CN114553083B - 永磁/磁阻转子双定子电机三闭环矢量控制系统及方法 - Google Patents

永磁/磁阻转子双定子电机三闭环矢量控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种永磁/磁阻转子双定子电机三闭环矢量控制系统及方法，具体为一种基于负载转矩观测器与滑模速度控制器的永磁/磁阻混合转子双定子同步电机三闭环矢量控制方法，该系统和方法用滑模控制器代替传统速度PI控制器，并结合负载转矩观测器理论，在转速环与电流环之间加入转矩闭环，构成转速、转矩、电流三闭环控制系统，进一步提高该种新型电机矢量控制系统精度。

Description

永磁/磁阻转子双定子电机三闭环矢量控制系统及方法
技术领域
本发明属于双定子低速大转矩电机矢量控制技术领域，具体涉及一种基于负载转矩观测器与滑模速度控制器的永磁/磁阻混合转子双定子同步电机三闭环矢量控制系统。
背景技术
低速大转矩永磁电机直驱系统取代了传统含有减速齿轮箱系统，具有体积小、噪音低、效率高、维护成本低等优点，被广泛应用于重型机床、煤矿传送带、船舶电力推进等高能耗电力驱动领域。
为了充分利用低速大转矩直驱永磁同步电机较大的内腔空间，提高转矩密度，有学者提出了双定子结构的电机，在直驱永磁同步电机内部添加一套定子绕组与极对数与永磁转子相同的磁阻转子，并将永磁转子与磁阻转子“背靠背”连接在一起，组成为一个永磁/磁阻混和转子结构，同时在两转子中间加入隔磁环，将内外两电机之间的磁路耦合解出，再将内外两定子串联，即可构成新型双定子串联结构的永磁/磁阻混合转子双定子同步电机。
目前，PI控制器具有算法简单、易于实现的优点，广泛应用于交流电机矢量控制系统中，可满足一部分精度要求不高的场合。PI控制器的性能易受系统参数变化、外部扰动等影响，会降低系统运行的可靠性以及动、静态性能，常规PI控制并不能满足高性能控制的要求。
为了解决传统PI控制带来的问题，国内外学者进行了大量研究，一些现代控制理论成果被成功应用于永磁同步电机矢量控制系统中，其中滑模控制以其鲁棒性强、动态响应快等优点逐渐成为研究的热点，并广泛应用于交流电机调速系统中，但由于本发明研究的内外两定子串联结构的永磁/磁阻混合转子双定子同步电机与永磁同步电机等其他常规交流电机相比具有更复杂的数学模型，同样具有非线性、多变量、强耦合、变参数等特性，传统速度控制理论无法直接应用于该种新型电机，而且传统交流电机矢量控制系统采用转速、电流双闭环拓扑结构，且矢量控制是通过控制d、q轴电流来间接控制电机电磁转矩，无法对电磁转矩进行直接控制，会导致系统在参数变化、电流采样误差、逆变器死区效应等非理想情况下电磁转矩不能得到精确控制。
发明内容
发明目的：
本发明提供一种基于负载转矩观测器与滑模速度控制器的永磁/磁阻混合转子双定子同步电机三闭环矢量控制方法，其目的是进一步提高该种新型电机矢量控制系统精度。
技术方案：
一种永磁/磁阻转子双定子电机三闭环矢量控制系统，电机参考转速给定的输出端和位置与速度传感器的输出端均与滑模速度控制器的输入端连接，滑模速度控制器的输出端与负载转矩观测器的输出端均与转矩PI控制器的输入端连接，转矩PI控制器的输出端与磁阻dq 坐标系d轴最大转矩电流比控制器的输入端连接，磁阻dq坐标系d轴最大转矩电流比控制器的输出端、转矩PI控制器的输出端与Park坐标变换器的输出端均与电流环PI控制器的输入端连接，电流环PI控制器的输出端和位置与速度传感器的输出端均与反Park坐标变换器的输入端连接，反Park坐标变换器的输出端与SVPWM控制器的输入端连接，SVPWM控制器的输出端与永磁/磁阻混合转子双定子同步电机的输入端连接，永磁/磁阻混合转子双定子同步电机的输出端与Clark坐标变换器的输入端连接，Clark坐标变换器的输出端和位置与速度传感器的输出端均与Park坐标变换器的输入端连接，Park坐标变换器的输出端、位置与速度传感器的输出端与负载转矩观测器的输入端连接。
一种永磁/磁阻转子双定子电机三闭环矢量控制系统的控制方法，电机参考转速给定输出信号n*与位置与速度传感器的输出信号n之差输入至滑模速度控制器，滑模速度控制器的输出信号te *与负载转矩观测器的输出信号
