CN116131689B - 基于h桥变换器的电励磁双凸极电机转矩分配控制方法 - Google Patents

基于h桥变换器的电励磁双凸极电机转矩分配控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种基于H桥变换器的电励磁双凸极电机转矩分配控制方法，涉及电励磁双凸极电机领域，本申请使用三相H桥变换器以使三相解耦，同时母线电压利用率高，从而可以增大电机的调速范围，减小换相区间。由转速调节器可得到总参考转矩给定值，再经过转矩分配函数得到每相电枢绕组的转矩给定值，利用转矩调节器使三相电枢绕组的实际转矩值跟随各自的转矩给定值，即可实现转矩脉动的抑制，可以使得整个区间内每相电枢绕组的出力合理，电流可以及时跟随电机反电势变化，从而抑制转矩脉动率，增大转矩电流比。

Description

基于H桥变换器的电励磁双凸极电机转矩分配控制方法
技术领域
本申请涉及电励磁双凸极电机领域，尤其是一种基于H桥变换器的电励磁双凸极电机转矩分配控制方法。
背景技术
电励磁双凸极电机(Doubly Salient Electro-magnetic Motor，DSEM)拥有定子和转子都是凸极的双凸极结构。其励磁绕组和相电枢绕组均安装放置在定子上，转子上既没有线圈也没有永磁体。其转子结构简单，制造成本低、适合高速运行的优点使其具有较为宽广的应用前景。
但由于绕组反电势与绕组电感的存在，相电流滞后于反电势，又有绕组反电势的非线性特性影响，电励磁双凸极电机在换相区和非换相区均会受到转矩脉动的影响，尤其以换相区转矩脉动为主。大的转矩脉动会在电励磁双凸极电机系统中激发机械振动和声学振动，限制了它在宽速度范围驱动系统中的进一步应用。因此，研究减小电励磁双凸极电机转矩脉动的控制策略对扩大其应用范围具有重要意义。
目前针对电励磁双凸极电机主要采用基于桥式变换器的角度位置的转速电流或者转速转矩双闭环控制结构，在电流闭环或者转矩闭环中结合提前、滞后角度控制策略减小转矩脉动。张卓然等公开的“一种用于电励磁双凸极电机的转矩控制方法”(中国，公开日：2019年3月8日，公开号：CN109450330A)提出一种基于转速转矩双闭环控制结构，能够直接对转矩闭环控制，但是在状态切换过程后由于相电流的续流，仍然存在较大的换相转矩脉动，且由于采用三相桥式变换器驱动，母线电压利用率与电机的调速范围受限。叶赛等公开的“基于转矩闭环抑制转矩脉动的电励磁双凸极电机控制方法”(中国，授权日：2021年12月17日，授权号CN113411014B)采取转矩闭环替代电流闭环，可以有效抑制换相和非换相转矩脉动，控制结构相对简单，然而在不同电机、负载与转速下，在每个换相区间均需要多次调节三个不同的换相角度，工作量较大，且在转速较高或带动大负载转矩时，转矩脉动抑制效果不理想。
发明内容
本申请人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于H桥变换器的电励磁双凸极电机转矩分配控制方法，本申请的技术方案如下：
一种基于H桥变换器的电励磁双凸极电机转矩分配控制方法，该方法包括：
确定电励磁双凸极电机的实时电角度θ，并根据实时电角度θ计算得到电励磁双凸极电机的转速实际值n以及三相电枢绕组的转矩实际值Tp，p＝a、b、c分别表示三相电枢绕组；电励磁双凸极电机的每一相电枢绕组的两端分别连接一个H桥变换器的两个桥臂的中点；
将电励磁双凸极电机的转速给定值n*和转速实际值n的差值经过转速调节器输出得到总参考转矩给定值Te*；
按照转矩分配函数对总参考转矩给定值Te*进行转矩分配，得到三相电枢绕组的转矩给定值
将每相电枢绕组的转矩给定值和转矩实际值Tp的差值经过转矩调节器输出开关控制信号，并按照开关控制信号控制电枢绕组连接的H桥变换器中的开关管的通断。
其进一步的技术方案为，确定转矩分配函数的方法包括：
