一种电励磁双凸极电机转矩脉动抑制方法

1.本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种电励磁双凸极电机转矩脉动抑制方法。


背景技术：

2.电励磁双凸极电机因其固有的定转子双凸极齿槽结构和特殊的换相方式，使得其在电动运行时存在转矩脉动严重的问题。而转矩脉动会给系统带来声学噪声和机械震荡，这无疑限制了电励磁双凸极电机的应用场合，因此，研究电励磁双凸极电机的转矩脉动控制方法对于拓展其应用领域，发挥其固有的优势具有重要意义。
3.目前针对电励磁双凸极电机转矩脉动抑制主要分为两个研究方向：一个是通过优化电励磁双凸极电机本体结构以减小转矩脉动，另一个是优化电励磁双凸极电机的控制算法以减小转矩脉动。其中优化电励磁双凸极电机本体结构的方法会使得电励磁双凸极电机本体结构更为复杂且机械特性发生一定的改变，实际应用中加工制作困难、制作成本较高。而现有电励磁双凸极电机的控制算法存在转矩脉动降低程度小、电流过冲、运算量大、稳定性低、转矩脉动过大和转矩失控等问题。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明旨在提供一种电励磁双凸极电机转矩脉动抑制方法，能够有效避免现有控制方法仅对电枢电流进行控制，在换相期间因转矩输出不足导致的转矩波动过大和转矩失控等问题。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种电励磁双凸极电机转矩脉动抑制方法，包括以下步骤：
7.s1：计算目标电励磁双凸极电机的电机转子位置θ和实际转速n，采样获取所述目标电励磁双凸极电机的三相电枢绕组的相电流ia、ib、ic以及励磁电流if；
8.s2：根据所述目标电励磁双凸极电机的参考转速n
ref
，将其与所述实际转速n作差后送入转速调节器，确定电机转子位置对应的电机转矩给定值t
ref
；
9.s3：将所述相电流ia、ib、ic与所述励磁电流if以及所述电机转子位置θ输入至转矩观测器对转矩进行观测，得到转矩反馈值te；
10.s4：用所述电机转矩给定值t
ref
减去所述转矩反馈值te，得到所述目标电励磁双凸极电机的转矩控制误差t
e_err
；
11.s5：将所述转矩控制误差t
e_err
与所述目标电励磁双凸极电机的转矩控制误差阈值tg进行比较：
12.若t
e_err
≥tg，则通过各相电枢电流以及励磁电流共同调节所述目标电励磁双凸极电机的转矩；
13.若t
e_err
＜tg，则仅通过各相电枢电流调节所述目标电励磁双凸极电机的转矩。
14.作为优选，步骤s5中，所述转矩控制误差阈值tg大于等于转矩滞环控制器环宽t
band
的二分之一。
15.作为优选，步骤s5中，通过各相电枢电流调节所述目标电励磁双凸极电机的转矩具体包括以下子步骤：
16.s51：将所述转矩控制误差t
e_err
输入至转矩滞环控制器，所述转矩滞环控制器根据所述转矩控制误差t
e_err
的大小输出具有占空比性质的控制信号h
p
；
17.s52：所述控制信号h
p
结合所述电机转子位置θ和根据所述目标电励磁双凸极电机空载反电势特性制作的开关导通逻辑向三相全桥功率变换器输出驱动信号pwm1。
18.作为优选，步骤s52中，所述功率变换器的开关导通逻辑为：
19.当电机转子位置θ在(0
°
，θ1]u(θ6，360
°
]区间范围内时，若需增加转矩te，将h
p
置1，则pwm1驱动开关管q2、q3导通；若需减小转矩te，将h
p
置0，则pwm1驱动开关管q1至q6关断；
20.当电机转子位置θ在(θ1，θ2]区间范围内时，若需增加转矩te，将h
p
置1，则pwm1驱动开关管q3、q4导通；若需减小转矩te，将h
p
置0，则pwm1驱动开关管q1至q6关断；
21.当电机转子位置θ在(θ2，θ3]区间范围内时，若需增加转矩te，将h
p
置1，则pwm1驱动开关管q4、q5导通；若需减小转矩te，将h
p
置0，则pwm1驱动开关管q1至q6关断；
22.当电机转子位置θ在(θ3，θ4]区间范围内时，若需增加转矩te，将h
p
置1，则pwm1驱动开关管q5、q6导通；若需减小转矩te，将h
p
置0，则pwm1驱动开关管q1至q6关断；
23.当电机转子位置θ在(θ4，θ5]区间范围内时，若需增加转矩te，将h
