CN114400949A - 基于开绕组混合励磁双凸极电机的电流塑形控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了开绕组混合励磁双凸极电机的电流塑形控制方法，属于变磁阻类电机控制技术领域。本发明所述控制方法的控制对象为开绕组混合励磁双凸极电机，其中控制方法采用转速电流双闭环，其控制原理为：将转速PI环的输出作为转矩的给定值，结合转子位置信号，经离线查表处理得到当前导通相所对应的最优电流分配结果；将分配结果作为电流环的给定值，结合反馈电流得到电流偏差，经电流调节器获得占空比信号，并通过开关状态查询表，得到所需的功率变换器驱动信号。本发明充分利用开绕组混合励磁双凸极电机的结构特性，能有效找到最优的三相电流波形，实现电流塑形控制，提高开绕组混合励磁双凸极电机的转矩电流比，提升混合励磁双凸极电机的转矩输出能力。

Description

基于开绕组混合励磁双凸极电机的电流塑形控制方法

技术领域

本发明涉及变磁阻类电机控制技术领域，尤其涉及基于开绕组混合励磁双凸极电机的电流塑形控制方法。

背景技术

混合励磁双凸极电机转子上不存在绕组和磁钢，因此其结构简单牢固、易于维护、可靠性高。在飞机起动/发电系统、风力发电系统、新能源汽车等领域有很好的应用前景。

标准角控制策略是混合励磁双凸极电机角度位置控制中最简单的控制方法，该方法基于混合励磁双凸极电机的基本电感模型，控制各桥臂开关管的开通和关断，使相电流换相发生在转子位置角为0°、120°、240°，即定转子极对齐的时刻。任意转子位置总有两相电枢绕组导通，且两相绕组电感变化方向相反。传统混合励磁双凸极电机的电枢绕组采用星形联接方式，即三相电枢绕组的中点连在一起。绕组串联回路导致各相电枢绕组之间电流相互制约，磁阻转矩的正负只与绕组自感变化率有关，则同时导通的两相电枢绕组所产生的的磁阻转矩相互抵消。由于磁阻转矩是混合励磁双凸极电机输出转矩中不可忽略的一部分，而标准角控制时总磁阻转矩为0，使得混合励磁双凸极电机转矩输出能力降低，因此若是能够合理利用磁阻转矩，混合励磁双凸极电机的转矩性能将大大提升。

本发明控制对象开绕组混合励磁双凸极电机区别于传统混合励磁双凸极电机的特征为三相电枢绕组的中点不相连，即每相绕组的两端分别连接两组三相全桥逆变器对应桥臂中点。因此可以存在同时导通的两相正电流幅值与负电流幅值不相等的情况，即使采用标准角控制策略也能避免传统混合励磁双凸极电机的磁阻转矩相互抵消，转矩输出能力无法得到充分利用的问题。

基于以上分析，本方案目的是提出开绕组混合励磁双凸极电机的电流塑形控制方法，充分利用开绕组混合励磁双凸极电机的结构特性，找到标准角控制下最优的三相电流波形，实现电流塑形控制，提高开绕组混合励磁双凸极电机的转矩电流比，提升混合励磁双凸极电机的转矩输出能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提出基于开绕组混合励磁双凸极电机的电流塑形控制方法，本发明的目的是提高开绕组混合励磁双凸极电机的转矩电流比，提升混合励磁双凸极电机的转矩输出能力。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

步骤一：通过仿真得到不同(I_p，I_n)组合下混合励磁双凸极电机的转矩和三相电流波形，构建离线T(θ，I_p，I_n)查找表，计算每个转子位置下不同(I_p，I_n)组合的目标函数值，将不同转子位置下使得目标函数最大的电流分配组合，作为一定转矩条件下该转子位置处的最优(I_p，I_n)组合，并且基于大量仿真实验数据结合线性插值法构建离线查找表f(T^*，θ，I_p，I_n)。本步骤所构建的目标函数为：

其中，T^*为总转矩给定值，i_A，B，C为三相电流值，θ为转子位置角信号，I_p为当前导通相中正电流相的电流幅值，I_n为当前导通相中负电流相的电流幅值。

步骤二：开绕组混合励磁双凸极电机电流塑形控制系统运行时，通过旋转变压器及旋变解码器得到转子位置角信号，再经转速计算后得到转速反馈值。转速给定值与转速反馈值作差后经转速PI调节器得到转矩给定值