Figure GDA0003748028000000021
之差输入至转矩PI控制器，转矩PI控制器的输出信号iq2 *输入至磁阻dq坐标系d轴最大转矩电流比控制器，转矩PI控制器的输出信号iq2 *与Park坐标变换器的输出信号iq2之差，以及磁阻dq坐标系d轴最大转矩电流比控制器的输出信号id2 *与Park坐标变换器的输出信号id2之差均输入至电流环PI控制器，电流环PI控制器的输出信号ud、uq和位置与速度传感器的输出信号θe均输入至反Park坐标变换器，反Park坐标变换器的输出信号uα、uβ输入至SVPWM控制器，SVPWM控制器的输出信号 uA、uB、uC输入至永磁/磁阻混合转子双定子同步电机，永磁/磁阻混合转子双定子同步电机的输出信号iA、iB、iC输入至Clark坐标变换器，Clark坐标变换器的输出信号iα、iβ和位置与速度传感器的输出信号θe均输入至Park坐标变换器，Park坐标变换器的输出信号id2、iq2和位置与速度传感器的输出信号ω均输入至负载转矩观测器。
进一步的，混合转子双定子同步电机模型系统控制方法为，SVPWM控制器的输出信号 uA、uB、uC与转子位置模型的输出信号θe输入至永磁/磁阻混合转子双定子同步电机的Park 变换模型中，Park变换模型的输出信号ud、uq分别与永磁-磁阻dq旋转坐标系变换模型的输出信号ud1(2)、uq1(2)作差后得到的ud2、uq2信号输入至内电机定子电压模型，内电机定子电压模型的输出信号id2、iq2均分别输入至内电机电磁转矩模型、磁阻-永磁dq旋转坐标系变换模型和反Park变换模型，磁阻-永磁dq旋转坐标系变换模型的输出信号id1、iq1输入至外电机定子电压模型，外电机定子电压模型的输出信号ud1、uq1输入至永磁-磁阻dq旋转坐标系变换模型，磁阻-永磁dq旋转坐标系变换模型的输出信号iq1还输入至外电机电磁转矩模型，外电机电磁转矩模型的输出信号te1和内电机电磁转矩模型的输出信号te2相加得到输出信号te输入至电机运动模型，电机运动模型的输出信号ω输入至转子电角速度模型，转子电角速度模型的输出信号ωe输入至转子位置模型，转子位置模型的输出信号θe分别输入至反Park变换模型和Park变换模型中。
进一步的，滑模速度控制器内的控制模型为：
Figure GDA0003748028000000031
式中，te *为电机电磁转矩参考值，te1 *、te2 *分别为电机外、内电机参考电磁转矩，B为电机粘滞系数，J为电机转动惯量，c为第一滑模系数，ε为第二滑模系数，q为第三滑模系数，x2为第二状态变量，Sm为线性滑模面函数，sgn(sm)为sm的符号函数。
进一步的，负载转矩观测器内部控制方法为，Park坐标变换器输出信号id2、iq2经过电机电磁转矩模型得到的输出信号与ω信号经过电机时间常数模型得到的输出信号相加再经过电机复域运动模型得到的输出信号与ω信号经过电机时间常数模型得到的输出信号相减得到负载转矩观测器的输出信号
Figure GDA0003748028000000035
进一步的，电机电磁转矩模型为：
Figure GDA0003748028000000032
式中，te为电机电磁转矩，pn为电机极对数，Ld、Lq分别为磁阻dq坐标系下内定子绕组d、q轴等效电感，id2、iq2分别为定子电流矢量在磁阻dq坐标系下d、q轴分量，θr为永磁d轴与磁阻d轴之间的夹角，ψf为永磁体磁链。
进一步的，电机复域运动模型为：
Figure GDA0003748028000000033
其中，T0为时间常数。
进一步的，电机时间常数模型为：
Figure GDA0003748028000000034
其中，J为电机转动惯量，T0为时间常数。
进一步的，输出信号
Figure GDA0003748028000000036
为：
Figure GDA0003748028000000041
式中，
Figure GDA0003748028000000042