对电励磁双凸极电机的空载反电势曲线进行函数拟合，得到三相电枢绕组各自对应的正弦函数形式的转矩分配函数，每相电枢绕组对应的转矩分配函数是与电角度区间相关的分段连续函数，且每相电枢绕组对应的转矩分配函数的取值范围在0到1范围内。
其进一步的技术方案为，按照转矩分配函数对总参考转矩给定值Te*进行转矩分配，包括：
按照每相电枢绕组对应的转矩分配函数中，与实时电角度θ所在的电角度区间对应的分段函数确定分配比例，并按照分配比例乘以总参考转矩给定值Te*得到对应的转矩给定值得到的三相电枢绕组的转矩给定值/>之和等于总参考转矩给定值Te*。
其进一步的技术方案为，得到的三相电枢绕组各自对应的正弦函数形式的转矩分配函数包括：
其中，fA(θ)是A相电枢绕组对应的转矩分配函数，fB(θ)是B相电枢绕组对应的转矩分配函数，fC(θ)是C相电枢绕组对应的转矩分配函数；a和b分别为参数且b＝1-a；α为开通角，β为关断角且α＝β。
其进一步的技术方案为，确定三相电枢绕组的转矩实际值Tp的方法包括：
获取三相电枢绕组的相电流ip，查询转矩表确定与相电流ip和实时电角度θ对应的转矩值得到转矩实际值Tp，转矩表记载不同的相电流和电角度所对应的转矩值。
其进一步的技术方案为，将每相电枢绕组的转矩给定值和转矩实际值Tp的差值经过转矩调节器输出开关控制信号的方法包括：
将一相电枢绕组的转矩给定值和转矩实际值Tp的差值经过转矩调节器后输出一相电枢绕组所连接的H桥变换器中的各个开关管对应的占空比Dp，同一个H桥变换器中的各个开关管的占空比相同；
确定功率管导通表中与实时电角度θ所在的电角度区间对应的各个开关管的驱动信号，功率管导通表记载一个电角度周期的不同电角度区间内对三相H桥变换器中各个开关管的驱动信号；
将各个开关管的驱动信号与对应的占空比做与运算，得到各个开关管的开关控制信号。
本申请的有益技术效果是：
本申请公开了一种基于H桥变换器的电励磁双凸极电机转矩分配控制方法，该方法通过使用H桥变换器以使三相解耦，同时母线电压利用率高，从而可以增大电机的调速范围，减小换相区间。由转速调节器可得到总参考转矩给定值，再经过转矩分配函数得到每相电枢绕组的转矩给定值，利用转矩调节器使三相电枢绕组的实际转矩值跟随各自的转矩给定值，即可实现转矩脉动的抑制，可以使得整个区间内每相电枢绕组的出力合理，电流可以及时跟随电机反电势变化，从而抑制转矩脉动率，增大转矩电流比。
该方法在电机在运行过程中电流的换相依据各相的反电势变化来确定，解决了电励磁双凸极电机采用桥式变换器的角度位置控制时，提前或滞后的角度难以选取的问题，在抑制转矩脉动的同时，能够增大电励磁双凸极电机运行时的出力能力，控制简单、灵活。
附图说明
图1是一个实施例中的电励磁双凸极电机转矩分配控制方法的控制框图。
图2是一个实施例中使用的三相H桥变换器的结构图。
图3是一个仿真实例中的一个电周期内三相电枢绕组的转矩给定值的分配曲线。
图4是一个仿真实例中的一个电周期中的三相互感和三相反电势的变化曲线。
图5是一个仿真实例中的转速、转矩仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种基于H桥变换器的电励磁双凸极电机转矩分配控制方法，该控制方法针对的控制拓扑图如图1所示，电励磁双凸极电机(DESM)的三相电枢绕组A、B、C连接H桥变换器，电励磁双凸极电机的励磁绕组连接负载。在传统的控制拓扑中，利用三相桥式变换器来连接并控制电励磁双凸极电机的三相电枢绕组A、B、C，但是本申请修改为使用三相H桥变换器连接并控制电励磁双凸极电机的三相电枢绕组A、B、C。
