CN115425884B - 一种电励磁双凸极电机励磁电流分段补偿的转矩抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种电励磁双凸极电机励磁电流分段补偿的转矩抑制方法。本发明通过对电励磁双凸极电机（DSEM）转矩分量的计算和分析，得到齿槽转矩对转矩脉动的影响。分析了励磁电流对转矩脉动的影响，提出了励磁电流补偿的控制策略。根据齿槽转矩的变化规律和总转矩在各个分区内的分布情况的不同，励磁电流在换向过程中进行分区补偿以抵消换相过程中的转矩下降。将单个电周期的不同区段进行划分，针对不同分区提出不同的励磁电流补偿方法。本发明能够实现减小齿槽转矩引起的转矩脉动。

Description

一种电励磁双凸极电机励磁电流分段补偿的转矩抑制方法

技术领域

本发明属于电气控制领域，特别涉及一种电励磁双凸极电机励磁电流分段补偿的转矩抑制方法。

背景技术

电励磁双凸极电机采用励磁绕组代替电机永磁结构，使电机结构和制造工艺都非常简单，可靠性高、成本低，特别适用于高速运行。电励磁双凸极电机具有较强的环境适应能力和较宽的转速范围。因此，电励磁双凸极电机是一种具有竞争力的构成新型航空无刷直流起动/发电系统的选项，成为近年来的研究热点之一。

然而，由于存在转矩脉动大的缺点，限制了电励磁双凸极电机运用的范围。造成电励磁双凸极电机转矩脉动过大有多方面的原因，包括电磁因素、电流换向、齿槽效应及电枢反应等。其中，齿槽转矩是造成电励磁双凸极电机转矩脉动较大的主要原因之一。目前对于控制励磁电流进而控制齿槽转矩的研究相对缺乏，针对齿槽转矩的补偿控制研究具有实际的应用需求。

经检索，中国专利申请号为CN114665771A的专利，公开了一种电励磁双凸极电机转矩脉动抑制方法，能够抑制换相期间现有的直接瞬时转矩控制方法电机出力不足导致的转矩脉动问题。其技术方案为：控制流程包括电机参数的采集与计算、将参数分别入转速调节器以及转矩观测器，将计算结果的差值与转矩控制误差进行比较，从而优化控制。其中，电机参数采集与计算是采集三相电枢绕组的相电流i _a 、i _b 、i _c 以及励磁电流流i _f ,计算电机转子位置θ、实际转速n；将参考转速n _ref 与实际转速n作差后送入转速调节器，得到转矩给定值T _ref ，再将电机参数输入转矩观测器对转矩进行观测，得到转矩反馈值T _e ，用T _ref 减去T _e 得到转矩控制误差T _{e_err} ；最终将转矩控制误差T _{e_err} 与转矩控制误差阈值T _G 进行比较：若T _{e_err} ≥T _G ，则通过各相电枢电流以及励磁电流共同调节目标电励磁双凸极电机的转矩；若T _{e_err} ＜T _G ，则仅通过各相电枢电流调节目标电励磁双凸极电机的转矩。从而解决直接瞬时转矩控制方法电机出力不足导致的转矩脉动。本发明是以减小转矩脉动，特别是由齿槽转矩所引起的部分，分析各转矩组成以及影响因素，基于励磁电流的分区补偿控制，构建基于电励磁双凸极电机有限元模型的励磁电流分区补偿控制系统，从而实现减小转矩脉动的优化目标。与本发明对比，减小转矩脉动方法，不同之处在于：1.本发明通过保持转速不变、使用滞环控制使相电流保持在固定的值，采集电机的轴上转矩，齿槽转矩，对参数进行计算和分析；2.本发明是根据电机齿槽转矩的变化规律，将电周期划分多个区间；3.根据分区提出相应励磁电流补偿的控制策略，在需要提高励磁电流的区间，提升不对称H桥占空比；在需要降低励磁电流的区间，采用PI控制。综上，本发明与电励磁双凸极电机转矩脉动抑制方法有着本质的不同。

发明内容

为了解决问题，本发明提出了一种电励磁双凸极电机励磁电流分段补偿的转矩抑制方法，能够以减小转矩脉动，特别是齿槽转矩引起的部分，分析了转矩的组成以及各组成的影响因素，励磁电流对转矩脉动的影响，通过励磁电流的分区补偿控制实现了利用齿槽转矩对总转矩进行分区补偿的效果，有效减小了电励磁双凸极电机的转矩脉动。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种电励磁双凸极电机励磁电流分段补偿的转矩抑制方法，具体步骤如下：

