一种双凸极电机最优电流矢量的转矩脉动抑制方法

1.本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种双凸极电机转矩脉动抑制方法。


背景技术：

2.电励磁双凸极电机凭借其结构简单，可靠性高，且控制灵活方便的特点，在航空起动/发电领域有着广阔的应用前景。双凸极电机是一种典型的变磁阻电机，其定、转子均为凸极结构，使得磁阻最大值和最小值的比值最大，具有良好的机电能量转换特性。双凸极电机结构工艺简单，转子上不存在绕组，电机运行稳定可靠。电励磁双凸极电机通过调节励磁电流改变气隙磁场，其配合逆变拓扑所组成的电动系统，可用于无刷直流电动场合。目前逆变拓扑常采用三相全桥逆变拓扑，双凸极电机的相绕组做星形连接后与二极管逆变拓扑直接相连。
3.近年dsem的转矩脉动及其抑制技术一直是研究热点之一，转矩脉动是电动机振动、噪声、速度波动的根源，限制了dsem的应用范围。


技术实现要素：

4.本发明基于dsem的转矩脉动，提出了电流矢量注入方法，采用id＝0的控制方法实现最大转矩电流比控制，通过实时改变iq的大小(有两个维度)来控制瞬时转矩，给电机注入最优电流矢量使电机保持在恒转矩工作状态下，从而降低电机的转矩脉动。
5.本发明的技术方案为：
6.步骤1，定义相转矩与相电流之比为相转矩电流系数tk(θ,ik,if)，同时定义平均相转矩电流系数t
kave
(θ,if)，通过离线获取不同励磁电流下的三相平均相转矩电流系数ta、tb、tc，建立dsem瞬时转矩计算模型；
7.步骤2，将三相平均转矩电流系数和三相电枢电流变换到两相静止坐标系，在两相坐标系α-β平面上，(两相静止)转矩电流系数矢量t
α
、t
β
和电流矢量i
α
、i
β
分别可以合成(旋转)转矩电流系数矢量t和电流矢量i；
8.步骤3，将得到的实时的三相平均相转矩电流系数通过克拉克变换及派克变换方法，得到实时的转矩电流系数矢量t，并得到矢量t的模|t|，基于瞬时转矩计算模型，给定转矩t
ref
，得到相应的给定三相电枢电流幅值|i|；
9.步骤4，采用直轴电流id＝0的控制策略，保证电机工作在最大转矩电流比状态，计算电机输出恒定转矩的电流矢量，向dsem注入最优电流矢量，使dsem能运行在转矩脉动较低的状态。
10.作为优选，步骤1所述的相转矩电流系数tk是关于转子位置θ、相电流ik,以及励磁电流if的函数，所述平均相转矩电流系数t
kave
是关于转子位置θ以及励磁电流if的函数。
11.作为优选，步骤1所述的瞬时转矩模型为：
12.t
esti
＝ta·
ia+tb·
ib+tc·
ic+tf·
if13.其中，t
esti
为电机瞬时转矩，ta、tb、tc为不同励磁电流下的三相平均相转矩电流系
数，ia、ib、ic为三相电枢电流，if为励磁电流，tf为励磁转矩电流系数矢量。
14.作为优选，步骤2中克拉克变换及派克变换方法具体为：将三相平均转矩电流系数和三相电枢电流变换到两相坐标系α-β平面上，两相静止坐标系下的转矩电流系数矢量t
α
、t
β
和电流矢量i
α
、i
β
分别合成旋转坐标系下的转矩电流系数矢量t和电流矢量i。
15.作为优选，一维数据表是基于双凸极电机旋转一周的所对应的电角度的区域建立的，通过离线测量得到dsem反电势，然后经过坐标变换与反正切计算得到与转子位置一一对应的转矩电流系数矢量位置；通过电机模型电磁仿真得到转矩特性图，以此可由转矩位置得到对应的三相转矩电流系数矢量和励磁转矩电流系数矢量。
16.作为优选，步骤3中得到给定转矩t
ref
的方法为：对查表得到的转矩电流系数矢量位置进行微分得到转矩电流系数矢量旋转转速，与参考转速比较后输入转速环进行动态调整，输出给定转矩t
ref
。
17.作为优选，给定电流矢量幅值表示为：式中分别表示转矩电流系数矢量角度位置、电流矢量角度位置。
18.作为优选，输入的电流矢量与转矩电流系数矢量需要保证共线运行，得到能够使电机输出恒定转矩的最优电流矢量，满足如下条件式中分别表示转矩电流系数矢量角度位置、电流矢量角度位置。
19.作为优选，采用id＝0的控制方法抑制转矩电流系数的奇偶次谐波，具体为：令直轴电流id＝0，计算出最优电流矢量iq，结合转矩电流系数矢量位置关系和反变换计算得到三相参考电流，经滞环开关器实现电流跟踪，输出的滞环控制量经由2/3变换控制逆变器开关状态。
附图说明
20.图1是dsem驱动电路；
21.图2是dsem转矩电流系数及理想驱动电流波形；
22.图3是两相静止坐标系下转矩电流系数矢量与电流矢量旋转的轨迹；
23.图4是dsem最优电流矢量控制系统框图；
24.图5是最优电流矢量控制下仿真所得的电机三相电流与输出转矩波形；