为定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机负载转矩观测值，pn为电机极对数，Ld、Lq分别为磁阻dq坐标系下内定子绕组d、q轴等效电感，id2、iq2分别为定子电流矢量在磁阻dq坐标系下d、q轴分量，θr为永磁d轴与磁阻d轴之间的夹角，ψf为永磁体磁链，J为电机转动惯量，T0为时间常数，ω为电机机械角速度。
本发明的有益效果是：
针对本发明研究的内外两定子串联结构的永磁/磁阻混合转子双定子同步电机与永磁同步电机等其他常规交流电机相比具有更复杂的数学模型，同样具有非线性、多变量、强耦合、变参数等特性，传统速度控制理论无法直接应用于该种新型电机，而且传统交流电机矢量控制系统采用转速、电流双闭环拓扑结构，且矢量控制是通过控制d、q轴电流来间接控制电机电磁转矩，无法对电磁转矩进行直接控制，会导致系统在参数变化、电流采样误差、逆变器死区效应等非理想情况下电磁转矩不能得到精确控制，提出一种基于负载转矩观测器与滑模速度控制器的永磁/磁阻混合转子双定子同步电机三闭环矢量控制方法，该方法用滑模控制器代替传统速度PI控制器，并结合负载转矩观测器理论，在转速环与电流环之间加入转矩闭环，构成转速、转矩、电流三闭环控制系统，进一步提高该种新型电机矢量控制系统精度。
附图说明
图1为本发明定子绕组串联结构的永磁/磁阻混合转子双定子同步电机三闭环矢量控制系统原理框图；
图2为本发明定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机定子绕组串联结构图；
图3为本发明定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机结构及驱动电路示意图；
图4为本发明定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机双旋转坐标系矢量图；
图5为本发明定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机模型系统；
图6为本发明定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机负载转矩观测原理框图；
图7为本发明永磁/磁阻混合转子双定子同步电机三闭环矢量控制方法与传统基于PI调节器的永磁/磁阻混合转子双定子同步电机双闭环矢量控制方法的电机转速波形对比图。
附图标记说明：
1.永磁/磁阻混合转子双定子同步电机；2.外定子；3.内定子；4.永磁转子结构；5.磁阻转子结构；6.隔磁环；7.驱动逆变器；8.电机参考转速给定；9.滑模速度控制器；10.转矩PI控制器；11.磁阻dq坐标系d轴最大转矩电流比控制器；12.电流环PI控制器；13.反Park坐标变换器；14.SVPWM控制器；15.Clark坐标变换器；16.Park坐标变换器；17.位置与速度传感器；18.负载转矩观测器。
具体实施方式
以下结合说明书附图更详细的说明本发明。
本发明提出了一种永磁/磁阻混合转子双定子同步电机三闭环矢量控制系统，如图1所示。
电机参考转速给定8的输出端和位置与速度传感器17的输出端均与滑模速度控制器9 的输入端连接，滑模速度控制器9的输出端与负载转矩观测器18的输出端均与转矩PI控制器10的输入端连接，转矩PI控制器10的输出端与磁阻dq坐标系d轴最大转矩电流比控制器11的输入端连接，磁阻dq坐标系d轴最大转矩电流比控制器11的输出端、转矩PI控制器10的输出端与Park坐标变换器16的输出端均与电流环PI控制器12的输入端连接，电流环PI控制器12的输出端和位置与速度传感器17的输出端均与反Park坐标变换器13的输入端连接，反Park坐标变换器13的输出端与SVPWM控制器14的输入端连接，SVPWM 控制器14的输出端与永磁/磁阻混合转子双定子同步电机1的输入端连接，永磁/磁阻混合转子双定子同步电机1的输出端与Clark坐标变换器15的输入端连接，Clark坐标变换器15 的输出端和位置与速度传感器17的输出端均与Park坐标变换器16的输入端连接，Park坐标变换器16的输出端、位置与速度传感器17的输出端与负载转矩观测器18的输入端连接。