S1、保持电励磁双凸极电机的运行工况不变，指保持转速不变、使用滞环控制使相电流保持在固定的值，采集电机的轴上转矩，指利用安装在电机轴上的转矩传感器对电机转矩进行采集；

S2、保持电励磁双凸极电机的运行工况不变，采集电机的齿槽转矩，对电励磁双凸极电机转矩分量进行计算和分析，得到齿槽转矩对转矩脉动的影响；

S3、根据电机齿槽转矩的变化规律，将一个电周期划分为齿槽转矩为正的区间和齿槽转矩为负的区间；

S4、将上述步骤S3中的分区与总转矩进行对比，进行进一步的分区，将总转矩分为上升区和下降区，并将每个上升区再细分为两个部分，其中，前半部分持续θr°且齿槽转矩大于零；后半部分齿槽转矩小于零，并根据分区提出相应的补偿策略；

具体为当总转矩需要提高的时候，如果齿槽转矩为负则降低励磁电流，如果齿槽转矩为正则提升励磁电流；在总转矩需要降低的时候，如果齿槽转矩为负则提升励磁电流，如果齿槽转矩为正则降低励磁电流;

S5、根据上述步骤的分区结果，在每个区间当中根据降低转矩脉动的需要，对励磁电流进行控制，当齿槽转矩需要提升时，则升高励磁电流，通过提升不对称H桥占空比实现励磁电流的提高；

S6、在剩余需要降低励磁电流的区间，通过PI控制使励磁电流整体平均值与励磁电流滞环控制方法一致，PI控制的这部分区间的占空比会低于励磁电流滞环控制方法的平均占空比，并且提升区间的占空比会高于励磁电流滞环控制方法的平均占空比，使得总体占空比与传统控制方式一致，即励磁电流平均值保持一致。

作为本发明进一步改进，所述步骤S1具体步骤如下，保持电励磁双凸极电机的运行工况不变，所述采集电机轴上转矩，电励磁双凸极电机的总转矩以及各个转矩分量的计算公式如下：

电机转矩进行L _x 为绕组自感，i _x 为相电流或励磁电流，L _xf 为电枢与励磁绕组之间的互感，电励磁双凸极电机的转矩T _e 是磁阻转矩T _pr ，齿槽转矩T _fr ,和励磁转矩T _pf 的总和，由于换相区间相电流幅值较小，导致磁阻转矩与励磁转矩较小，造成了换相区间总转矩的大幅下降，总转矩主要由齿槽转矩决定，成为了电励磁双凸极电机的转矩脉动较大的一个原因。

作为本发明进一步改进，所述步骤S3中，所述齿槽转矩的计算公式如下：

式中，T _fr为齿槽转矩，i _f 为励磁电流值，L _f 为励磁自感。由于励磁电流始终为正且稳定，齿槽转矩主要受励磁自感变化率的影响。因此根据励磁电感变化率的正负进行分区。

作为本发明进一步改进，所述步骤S6中，所述励磁电流滞环控制具体为，不对称H桥上的功率管的控制信号的占空比由设定的参考励磁电流和实际反馈励磁电流通过PI控制器计算得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明利用电励磁双凸极可控整流发电系统分析了转矩的组成及各组成的影响因素。分析了励磁电流对转矩脉动的影响，提出了励磁电流补偿的控制策略，以减小齿槽转矩引起的转矩脉动。

附图说明

图1是一种12/8结构电励磁双凸极发电机结构图；

附图标记如下：

1、定子；2、励磁绕组；3、转子；4、电枢绕组；

图2是电励磁双凸极电机扭矩分区；

图3是非对称H桥的占空比补偿方法；

图4是具有励磁电流分区补偿控制的电励磁双凸极电机系统；

图5是提出的方法与传统方法的转矩比较T _{e_max} 为转矩最大值，T _{e_min} 为转矩最小值，T _{e_avg} 为转矩平均值。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例一：

本发明实施例提供一种电励磁双凸极发电机基于励磁电流分区补偿的转矩脉动抑制控制方法。

其中，电励磁双凸极发电机的结构如图1所示包括定子1、励磁绕组2、转子3和电枢绕组4，电励磁双凸极电机扭矩分区如图2所示，非对称H桥的占空比补偿方法如图3所示，具有励磁电流分区补偿控制的电励磁双凸极电机系统如图4所示。