电流幅值分配器根据转矩给定值、转子位置角在离线查找表中获得当前状态下最优的(I_p，I_n)分配组合，作为电流环的给定值

所述电流幅值分配器是存储于微处理器(DSP2812)内存中的离线查找表f(T^*，θ，I_p，I_n)。

步骤三：对于标准角控制下的两相导通模式，采用霍尔传感器对开绕组混合励磁双凸极电机进行导通相电流检测，判断电流检测值的正负，A/D转换后得到正电流幅值反馈值I_p、负电流幅值反馈值I_n。用电流环的电流给定值

分别减去I_p、I_n，得到电流误差I_{p_err}、I_{n_err}，分别通过电流PI调节器获得PWM驱动信号的占空比调整信号，实现相电流无静差反馈调节。

步骤四：开关状态查询表环节：开关状态查询表是基于混合励磁双凸极电机的转矩公式与电感特性设计的。其中，转矩公式为：

其中T_p是单相的总转矩输出，i_p表示相电枢电流，L_p表示相绕组自感，i_f表示励磁电流，L_pf表示励磁绕组与相绕组互感，ψ_pm表示相永磁磁链，θ表示转子位置角，p代表A、B、C中的任一相。混合励磁双凸极电机相绕组的自感及励磁绕组与相绕组的互感是关于转子位置角的函数，即为混合励磁双凸极电机的电感特性。

如图3所示为开绕组混合励磁双凸极电机的电感特性图及开关管导通规律图，混合励磁双凸极电机相绕组的自感及励磁绕组与相绕组的互感是关于转子位置角的函数，即为混合励磁双凸极电机的电感特性。定义励磁电流从电源流向励磁绕组为励磁电流的正方向，反之为励磁电流的反方向；定义转子逆时针方向旋转为正方向，反之为反方向。以励磁电流正方向注入，转子正方向旋转为例，标准角控制下，若采用正励磁，0°＜θ≤120°时，A相通正电流，即第一个三相桥的A相上管Q₁与第二个三相桥的A相下管Q₁₀开通；C相通负电流，即第一个三相桥的C相下管Q₂与第二个三相桥的C相上管Q₁₁开通，电机会产生正转矩；A相通负电流，C相通正电流，电机会产生负转矩。

步骤五：根据当前转子位置角从开关状态查询表中获得该位置开关管开通与关断信息，结合电流PI调节器给出的PWM驱动占空比调整信号，输出两路PWM实时控制两组三相桥逆变器工作，实现对开绕组混合励磁双凸极电机的电流闭环控制。

附图说明

图1为本发明提供的开绕组混合励磁双凸极电机的电流塑形控制框图。

图2为开绕组混合励磁双凸极电机的功率变换器拓扑。

图3为开绕组混合励磁双凸极电机的电感特性图及开关管导通规律。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。本发明公开了基于开绕组混合励磁双凸极电机的电流塑形控制方法，如图1所示为采用电流塑形控制方法的开绕组混合励磁双凸极电机的电流塑形控制框图，所述方案的实现步骤如下：

1.采集位置和转速信号：采用旋转变压器及其解码器采集转子位置角信号，将转子位置角信号送入微处理器，该信号直接用于电流幅值分配器查找转矩给定值对应的最优(I_p，I_n)分配组合及开关状态查询表查找对应开通的开关管；转子位置角信号通过预编写的微处理器程序即可计算电机转速；

2.采集电流信号：用三个电流霍尔传感器分别采集三相电流的模拟信号i_a、i_b、i_c，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对应转换为正负电流幅值数字信号：正电流幅值反馈值I_p、负电流幅值反馈值I_n，电流信号A/D转换的采样频率为f_s；

3.计算转矩给定值：转速给定值n^*与反馈值n作差，经过转速PI调节器的输出值T_e ^*，作为转矩的给定值。其中，转速给定值是在微处理器中预设的，以上计算过程在微处理器中进行；

4.电流幅值分配：离线查找表f(T^*，θ，I_p，I_n)是基于大量有限元仿真数据，采用线性插值的方法构建的，电流幅值分配器即存储于微处理器(DSP2812)内存中的离线查找表f(T^*，θ，I_p，I_n)，其作用在于根据转矩给定值、转子位置角在离线查找表中获得当前状态下使得目标函数值最大的(I_p，I_n)分配组合，作为电流内环的给定值