一种永磁/磁阻混合转子双定子同步电机三闭环矢量控制系统的控制方法为：
电机参考转速给定8输出信号n*与位置与速度传感器17的输出信号n之差输入至滑模速度控制器9，滑模速度控制器9的输出信号te *与负载转矩观测器18的输出信号
Figure GDA0003748028000000051
之差输入至转矩PI控制器10，转矩PI控制器10的输出信号iq2 *输入至磁阻dq坐标系d轴最大转矩电流比控制器11，转矩PI控制器10的输出信号iq2 *与Park坐标变换器16的输出信号iq2之差，以及磁阻dq坐标系d轴最大转矩电流比控制器11的输出信号id2 *与Park坐标变换器 16的输出信号id2之差均输入至电流环PI控制器12，电流环PI控制器12的输出信号ud、uq、位置与速度传感器17的输出信号θe均输入至反Park坐标变换器13，反Park坐标变换器13 的输出信号uα、uβ输入至SVPWM控制器14，SVPWM控制器14的输出信号uA、uB、uC输入至永磁/磁阻混合转子双定子同步电机1，永磁/磁阻混合转子双定子同步电机1的输出信号iA、iB、iC输入至Clark坐标变换器15，Clark坐标变换器15的输出信号iα、iβ、位置与速度传感器17的输出信号θe均输入至Park坐标变换器16，Park坐标变换器16的输出信号id2、iq2和位置与速度传感器17的输出信号ω均输入至负载转矩观测器18。
位置与速度传感器17采用机械速度传感器；磁阻dq坐标系d轴最大转矩电流比控制器 11采用定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机最大转矩电流比控制原理构建，滑模速度控制器8采用定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机滑模速度控制原理构建，负载转矩观测器18采用定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机负载转矩观测原理构建。
图2为本发明定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机定子绕组串联结构图，其中外定子2的X1与内定子3的A2相连、外定子2的Y1与内定子3的B2相连、外定子2的 Z1与内定子3的C2相连，内定子3的X2、Y2、Z2星接为Y点。图2用于说明混合转子双定子同步电机内、外定子绕组连接方式。
图3为本发明定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机结构及驱动电路示意图，永磁/磁阻混合转子双定子同步电机1的外定子2与内定子3采用串联的连接方式进行连接，永磁转子结构4、磁阻转子结构5与隔磁环6共同构成电机转子，驱动逆变器7与外定子2相连，用以驱动永磁/磁阻混合转子双定子同步电机1。
图4为本发明定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机双旋转坐标系矢量图，其中θr1为永磁dq坐标系下永磁转子d轴与静止ABC坐标系A轴夹角，θr2为磁阻dq坐标系下磁阻转子d轴与静止ABC坐标系A轴夹角，θr为永磁d轴与磁阻d轴之间的夹角。
图5为本发明定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机1模型系统控制方法，其中 SVPWM控制器13的输出信号uA、uB、uC与转子位置模型的输出信号θe输入至永磁/磁阻混合转子双定子同步电机1的Park变换模型中。Park变换模型的输出信号ud、uq分别与永磁-磁阻dq旋转坐标系变换模型的输出信号ud1(2)、uq1(2)作差后得到的ud2、uq2信号作为内电机定子电压模型的输入。内电机定子电压模型的输出信号id2、iq2分别作为内电机电磁转矩模型、磁阻-永磁dq旋转坐标系变换模型和反Park变换模型的输入信号。磁阻-永磁dq旋转坐标系变换模型的输出信号id1、iq1作为外电机定子电压模型的输入信号。外电机定子电压模型的输出信号ud1、uq1作为永磁-磁阻dq旋转坐标系变换模型的输入信号。其中，磁阻- 永磁dq旋转坐标系变换模型的输出信号iq1作为外电机电磁转矩模型的输入信号。内电机电磁转矩模型的输出信号te2和外电机电磁转矩模型的输出信号te1相加得到te作为电机运动模型的输入信号。电机运动模型的输出信号ω作为转子电角速度模型的输入信号。转子电角速度模型的输出信号ωe作为转子位置模型的输入信号。转子位置模型的输出信号θe分别输入至反Park变换模型和Park变换模型中。