在有限元分析软件中建立了一种基于电励磁双凸极电机有限元模型的励磁电流分区补偿控制系统。转速为1000r/min，参考励磁电流为4A。

L _x 和L _xf 的变化趋势，表明它们具有相同的变化规律以及三相电流的变化特性。由于L _x 和L _xf 的上升速度大部分时间低于下降速度，所以磁阻转矩大部分时间小于零。而相电流和互感变化率具有相同的正、负性质，从而产生正的励磁转矩。在接近换向区域时，三相电流迅速经过零点并改变方向。磁阻转矩和励磁转矩的绝对值均减小，电励磁双凸极电机转矩主要由齿槽定位转矩决定。因此，换向期间存在主要由齿槽转矩引起的下落。由于励磁电流始终为正且稳定，齿槽转矩主要受励磁自感变化率的影响。

由于电励磁双凸极电机轴向结构统一，运行过程中气隙几何形状保持不变。本专利使用二维仿真模型代替三维仿真模型，以节省仿真时间。仿真结果如图5所示。采用本专利提出的方法时，最大转矩地得到了有效的降低，最小转矩得到了有效的提高，平均转矩基本保持不变，因此整体转矩脉动得到了有效的降低，换相过程中的间隙明显减小。本专利提出的控制策略有效降低了转矩峰值的28.75%，降低了转矩脉动的27.58%。平均励磁电流由原方法的4A降低到3.4A，减小了15%，平均转矩为原方法的98.38%。抑制了转矩脉动，减小了励磁电流和铜损。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种电励磁双凸极电机励磁电流分段补偿的转矩抑制方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1、保持电励磁双凸极电机的运行工况不变，指保持转速不变、使用滞环控制使相电流保持在固定的值，采集电机的轴上转矩，指利用安装在电机轴上的转矩传感器对电机转矩进行采集；

S2、保持电励磁双凸极电机的运行工况不变，采集电机的齿槽转矩，对电励磁双凸极电机转矩分量进行计算和分析，得到齿槽转矩对转矩脉动的影响；

S3、根据电机齿槽转矩的变化规律，将一个电周期划分为齿槽转矩为正的区间和齿槽转矩为负的区间；

S4、将上述步骤S3中的分区与总转矩进行对比，进行进一步的分区，将总转矩分为上升区和下降区，并将每个上升区再细分为两个部分，其中，前半部分持续θr°且齿槽转矩大于零；后半部分齿槽转矩小于零，并根据分区提出相应的补偿策略；

具体为当总转矩需要提高的时候，如果齿槽转矩为负则降低励磁电流，如果齿槽转矩为正则提升励磁电流；在总转矩需要降低的时候，如果齿槽转矩为负则提升励磁电流，如果齿槽转矩为正则降低励磁电流;

S5、根据上述步骤的分区结果，在每个区间当中根据降低转矩脉动的需要，对励磁电流进行控制，当齿槽转矩需要提升时，则升高励磁电流，通过提升不对称H桥占空比实现励磁电流的提高；

S6、在剩余需要降低励磁电流的区间，通过PI控制使励磁电流整体平均值与励磁电流滞环控制方法一致，PI控制的这部分区间的占空比会低于励磁电流滞环控制方法的平均占空比，并且提升区间的占空比会高于励磁电流滞环控制方法的平均占空比，使得总体占空比与传统控制方式一致，即励磁电流平均值保持一致。

2.根据权利要求1所述的一种电励磁双凸极电机励磁电流分段补偿的转矩抑制方法，其特征在于：所述步骤S1具体步骤如下，保持电励磁双凸极电机的运行工况不变，所述采集电机轴上转矩，电励磁双凸极电机的总转矩以及各个转矩分量的计算公式如下：

θ为电角度，电机转矩进行L _x 为绕组自感，i _a 为A相电流，i _b 为B相电流，i _c 为C相电流，L _xf 为电枢与励磁绕组之间的互感，电励磁双凸极电机的转矩T _e 是磁阻转矩T _pr ，齿槽转矩T _fr 和励磁转矩T _pf 的总和。

3.根据权利要求1所述的一种电励磁双凸极电机励磁电流分段补偿的转矩抑制方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述齿槽转矩的计算公式如下：

式中，T _fr为齿槽转矩，i _f 为励磁电流值，L _f 为励磁自感。

4.根据权利要求1所述的一种电励磁双凸极电机励磁电流分段补偿的转矩抑制方法，其特征在于：所述步骤S6中，所述励磁电流滞环控制具体为，不对称H桥上的功率管的控制信号的占空比由设定的参考励磁电流和实际反馈励磁电流通过PI控制器计算得到。

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