请参考图2，三相H桥变换器包括三个H桥变换器，每个H桥变换器包括两个桥臂，各个H桥变换器中的各个桥臂分别连接直流母线电压Udc的正负极。如图2所示，开关管Q1和开关管Q2构成第一桥臂，开关管Q3和开关管Q4构成第二桥臂，开关管Q5和开关管Q6构成第三桥臂，开关管Q7和开关管Q8构成第四桥臂，开关管Q9和开关管Q10构成第五桥臂，开关管Q11和开关管Q12构成第六桥臂。六个桥臂的一端相连并连接直流母线电压Udc的正极，六个桥臂的另一端相连并连接直流母线电压Udc的负极，直流母线电压Udc两端还并联电容C。各个开关管的两端分别连接反接二极管。第一桥臂和第二桥臂构成一个H桥变换器，第三桥臂和第四桥臂构成一个H桥变换器，第五桥臂和第六桥臂构成一个H桥变换器。
电励磁双凸极电机的每一相电枢绕组的两端分别连接一个H桥变换器的两个桥臂的中点。比如在图2中，A相电枢绕组的一端连接第一桥臂的中点、另一端连接第二桥臂的中点。B相电枢绕组的一端连接第三桥臂的中点、另一端连接第四桥臂的中点。C相电枢绕组的一端连接第四桥臂的中点、另一端连接第五桥臂的中点。
通过使用三相H桥变换器替换传统的三相逆变器，可以使得每相电枢绕组的正负导通与关断都由四个开关管控制，从而实现三相电枢绕组的解耦，当一相电枢绕组导通时，直流母线电压Udc直接加在该相电枢绕组的两端，不存在相间分压。
基于该拓扑结构，本申请的控制方法包括：
确定电励磁双凸极电机的实时电角度θ，并根据实时电角度θ计算得到电励磁双凸极电机的转速实际值n以及三相电枢绕组的转矩实际值Tp，p＝a、b、c分别表示三相电枢绕组。
其中在根据实时电角度θ确定转矩实际值Tp时，还需要使用到转矩表且需要获取三相电枢绕组的相电流ip。然后查询转矩表确定与所述相电流ip和实时电角度θ对应的转矩值得到转矩实际值Tp。转矩表是预先确定好的，记载了不同的相电流和电角度所对应的转矩值。
将电励磁双凸极电机的转速给定值n*和转速实际值n的差值经过转速调节器输出得到总参考转矩给定值Te*。
按照转矩分配函数对总参考转矩给定值Te*进行转矩分配，得到三相电枢绕组的转矩给定值
在一个实施例中，通过对电励磁双凸极电机的空载反电势曲线进行函数拟合，得到三相电枢绕组各自对应的正弦函数形式的转矩分配函数。
拟合得到的每相电枢绕组对应的转矩分配函数是与电角度区间相关的分段连续函数，且每相电枢绕组对应的转矩分配函数的取值范围在0到1范围内。
然后按照每相电枢绕组对应的转矩分配函数中，与实时电角度θ所在的电角度区间对应的分段函数确定分配比例，并按照分配比例乘以总参考转矩给定值Te*得到对应的转矩给定值得到的三相电枢绕组的转矩给定值/>之和等于总参考转矩给定值Te*。
在一个实施例中，得到的三相电枢绕组各自对应的正弦函数形式的转矩分配函数包括：
其中，fA(θ)是A相电枢绕组对应的转矩分配函数，fB(θ)是B相电枢绕组对应的转矩分配函数，fC(θ)是C相电枢绕组对应的转矩分配函数。a和b分别为参数且b＝1-a，a表示正相输出转矩占总输出转矩的比例，b表示负相输出转矩占总输出转矩的比例。α为开通角，β为关断角且α＝β，为预设的定值。
在一个实施例中，在转速稳定状态下一个0°～360°的电角度周期内的三相电枢绕组的转矩给定值如图3所示。
然后采用PI结合PWM算法的控制方式，将每相电枢绕组的转矩给定值和转矩实际值Tp的差值经过转矩调节器输出开关控制信号Ctrl，按照开关控制信号控制电枢绕组连接的H桥变换器中的开关管的通断，从而使三相电枢绕组的转矩实际值跟随各自的转矩给定值。
将转矩给定值和转矩实际值Tp的差值经过转矩调节器后输出对应的一相电枢绕组所连接的H桥变换器中的开关管对应的占空比Dp，同一个H桥变换器中的四个开关管的占空比相同。然后读取功率管导通表，功率管导通表记载一个0°～360°的电角度周期的不同电角度区间内对三相H桥变换器中的各个开关管的驱动信号Ctrl，将功率管导通表中与实时电角度θ所在的电角度区间中各个开关管的驱动信号和各个开关管的占空比做与运算，得到各个开关管的开关控制信号，并按照开关控制信号控制各个开关管。
比如在一个实施例中，功率管导通表如下，以“+”表示电枢绕组正向导通，以“-”表示电枢绕组负向导通：
一个0°～360°的电角度周期的三相互感Lpf和三相反电势ep的变化曲线如图4所示。