图5中各模型的原理公式如下：(特别说明：图5中内电机定子电压模型的输出信号id2、iq2与图1中Park坐标变换器16的输出信号id2、iq2的数值从原理上是相等的，因此本发明将这些信号写成同一形式，另外图5中的转子位置模型的输出信号θe、电机运动模型的输出信号ω与图1中的位置与速度传感器17的输出信号θe、ω同理。)
Park坐标变换模型为：
Figure GDA0003748028000000071
式中，uA、uB、uC分别为ABC坐标系定子三相电压信号，ud、uq分别为磁阻dq坐标系下定子绕组d、q轴电压，θe为转子电角度信号。
内电机定子电压模型为：
Figure GDA0003748028000000072
式中，id2、iq2分别为定子电流矢量在磁阻dq坐标系下d、q轴分量，ud2、uq2分别为磁阻dq坐标系下内定子绕组dq轴电压，Ld、Lq分别为磁阻dq坐标系下内定子绕组d、q 轴等效电感，Rs2为内定子绕组电阻，ωe为电机转子电角速度。
永磁-磁阻dq旋转坐标系变换模型为：
Figure GDA0003748028000000073
式中，ud1、uq1分别为永磁dq坐标系下外定子绕组d、q轴电压，ud1(2)、uq1(2)分别为ud1、uq1在磁阻dq坐标系下d、q轴分量，θr为永磁d轴与磁阻d轴之间的夹角。
内电机电磁转矩模型为：
Figure GDA0003748028000000074
式中，te2为内电机电磁转矩，pn为电机极对数，Ld、Lq分别为磁阻dq坐标系下内定子绕组d、q轴等效电感，id2、iq2分别为定子电流矢量在磁阻dq坐标系下d、q轴分量。
磁阻-永磁dq旋转坐标系变换模型为：
Figure GDA0003748028000000075
式中，id1、iq1分别为定子电流矢量在永磁dq坐标系下d、q轴分量，id2、iq2分别为定子电流矢量在磁阻dq坐标系下d、q轴分量，θr为永磁d轴与磁阻d轴之间的夹角。
外电机定子电压模型为：
Figure GDA0003748028000000081
式中，ud1、uq1分别为永磁dq坐标系下外定子绕组d、q轴电压，Rs1为外定子绕组电阻，ωe为电机转子电角速度，Ls为外定子绕组等效电感，id1、iq1分别为定子电流矢量在永磁dq坐标系下d、q轴分量，ψf为永磁体磁链。
反Park变换模型原理为：
Figure GDA0003748028000000082
式中，iA、iB、iC分别为ABC坐标系定子三相电流信号，id2、iq2分别为定子电流矢量在磁阻dq坐标系下d、q轴分量，θe为转子电角度信号。
外电机电磁转矩模型为：
Figure GDA0003748028000000083
式中，te1为外电机电磁转矩，pn为电机极对数，iq1为定子电流矢量在永磁dq坐标系下 q轴分量，ψf为永磁体磁链。
电机运动模型为：
Figure GDA0003748028000000084
式中，ω为电机转子机械角速度，te为电机总电磁转矩，tL为电机负载转矩，B为电机粘滞系数，J为电机转动惯量。
转子电角速度模型为：
ωe＝pnω
式中，ωe为电机转子电角速度，pn为电机极对数，ω为电机转子机械角速度。
转子位置模型为：
θe＝∫ωedt
式中，θe为转子电角度，ωe为电机转子电角速度。
本发明提出的定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机最大转矩电流比控制原理为：
Figure GDA0003748028000000091