送入微处理器。

5.计算占空比调整信号：导通相电流的给定值

与电流检测得到的反馈值I_p、I_n作差，得到电流误差I_{p_err}、I_{n_err}，作为电流PI调节器的输入。在微处理器中得到两路PWM驱动信号的占空比调整信号，实现相电流无静差反馈调节。

6.开关状态查询：定义励磁电流从电源流向励磁绕组为励磁电流的正方向，反之为励磁电流的反方向；定义转子逆时针方向旋转为正方向，反之为反方向。以励磁电流正方向注入，转子正方向旋转为例，标准角控制下，若采用正励磁，0°＜θ≤120°时，A相通正电流，即第一个三相桥的A相上管Q₁与第二个三相桥的A相下管Q₁₀开通；C相通负电流，即第一个三相桥的C相下管Q₂与第二个三相桥的C相上管Q₁₁开通，电机会产生正转矩；A相通负电流，C相通正电流，电机会产生负转矩。

改变励磁电流方向，改变转子旋转方向，可以得到四组控制逻辑，每组控制逻辑包含三种开关管导通信号。四组控制逻辑如表1所示，使用电流塑形控制方法时，根据实际情况进行选择。

表1

7.功率变换器：功率变换器采用三相全桥逆变电路，如附图2所示。其中，Q₁～Q₁₂为金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)，D₁～D₁₂分别为其寄生的反并二极管。开关状态查询表输出的驱动信号控制功率变换器Q₁～Q₁₂的导通状态，并结合电流PI调节器给出的PWM占空比调整信号驱动两个三相桥逆变器，从而实现电流的闭环控制。

如图2所示为开绕组混合励磁双凸极电机的功率变换器拓扑。由于控制对象开绕组混合励磁双凸极电机区别于传统混合励磁双凸极电机的特征为三相电枢绕组的中点不相连，需要两组三相全桥逆变器，使得每相绕组的两端分别连接两组三相全桥逆变器的桥臂中点。因此可以存在同时导通的两相正电流幅值与负电流幅值不相等的情况，避免了传统星形联接的混合励磁双凸极电机因绕组串联回路导致各相电枢绕组之间电流相互制约，磁阻转矩相互抵消，回路总电感、总反电势限制电流注入的问题。

如图3所示为开绕组混合励磁双凸极电机的电感特性图及开关管导通规律，图中L_af、L_bf、L_cf分别为A、B、C三相绕组与励磁绕组之间的互感，L_a、L_b、L_c分别为A、B、C三相绕组的自感，图中θ为转子位置角。以0°、120°、240°为分界点，将一个电周期内的电感变化划分为三个区间，即电感上升区、电感下降区、电感不变区。分界点分别是A、B、C三相定子转子极对齐的位置，此时对应相的电感值最大。本发明所述的控制方法基于标准角控制下的两相导通模式，需要两组三相全桥逆变器配合开通，使得绕组能够获得不同方向的电流，配合电感变化得到转矩输出。图3中的开关管导通规律与前文表1开关状态查询表已知。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明由于充分利用开绕组混合励磁双凸极电机三相电枢绕组中点不相连的结构特性，找到标准角控制下最优的三相电流波形，实现相电流塑形控制，有效避免传统混合励磁双凸极电机的磁阻转矩相互抵消，转矩输出能力无法得到充分利用的问题，提高开绕组混合励磁双凸极电机的转矩电流比，合理利用磁阻转矩，提升混合励磁双凸极电机的转矩输出能力。

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 (7)

1.本发明公开的开绕组混合励磁双凸极电机电流塑形控制方法，其特征在于，控制对象为开绕组混合励磁双凸极电机，具备三相电枢绕组中点断开的结构特点，其功率变换器拓扑由两组三相全桥逆变器构成。本发明所述的控制方法采用转速电流双闭环，其控制原理为：将转速PI环的输出作为转矩的给定值，结合转子位置信号，经离线查表处理得到当前导通相所对应的最优电流分配结果；将分配结果作为电流环的给定值，结合反馈电流得到电流偏差，经电流调节器获得占空比信号，并通过开关状态查询表，得到所需的功率变换器驱动信号。具体包括以下步骤：

(1).通过仿真得到不同(I_p，I_n)组合下开绕组混合励磁双凸极电机的转矩和三相电流波形，构建离线T(θ，I_p，I_n)查找表；计算得到每个转子位置下不同(I_p，I_n)组合对应的目标函数值，并结合线性插值法构建离线查找表f(T^*，θ，I_p，I_n)；