利用本申请提供的方法可以通过对总参考转矩给定值Te*的合理分配来控制三相电枢绕组的输出转矩，进一步控制转速，降低转矩脉动，增大转矩电流比。为了验证该方法对电励磁双凸极电机的转矩脉动降低的有效性，对一台电励磁双凸极电机进行Matlab/Simulink仿真。仿真的转速给定为400rpm，母线电压为150V，负载转矩为8N·m。电励磁双凸极电机的三相电流、转矩仿真波形如图5所示，从图5可以看出，转速稳定时转矩脉动率约为10％，使电励磁双凸极电机的转矩脉动得到了显著降低，转速控制平稳，提升了电励磁双凸极电机的运行性能。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于H桥变换器的电励磁双凸极电机转矩分配控制方法，其特征在于，所述方法包括：
确定电励磁双凸极电机的实时电角度θ，并根据所述实时电角度θ计算得到所述电励磁双凸极电机的转速实际值n以及三相电枢绕组的转矩实际值Tp，p＝a、b、c分别表示三相电枢绕组；所述电励磁双凸极电机的每一相电枢绕组的两端分别连接一个H桥变换器的两个桥臂的中点；
将所述电励磁双凸极电机的转速给定值n*和转速实际值n的差值经过转速调节器输出得到总参考转矩给定值Te*；
按照转矩分配函数对所述总参考转矩给定值Te*进行转矩分配，得到三相电枢绕组的转矩给定值
将每相电枢绕组的转矩给定值和转矩实际值Tp的差值经过转矩调节器输出开关控制信号，并按照所述开关控制信号控制所述电枢绕组连接的H桥变换器中的开关管的通断；
确定所述转矩分配函数的方法包括：
对所述电励磁双凸极电机的空载反电势曲线进行函数拟合，得到三相电枢绕组各自对应的正弦函数形式的所述转矩分配函数，每相电枢绕组对应的转矩分配函数是与电角度区间相关的分段连续函数，且每相电枢绕组对应的转矩分配函数的取值范围在0到1范围内；
得到的三相电枢绕组各自对应的正弦函数形式的所述转矩分配函数包括：
其中，fA(θ)是A相电枢绕组对应的转矩分配函数，fB(θ)是B相电枢绕组对应的转矩分配函数，fC(θ)是C相电枢绕组对应的转矩分配函数；a和b分别为参数且b＝1-a；α为开通角，β为关断角且α＝β。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照转矩分配函数对所述总参考转矩给定值Te*进行转矩分配，包括：
按照每相电枢绕组对应的所述转矩分配函数中，与实时电角度θ所在的电角度区间对应的分段函数确定分配比例，并按照所述分配比例乘以所述总参考转矩给定值Te*得到对应的转矩给定值得到的三相电枢绕组的转矩给定值/>之和等于所述总参考转矩给定值Te*。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定三相电枢绕组的转矩实际值Tp的方法包括：
获取三相电枢绕组的相电流ip，查询转矩表确定与所述相电流ip和实时电角度θ对应的转矩值得到转矩实际值Tp，所述转矩表记载不同的相电流和电角度所对应的转矩值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将每相电枢绕组的转矩给定值和转矩实际值Tp的差值经过转矩调节器输出开关控制信号的方法包括：
将一相电枢绕组的转矩给定值和转矩实际值Tp的差值经过转矩调节器后输出所述一相电枢绕组所连接的H桥变换器中的各个开关管对应的占空比Dp，同一个H桥变换器中的各个开关管的占空比相同；
确定功率管导通表中与实时电角度θ所在的电角度区间对应的各个开关管的驱动信号，所述功率管导通表记载一个电角度周期的不同电角度区间内对三相H桥变换器中各个开关管的驱动信号；
将各个开关管的驱动信号与对应的占空比做与运算，得到各个开关管的开关控制信号。
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