式中，Ld、Lq分别为磁阻dq坐标系下内定子绕组d、q轴等效电感，ψf为永磁体磁链，θr为永磁/磁阻转子d轴夹角，id2 *、iq2 *分别为定子参考电流矢量在磁阻dq坐标系下d、q 轴分量。
本发明提出的定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机滑模速度控制器9内控制方法原理为：
取混合转子双定子同步电机系统的状态变量为：
Figure GDA0003748028000000092
式中，x1为第一状态变量，x2为第二状态变量，ω*为电机参考机械角速度，ω为电机机械角速度，其中
Figure GDA0003748028000000093
将上式与电机运动模型原理相结合可得：
Figure GDA0003748028000000094
式中
Figure GDA0003748028000000095
为第一状态变量的微分，
Figure GDA0003748028000000096
为第二状态变量的微分，x2为第二状态变量，ω为电机机械角速度，J为电机转动惯量，te1、te2分别为电机外、内电机电磁转矩，B为电机粘滞系数。
设计线性滑模面函数为：
sm＝cx1+x2 c>0
式中，sm为线性滑模面函数，c为第一滑模系数，x1为第一状态变量，x2为第二状态变量。
对上式求导可得：
Figure GDA0003748028000000097
式中，
Figure GDA0003748028000000098
为线性滑模面函数的微分，c为第一滑模系数，
Figure GDA0003748028000000099
为第一状态变量的微分，
Figure GDA00037480280000000910
为第二状态变量的微分。
整理上述方程可得：
Figure GDA00037480280000000911
式中，te1、te2分别为电机外、内电机电磁转矩，J为电机转动惯量，c为第一滑模系数， B为电机粘滞系数，x2为第二状态变量，
Figure GDA00037480280000000912
为线性滑模面函数的微分。
按照滑模控制理论的基本原理，可以设计各种趋近律函数来保证正常运动阶段的品质，本发明使用指数趋近律：
Figure GDA0003748028000000101
式中，
Figure GDA0003748028000000102
为线性滑模面函数的微分，ε为第二滑模系数，q为第三滑模系数。
整理上述方程可得，滑模速度控制器9内的控制模型为：
Figure GDA0003748028000000103
式中，te *为电机电磁转矩参考值，te1 *、te2 *分别为电机外、内电机参考电磁转矩，B为电机粘滞系数，J为电机转动惯量，c为第一滑模系数，ε为第二滑模系数，q为第三滑模系数， x2为第二状态变量，sm为线性滑模面函数，sgn(sm)为sm的符号函数。
图6为本发明定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机负载转矩观测器18内部控制方法，其中Park坐标变换器16的输出信号id2、iq2与位置与速度传感器17输出信号n乘
Figure GDA0003748028000000104
后得到的ω信号一起作为负载转矩观测器18的输入信号，Park坐标变换器16输出信号id2、 iq2经过电机电磁转矩模型得到的输出信号与ω信号经过电机时间常数模型得到的输出信号相加再经过电机复域运动模型得到的输出信号与ω信号经过电机时间常数模型得到的输出信号相减得到负载转矩观测器18的输出信号
Figure GDA0003748028000000105
图6中各模型的原理公式如下：
电机电磁转矩模型为：
Figure GDA0003748028000000106
式中，te为电机电磁转矩，pn为电机极对数，Ld、Lq分别为磁阻dq坐标系下内定子绕组d、q轴等效电感，id2、iq2分别为定子电流矢量在磁阻dq坐标系下d、q轴分量，θr为永磁d轴与磁阻d轴之间的夹角，ψf为永磁体磁链。
电机复域运动模型为：