p
置1，则pwm1驱动开关管q1、q6导通；若需减小转矩te，将h
p
置0，则pwm1驱动开关管q1至q6关断；
24.当电机转子位置θ在(θ5，θ6]区间范围内时，若需增加转矩te，将h
p
置1，则pwm1驱动开关管q1、q2导通；若需减小转矩te，将h
p
置0，则pwm1驱动开关管q1至q6关断；
25.θ1至θ6为所述目标电励磁双凸极电机三相空载反电势的交点所在的转子角度位置，各转子角度位置满足如下关系：0
°
＜θ1＜θ2＜120
°
＜θ3＜θ4＜240
°
＜θ5＜θ6＜360
°
；
26.其中，开关管q1、q4为第一桥臂的上、下开关管，开关管q3、q6为第二桥臂的上、下开关管，开关管q5、q2为第三桥臂的上、下开关管。
27.作为优选，步骤s5中，通过励磁电流调节所述目标电励磁双凸极电机的转矩具体包括以下子步骤：
28.s51'：将所述转矩控制误差t
e_err
输入至励磁电流调节器，所述励磁电流调节器输出需要增加的励磁电流给定值i
fref
；
29.s52'：将所述励磁电流给定值i
fref
与额定励磁电流值i
fp
求和后，与所述励磁电流if作差，获得差值i
f_err
，将所述差值i
f_err
输入至励磁电流滞环控制器，所述励磁电流滞环控制器输出具有占空比性质的控制信号hf；
30.s53'：所述控制信号hf结合预置的励磁开关表，向励磁功率变换器输出驱动信号pwm2。
31.作为优选，步骤s51'中，所述励磁电流调节器采用比例积分调节器。
32.作为优选，步骤s53'中，所述励磁开关表的开关逻辑为：
33.当所述差值i
f_err
＞0.5i
fband
时，将所述控制信号hf置1，此时驱动信号驱动开关管q8、q
10
导通，增大励磁电流；
34.当所述差值i
f_err
＜-0.5i
fband
时，将所述控制信号hf置0，此时驱动信号驱动开关管q7、q9导通，减小励磁电流；
35.当-0.5i
fband
≤i
f_err
＜0.5i
fband
时，所述控制信号hf不变，开关管保持原有的导通状态；
36.其中，i
fband
为所述励磁电流滞环控制器的环宽；开关管q7、q
10
为励磁绕组所在h桥第一桥臂的上、下开关管，开关管q8、q9为励磁绕组所在h桥第二桥臂的上、下开关管。
37.本发明的有益效果是：
38.本发明采取转矩内环替代电流内环，并增加励磁电流调节环节，协同励磁电流和电枢电流直接对电机输出转矩直接进行控制，可有效避免现有直接瞬时转矩控制方法仅对电枢电流进行控制在换相期间因转矩输出不足导致的转矩波动过大和转矩失控等问题。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1为本发明电励磁双凸极电机转矩脉动抑制方法的控制逻辑示意图；
41.图2为本发明电励磁双凸极电机空载反电势特性及导通区间划分示意图；
42.图3为本发明励磁电流调节器的控制原理示意图；
43.图4为常规直接瞬时转矩控制算法电机负载突变时控制效果结果示意图；
44.图5为本发明电励磁双凸极电机转矩脉动抑制方法电机负载突变时控制效果结果示意图。
具体实施方式
45.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的技术特征可以相互结合。需要指出的是，除非另有指明，本技术使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本发明公开使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
46.如图1所示，本发明提供一种电励磁双凸极电机转矩脉动抑制方法，包括以下步骤：
47.s1：计算目标电励磁双凸极电机的电机转子位置θ和实际转速n，采样获取所述目标电励磁双凸极电机的三相电枢绕组的相电流ia、ib、ic以及励磁电流if。
48.s2：根据所述目标电励磁双凸极电机的参考转速n
ref
，将其与所述实际转速n作差后送入转速调节器，确定电机转子位置对应的电机转矩给定值t
ref
。
49.s3：将所述相电流ia、ib、ic与所述励磁电流if以及所述电机转子位置θ输入至转矩观测器对转矩进行观测，得到转矩反馈值te。
