斩波信号P_A1、P_B1、P_C1、P_D1和四相负电流斩波信号P_A2、P_B2、P_C2、P_D2。以上信号在于位置信号P₀进行逻辑运算即可得到四相桥臂开关管的控制信号C_1，1、C_1，2、C_2，1、C_2，2、C_3，1、C_3，2、C_4，1、C_4，2，即：

采用以上控制，四相电流波形如图5所示，以A相电流为例，可以发现A相正向电流在C、D负向电流换相的过程中出现了电流下降的问题，根据仿真的结果来看，如果母线电压越高，这个电流缺失的范围就越小。

通过图6可以看出，当负向电流由C相切换为D相时，C相开关管全部关闭，C相电流只能通过二极管D₃₁进行续流，由于A相电流下降至斩波下限，所以Q₁₁打开，Q₄₂打开，D相电流负向增加。但此时由于四相桥一个上管打开，一个下管打开，所以第五桥臂开关管不动作，再加上A相正向电流比C相D相的电流和大，所以A相电流必须通过D₅₁进行续流。其电流的流通路径如图5所示。如果忽略二极管和开关管的导通压降。分析A、C和D相绕组两端的电压，可以发现A相和C相绕组两端的电压差为0，D相两端为负压。这说明A相和C相的电流并没有返回电源，而是形成环流消耗在绕组上。这会导致C相电流下降缓慢，而A相电流下降，这个过程会持续到D相电流上升到斩波上限为止。

考虑到A相电流缺失其实是C、D换相时，D相电流上升时间太长导致的，这时候应该对负向电流采用提前角控制。如图7所示，这样就能让D相的负向电流提前趁着第五桥臂上管(开关管或者二极管)导通的时候进行增加。在换相的时候就能降低对A相电流的影响。

图8是电励磁双凸极电机调速系统速度曲线，通过采用本方法，该基于四相五桥臂的电励磁双凸极可以良好的实现对双凸极电机的调速及负载工作。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (1)

1.基于N+1桥臂的N相双凸极电机最优电流控制方法，其特征在于，所述N+1桥臂为N+1桥臂逆变器中N+1桥臂，具体方法包括如下步骤：

步骤1：实时采集N相励磁双凸极电机的实际电枢电流，实际励磁电流I_f和位置信号，根据N相励磁双凸极电机的位置信号计算N相励磁双凸极电机的位置角的角度θ和N相励磁双凸极电机的实际转速；

步骤2：根据实际转速和预设的参考转速采用PI调节计算得到参考转矩T_ref，根据参考转矩T_ref计算得到电枢正向参考电流I_{p_ref}、电枢负向参考电流I_{n_ref}和励磁电流的参考值I_{f_ref}；

步骤3：将N相励磁双凸极电机的第i相的实际电枢正向电流和I_{p_ref}进行比较得到两者之间的差值，将N相励磁双凸极电机的第i相的实际电枢负向电流和I_{n_ref}进行比较得到两者之间的差值，将两个差值分别进行滞环控制，得到N相励磁双凸极电机的第i相正电流斩波信号P_i1和N相励磁双凸极电机的第i相负电流斩波信号P_i2；

将I_f与I_{f_ref}进行比较，得到两者的差值，并对该差值进行滞环控制，根据滞环控制后的结果对N相励磁双凸极电机的励磁电流进行实时调节；使得N相励磁双凸极电机的励磁电流跟踪I_{f_ref}；

步骤4：根据P_i1和P_i2计算N+1桥臂的第i桥臂中上管的控制信号C_i，1和下管的控制信号C_i，2；

步骤5：根据N+1桥臂的N个桥臂的上下管控制信号，计算得到第N+1桥臂的上、下管控制信号；从而使得N相励磁双凸极电机的电枢正向电流跟踪I_{p_ref}，电枢负向电流跟踪I_{n_re}，最终实现转速-最优电流双闭环控制；

所述步骤4中根据如下公式计算第i桥臂中上管的控制信号C_i，1和下管的控制信号C_i，2：

其中S_i1是N相励磁双凸极电机的第i相通入正向电流的位置角信号，S_i2是N相励磁双凸极电机的第i相通入负向电流的位置信号，如果θ在S_i1对应的位置角度范围内，则S_i1＝1，否则S_i1＝0；

所述步骤5具体为：根据如下公式计算第N+1桥臂的上管的控制信号C_N+1,1：

其中C_1,2表示第1桥臂的下管的控制信号，C_j+1,2表示第j+1桥臂的下管的控制信号，C_N-1,2表示第N—1桥臂的下管的控制信号,C_j+1,2表示第j+1桥臂的下管的控制信号；

第N+1桥臂的下管的控制信号为C_N+1,2：

其中C_1,1表示第1桥臂的上管的控制信号，C_j+1,1表示第j+1桥臂的上管的控制信号，C_N-1,1表示第N-1桥臂的上管的控制信号,C_j+1,1表示第j+1桥臂的上管的控制信号。