Figure GDA0003748028000000107
其中，T0为时间常数。
电机时间常数模型为：
Figure GDA0003748028000000108
其中，J为电机转动惯量，T0为时间常数。
结合上述公式可得定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机负载转矩观测为：
Figure GDA0003748028000000111
式中，
Figure GDA0003748028000000112
为定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机负载转矩观测值，pn为电机极对数，Ld、Lq分别为磁阻dq坐标系下内定子绕组d、q轴等效电感，id2、iq2分别为定子电流矢量在磁阻dq坐标系下d、q轴分量，θr为永磁d轴与磁阻d轴之间的夹角，ψf为永磁体磁链，J为电机转动惯量，T0为时间常数，ω为电机机械角速度。
将本发明提出的永磁/磁阻混合转子双定子同步电机三闭环矢量控制方法与传统基于PI 调节器的永磁/磁阻混合转子双定子同步电机双闭环矢量控制方法的结果进行了对比，结果显示本发明提出的永磁/磁阻混合转子双定子同步电机三闭环矢量控制方法的转速环控制精度高于传统基于PI调节器的永磁/磁阻混合转子双定子同步电机双闭环矢量控制方法。
系统给定转速为90r/min，仿真时长为2s，给定初始负载转矩为3000N·m，1s时负载转矩变为4000N·m，SVPWM算法采样周期为1ms，仿真步长为20μs。
图7为本发明提出的永磁/磁阻混合转子双定子同步电机三闭环矢量控制方法与传统基于PI 调节器的永磁/磁阻混合转子双定子同步电机双闭环矢量控制方法的电机转速波形对比图， (a)为PI双闭环矢量控制系统电机转速波形，(b)为本发明三闭环矢量控制系统电机转速波形，(c)为PI双闭环矢量控制系统电机转速波形(放大)，(d)为本发明三闭环矢量控制系统电机转速波形(放大)。从图7中可以看出两种矢量控制系统的电机从启动到稳态的调节时间均为0.3s，永磁/磁阻混合转子双定子同步电机三闭环矢量控制方法在负载启动与突加负载后电机都没出现转速超调，并且在系统突加负载后电机的最大转速跌落仅为1r/min，电机稳态转速波动仅为0.1r/min。传统基于PI调节器的永磁/磁阻混合转子双定子同步电机双闭环矢量控制方法在负载启动时有5.5r/min的转速超调，并且在突加负载后电机的最大转速跌落为6r/min，电机稳态转速波动为0.45r/min。仿真结果显示本发明提出的永磁/磁阻混合转子双定子同步电机三闭环矢量控制方法的转速环控制精度高于传统基于PI调节器的永磁/磁阻混合转子双定子同步电机双闭环矢量控制方法。

Claims (6)

1.一种永磁/磁阻转子双定子电机三闭环矢量控制系统的控制方法，其特征在于：电机参考转速给定(8)输出信号n*与位置与速度传感器(17)的输出信号n之差输入至滑模速度控制器(9)，滑模速度控制器(9)的输出信号te *与负载转矩观测器(18)的输出信号
Figure FDA0003748027990000011
之差输入至转矩PI控制器(10)，转矩PI控制器(10)的输出信号iq2 *输入至磁阻dq坐标系d轴最大转矩电流比控制器(11)，转矩PI控制器(10)的输出信号iq2 *与Park坐标变换器(16)的输出信号iq2之差，以及磁阻dq坐标系d轴最大转矩电流比控制器(11)的输出信号id2 *与Park坐标变换器(16)的输出信号id2之差均输入至电流环PI控制器(12)，电流环PI控制器(12)的输出信号ud、uq和位置与速度传感器(17)的输出信号θe均输入至反Park坐标变换器(13)，反Park坐标变换器(13)的输出信号uα、uβ输入至SVPWM控制器(14)，SVPWM控制器(14)的输出信号uA、uB、uC输入至永磁/磁阻混合转子双定子同步电机(1)，永磁/磁阻混合转子双定子同步电机(1)的输出信号iA、iB、iC输入至Clark坐标变换器(15)，Clark坐标变换器(15)的输出信号iα、iβ和位置与速度传感器(17)的输出信号θe均输入至Park坐标变换器(16)，Park坐标变换器(16)的输出信号id2、iq2和位置与速度传感器(17)的输出信号ω均输入至负载转矩观测器(18)；