50.所述转矩观测器包括存储于微处理器内存中的离线三维转矩查找表t(θ，i
p
)，其中，θ为转子位置角，i
p
为各相电枢绕组电流，p代表所述电励磁双凸极电机的a、b、c三相中的任一相。所述转矩观测器的数据基于有限元计算获得，采用线性插值的方法构建查找表；由于本发明考虑到了电励磁双凸极电机励磁电流对转矩进行调节环节，所以所述三维转矩
查找表t(θ，i
p
)应考虑励磁电流变化时转矩的三维表的构建。若以电励磁双凸极电机在额定励磁电流时三维转矩查找表t(θ，i
p
)|if＝i
fp
为基准，i
fp
为电励磁双凸极电机的额定励磁电流，同理可制作励磁电流为额定值以外的三维转矩查找表t(θ，i
p
)|if＝ki
fp
，k为常数，可根据需要增加的励磁电流范围和所取励磁电流步长进行确定，励磁电流变化时仍用采用线性插值的方法构建转矩查找。本发明基于励磁电流和电枢电流协同控制的电励磁双凸极电机控制系统运行时，所述转矩观测器即可根据电流采样得到的三相电流ia、ib、ic和励磁电流if以及其解码器输出的转子位置信号θ，观测出相应的转矩te作为转矩反馈值，该值即为电机的实际输出转矩。
51.s4：用所述电机转矩给定值t
ref
减去所述转矩反馈值te，得到所述目标电励磁双凸极电机的转矩控制误差t
e_err
。
52.s5：将所述转矩控制误差t
e_err
与所述目标电励磁双凸极电机的转矩控制误差阈值tg进行比较：
53.若t
e_err
≥tg，则通过各相电枢电流以及励磁电流共同调节所述目标电励磁双凸极电机的转矩；
54.若t
e_err
＜tg，则仅通过各相电枢电流调节所述目标电励磁双凸极电机的转矩。
55.所述转矩控制误差阈值tg设定时：当所述目标电励磁双凸极电机的三相电枢电流ia、ib、ic能够使所述转矩控制误差t
e_err
处于转矩滞环控制器的环宽t
band
内时，则所述目标电励磁双凸极电机的转矩te仅由所述目标电励磁双凸极电机的三相电流ia、ib、ic进行维持，此时励磁电流的大小为预先给定的额定值i
fp
；
56.当所述转矩控制误差t
e_err
处于所述转矩滞环控制器的环宽t
band
外时，此时说明仅由三相电流ia、ib、ic控制的情况下，所述目标电励磁双凸极电机的转矩te输出不足，则所述目标电励磁双凸极电机的转矩te需要由所述目标电励磁双凸极电机的三相电流ia、ib、ic以及在额定励磁电流i
fp
基础上进一步增加励磁电流if来共同维持。增加励磁电流的条件为：
[0057][0058]
即当所述转矩控制误差t
e_err
超出所述转矩滞环控制器的环宽上限时，增加励磁电流对所述电励磁双凸极电机的进行调节。因此，在一个具体的实施例中，将所述转矩控制误差阈值tg设置为大于等于转矩滞环控制器环宽t
band
的二分之一。
[0059]
在一个具体的实施例中，步骤s5中，通过各相电枢电流调节所述目标电励磁双凸极电机的转矩具体包括以下子步骤：
[0060]
s51：将所述转矩控制误差t
e_err
输入至转矩滞环控制器，所述转矩滞环控制器根据所述转矩控制误差t
e_err
的大小输出具有占空比性质的控制信号h
p
。
[0061]
s52：所述控制信号h
p
结合所述电机转子位置θ和根据所述目标电励磁双凸极电机空载反电势特性制作的开关导通逻辑向三相全桥功率变换器输出驱动信号pwm1。
[0062]
在一个具体的实施例中，如图2所示，所述功率变换器的开关导通逻辑为：
[0063]
当电机转子位置θ在(0
°
，θ1]u(θ6，360
°
]区间范围内时，若需增加转矩te，将h
p
置1，则pwm1驱动开关管q2、q3导通；若需减小转矩te，将h
p
置0，则pwm1驱动开关管q1至q6关断；
[0064]
当电机转子位置θ在(θ1，θ2]区间范围内时，若需增加转矩te，将h
p
置1，则pwm1驱动
开关管q3、q4导通；若需减小转矩te，将h
p
置0，则pwm1驱动开关管q1至q6关断；
[0065]
当电机转子位置θ在(θ2，θ3]区间范围内时，若需增加转矩te，将h
p
置1，则pwm1驱动开关管q4、q5导通；若需减小转矩te，将h
p
置0，则pwm1驱动开关管q1至q6关断；
[0066]
当电机转子位置θ在(θ3，θ4]区间范围内时，若需增加转矩te，将h
p
置1，则pwm1驱动开关管q5、q6导通；若需减小转矩te，将h