(2).转速PI环的输出作为转矩给定值

电流幅值分配器根据转矩给定值

转子位置角

获得当前状态下使得目标函数值最大的(I_p，I_n)组合，作为电流环的给定值。

(3).对开绕组混合励磁双凸极电机进行电流检测，得到当前导通相的电流I_p、I_n。用电流环的电流给定值

分别减去I_p、I_n，得到电流误差I_{p_err}、I_{n_err}；

(4).导通相电流误差I_{p_err}、I_{n_err}分别经电流PI调节器，得到能使反馈跟踪给定的占空比调整信号D_p、D_n；

(5).开关状态查询表结合占空比调整信号D_p、D_n及转子位置角信号θ，输出两路PWM驱动信号给功率变换器，实时控制功率变换器的工作，使得当前导通相的电流组合最优，实现电流的塑形控制。

2.根据权利要求1所述的开绕组混合励磁双凸极电机电流塑形控制方法，其特征在于，控制对象开绕组混合励磁双凸极电机区别于传统混合励磁双凸极电机的特征为三相电枢绕组的中点不相连，即每相绕组的两端分别连接两组三相全桥逆变器的桥臂中点。因此开绕组混合励磁双凸极电机可以存在同时导通的两相正电流幅值与负电流幅值不相等的情况，避免了传统星形联接的混合励磁双凸极电机因绕组串联回路导致各相电枢绕组之间电流相互制约，磁阻转矩相互抵消的问题。

3.根据权利要求1所述的开绕组混合励磁双凸极电机电流塑形控制方法，其特征在于，采用标准角控制，假定当前导通相中正电流相的电流幅值为I_p，当前导通相中负电流相的电流幅值为I_n。以转矩电流比为衡量标准，构建目标函数如下：

其中，T^*为总转矩给定值，i_A，B，C为三相电流值，θ为转子位置角信号。

4.根据权利要求1所述的开绕组混合励磁双凸极电机电流塑形控制方法，其特征在于，电流幅值分配器是存储于微处理器(DSP2812)内存中的离线查找表f(T^*，θ，I_p，I_n)，其作用在于根据转矩给定值、转子位置角在离线查找表中获得当前状态下使得目标函数值最大的(I_p，I_n)分配组合，作为电流内环的给定值

5.根据权利要求1所述的开绕组混合励磁双凸极电机电流塑形控制方法，其特征在于，采用霍尔传感器检测导通相电枢电流，判断电流检测值的正负，A/D转换后得到正电流幅值反馈值I_p、负电流幅值反馈值I_n。两组电流给定值与反馈值分别作差，通过电流PI调节器获得PWM驱动信号的占空比调整信号，实现电流闭环控制。

6.根据权利要求1所述的开绕组混合励磁双凸极电机电流塑形控制方法，其特征在于，开关状态查询表是基于混合励磁双凸极电机的转矩公式与电感特性设计的。其中，转矩公式为：

其中T_p是单相的总转矩输出，i_p表示相电枢电流，L_p表示相绕组自感，i_f表示励磁电流，L_pf表示励磁绕组与相绕组互感，ψ_pm表示相永磁磁链，θ表示转子位置角，p代表A、B、C中的任一相。混合励磁双凸极电机相绕组的自感及励磁绕组与相绕组的互感是关于转子位置角的函数，即混合励磁双凸极电机的电感特性。

定义励磁电流从电源流向励磁绕组为励磁电流的正方向，反之为励磁电流的反方向；定义转子逆时针方向旋转为正方向，反之为反方向。以励磁电流正方向注入，转子正方向旋转为例，标准角控制下，若采用正励磁，0°＜θ≤120°时，A相通正电流，即第一个三相桥的A相上管Q₁与第二个三相桥的A相下管Q₁₀开通；C相通负电流，即第一个三相桥的C相下管Q₂与第二个三相桥的C相上管Q₁₁开通，电机会产生正转矩；A相通负电流，C相通正电流，电机会产生负转矩。

7.根据权利要求1所述的开绕组混合励磁双凸极电机电流塑形控制方法，其特征在于，由旋转变压器及其解码器输出转子位置角信号，该信号直接用于电流幅值分配器查找转矩给定值对应的最优(I_p，I_n)分配组合及开关状态查询表查找对应开通的开关管；转子位置角信号经转速计算环节获取转速的反馈值，转速给定值与反馈值作差，经过转速PI调节器的输出值T_e ^*，作为转矩的给定值。

Images