负载转矩观测器(18)内部控制方法为，Park坐标变换器(16)输出信号id2、iq2经过电机电磁转矩模型得到的输出信号与ω信号经过电机时间常数模型得到的输出信号相加再经过电机复域运动模型得到的输出信号与ω信号经过电机时间常数模型得到的输出信号相减得到负载转矩观测器(18)的输出信号
Figure FDA0003748027990000012
输出信号
Figure FDA0003748027990000013
为：
Figure FDA0003748027990000014
式中，
Figure FDA0003748027990000015
为定子绕组串联结构的混合转子双定子同步电机负载转矩观测值，pn为电机极对数，Ld、Lq分别为磁阻dq坐标系下内定子绕组d、q轴等效电感，id2、iq2分别为定子电流矢量在磁阻dq坐标系下d、q轴分量，θr为永磁d轴与磁阻d轴之间的夹角，ψf为永磁体磁链，J为电机转动惯量，T0为时间常数，ω为电机机械角速度。
2.根据权利要求1所述永磁/磁阻转子双定子电机三闭环矢量控制系统的控制方法，其特征在于：混合转子双定子同步电机(1)模型系统控制方法为，SVPWM控制器(14)的输出信号uA、uB、uC与转子位置模型的输出信号θe输入至永磁/磁阻混合转子双定子同步电机(1)的Park变换模型中，Park变换模型的输出信号ud、uq分别与永磁-磁阻dq旋转坐标系变换模型的输出信号ud1(2)、uq1(2)作差后得到的ud2、uq2信号输入至内电机定子电压模型，内电机定子电压模型的输出信号id2、iq2均分别输入至内电机电磁转矩模型、磁阻-永磁dq旋转坐标系变换模型和反Park变换模型，磁阻-永磁dq旋转坐标系变换模型的输出信号id1、iq1输入至外电机定子电压模型，外电机定子电压模型的输出信号ud1、uq1输入至永磁-磁阻dq旋转坐标系变换模型，磁阻-永磁dq旋转坐标系变换模型的输出信号iq1还输入至外电机电磁转矩模型，外电机电磁转矩模型的输出信号te1和内电机电磁转矩模型的输出信号te2相加得到输出信号te输入至电机运动模型，电机运动模型的输出信号ω输入至转子电角速度模型，转子电角速度模型的输出信号ωe输入至转子位置模型，转子位置模型的输出信号θe分别输入至反Park变换模型和Park变换模型中。
3.根据权利要求1所述永磁/磁阻转子双定子电机三闭环矢量控制系统的控制方法，其特征在于：滑模速度控制器(9)内的控制模型为：
Figure FDA0003748027990000021
式中，te *为电机电磁转矩参考值，te1 *、te2 *分别为电机外、内电机参考电磁转矩，B为电机粘滞系数，J为电机转动惯量，c为第一滑模系数，ε为第二滑模系数，q为第三滑模系数，x2为第二状态变量，Sm为线性滑模面函数，sgn(sm)为sm的符号函数。
4.根据权利要求1所述永磁/磁阻转子双定子电机三闭环矢量控制系统的控制方法，其特征在于：电机电磁转矩模型为：
Figure FDA0003748027990000022
式中，te为电机电磁转矩，pn为电机极对数，Ld、Lq分别为磁阻dq坐标系下内定子绕组d、q轴等效电感，id2、iq2分别为定子电流矢量在磁阻dq坐标系下d、q轴分量，θr为永磁d轴与磁阻d轴之间的夹角，ψf为永磁体磁链。
5.根据权利要求1所述永磁/磁阻转子双定子电机三闭环矢量控制系统的控制方法，其特征在于：电机复域运动模型为：
Figure FDA0003748027990000023
其中，T0为时间常数。
6.根据权利要求1所述永磁/磁阻转子双定子电机三闭环矢量控制系统的控制方法，其特征在于：电机时间常数模型为：
Figure FDA0003748027990000024
其中，J为电机转动惯量，T0为时间常数。
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