p
置0，则pwm1驱动开关管q1至q6关断；
[0067]
当电机转子位置θ在(θ4，θ5]区间范围内时，若需增加转矩te，将h
p
置1，则pwm1驱动开关管q1、q6导通；若需减小转矩te，将h
p
置0，则pwm1驱动开关管q1至q6关断；
[0068]
当电机转子位置θ在(θ5，θ6]区间范围内时，若需增加转矩te，将h
p
置1，则pwm1驱动开关管q1、q2导通；若需减小转矩te，将h
p
置0，则pwm1驱动开关管q1至q6关断；
[0069]
θ1至θ6为所述目标电励磁双凸极电机三相空载反电势的交点所在的转子角度位置，各转子角度位置满足如下关系：0
°
＜θ1＜θ2＜120
°
＜θ3＜θ4＜240
°
＜θ5＜θ6＜360
°
；
[0070]
其中，开关管q1、q4为第一桥臂的上、下开关管，开关管q3、q6为第二桥臂的上、下开关管，开关管q5、q2为第三桥臂的上、下开关管。
[0071]
在一个具体的实施例中，步骤s5中，通过励磁电流调节所述目标电励磁双凸极电机的转矩具体包括以下子步骤：
[0072]
s51'：将所述转矩控制误差t
e_err
输入至励磁电流调节器，所述励磁电流调节器输出需要增加的励磁电流给定值i
fref
。
[0073]
在一个具体的实施例中，所述励磁电流调节器采用比例积分调节器，其能够更易于工程实现。如图3所示，当电励磁双凸极电机的转矩te仅由所述电励磁双凸极电机的三相电流ia、ib、ic进行维持时，所述励磁电流调节器的输出为零，所述电励磁双凸极电机的励磁电流为额定励磁电流i
fp
；当所述电励磁双凸极电机的转矩te需要由所述电励磁双凸极电机的三相电流ia、ib、ic以及增加励磁电流if共同维持时，所述励磁电流调节器的输出为i
fref
，所述电励磁双凸极电机的励磁电流为额定励磁电流i
fp
与所述励磁电流调节器的输出i
fref
之和。
[0074]
s52'：将所述励磁电流给定值i
fref
与额定励磁电流值额定值i
fp
求和后，与所述励磁电流if作差，获得差值i
f_err
，将所述差值i
f_err
输入至励磁电流滞环控制器，所述励磁电流滞环控制器输出具有占空比性质的控制信号hf。
[0075]
s53'：所述控制信号hf结合预置的励磁开关表，向励磁功率变换器输出驱动信号pwm2。
[0076]
在一个具体的实施例中，所述励磁开关表的开关逻辑为：
[0077]
当所述差值i
f_err
＞0.5i
fband
时，将所述控制信号hf置1，此时驱动信号驱动开关管q8、q
10
导通，增大励磁电流；
[0078]
当所述差值i
f_err
＜-0.5i
fband
时，将所述控制信号hf置0，此时驱动信号驱动开关管q7、q9导通，减小励磁电流；
[0079]
当-0.5i
fband
≤i
f_err
＜0.5i
fband
时，所述控制信号hf不变，开关管保持原有的导通状态；
[0080]
其中，i
fband
为所述励磁电流滞环控制器的环宽；开关管q7、q
10
为励磁绕组所在h桥第一桥臂的上、下开关管，开关管q8、q9为励磁绕组所在h桥第二桥臂的上、下开关管。
[0081]
以一台三相12/8极电励磁双凸极电机在ansys/maxwell、ansys/simplorer、
matlab/simulink环境下搭建的联合仿真控制模型分别采用常规直接瞬时转矩控制算法和本发明所述电励磁双凸极电机转矩脉动抑制方法进行联合仿真分析，负载在转子机械角45
°
时由5n.m突变为额定10n.m，仿真结果分别如图4和图5所示。如果定义转矩脉动系数k
ripple
为：
[0082][0083]
式中：t
max
、t
min
、t
av
分别为电磁转矩te的最大值、最小值和平均值。
[0084]
那么，负载突变后常规直接瞬时转矩控制算法的转矩脉动系数k
ripple
约为120％，本发明所述电励磁双凸极电机转矩脉动抑制方法的转矩脉动系数k
ripple
约为45％。由此可以看出，本发明可以有效弥补常规直接瞬时转矩控制算法因为转矩给定增加后因换相期间转矩输出不足而导致的转矩失控和转矩波动过大等弊端。与现有技术相比，具有显著的进步。
[0085]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。