25.图6是最优电流矢量控制下仿真所得的电流轨迹。
26.有益效果：
27.本发明是解决了电励磁双凸极电机转矩脉动大的问题，由仿真结果可知随着输出转矩的增加，转矩峰峰值变化很小，转矩脉动随着输出转矩的增加逐渐降低。现有的电励磁双凸极电机转矩脉动抑制方法不多，常见的大多是通过改变角度控制方法实现，本发明通过注入空间上最优电流矢量的方法，能够较好的抑制转矩脉动。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
29.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。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
30.永磁同步电机在运行过程中，交直轴电压之间存在耦合的现象，即d轴的参数变化会引起q轴的参数变化，这不利于电机的控制。矢量控制id＝0控制的本质是实现dq轴的电流静态解耦，id＝0时磁通完全由永磁体来提供，电机没有直轴的电枢反应，直轴的电流为0，此时电机的所有的电流全部用来产生电磁转矩，只需控制iq的值即可控制电机的转矩，实现了电机的静态解耦。
31.实践证明，要抑制电机转矩脉动，必须从控制瞬时转矩出发。本发明从控制瞬时转矩的思路出发，采用id＝0的控制方法，通过控制iq来控制转矩，可实现最大转矩电流比控制，从而使得电机能工作在恒转矩状态下，进而抑制转矩脉动。
32.转矩主要和iq有关，如果能够实时改变iq的大小就可以实时控制瞬时转矩，这就需要确定合适的iq以实现恒转矩控制。基于此，本发明的一种双凸极电机最优电流矢量转矩脉动抑制方法，包括依次连接的全桥逆变器、电励磁双凸极电动机和位置传感器，其中，全桥逆变器用于实现电机的驱动，位置传感器用于获取电机的转子位置。
33.首先建立瞬时转矩计算模型：
34.定义相转矩与相电流之比为相转矩电流系数tk(θ,ik,if)，该系数是关于转子位置θ、相电流ik,以及励磁电流if的函数。受磁路饱和的影响，不同相电流下的相转矩电流系数因磁路饱和程度不同而呈现出略微差别，可采用平均相转矩电流系数t
kave
(θ,if)该系数是关于转子位置θ以及励磁电流if的函数。采用平均相转矩电流系数减少了自变量维度，该系数仅是转子位置与励磁电流的函数。
35.由于电励磁双凸极电机三相电磁特性不对称，需分别离线获取不同励磁电流下的三相平均相转矩电流系数ta、tb、tc。电励磁双凸极电机瞬时转矩t
esti
可由下式估算：
36.t
esti
＝ta·
ia+tb·
ib+tc·
ic+tf·
ifꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
37.dsem电枢绕组采用星形连接方式，故常采用三相全桥逆变电路进行驱动，等效电路如图1所示。其中，u
dc
为直流侧电压，l
x
为相自感，e
x
为相感应电动势，r为相绕组电阻，n表示电机中性点。与永磁机不同，本发明忽略电机磁路饱和及涡流迟滞损耗，每相满足的电压方程为
[0038][0039]
电励磁双凸极电机的反电势波形呈不规则梯形波，通常采用类似于永磁无刷直流电机的六状态方波电流斩波控制，仅在导通区域划分上与永磁无刷直流电机有所区别。图2给出了dsem反电势波形及理想驱动电流波形，由于反电势不对称的问题，转矩电流系数矢量和交轴是不共线的。将a相绕组磁链最大位置(反电势为零)定义为起始零位。为表示电角度与转矩电流矢量的关系，根据dsem反电势波形的特点，将电机运行的电角度分为6个扇区，扇区标号用罗马数字ⅰ～ⅵ表示。由于电磁特性不对称，每个扇区宽度各不相同。
[0040]
基于电机运行情况建立转子位置与三相平均相转矩电流系数ta、tb、tc关系、转子位置与转矩电流系数位置关系的一维数据表。其中，一维数据表是基于双凸极电机旋转一
周的所对应的电角度的区域建立的，工具采用matlab2-d模块。通过离线测量得到dsem反电势，然后经过坐标变换与反正切计算得到与转子位置一一对应的转矩电流系数矢量位置。而三相平均转矩电流系数矢量可以通过电机模型电磁仿真得到转矩特性图，以此可由转矩位置得到对应的三相转矩电流系数矢量和励磁转矩电流系数矢量。
[0041]
通过查表法，基于位置传感器得到实时电机的转子位置，基于转子位置通过查表法得到实时的三相转矩电流系数ta,tb,tc和三相电枢电流ia,ib,ic，根据三相电路瞬时无功功率理论，将三相平均转矩电流系数(ta,tb,tc)、三相电枢电流(ia,ib,ic)由三相坐标系变换至两相静止坐标系：
[0042][0043][0044]
其中c
32
为变换矩阵，在两相坐标系α-β平面上，转矩电流系数矢量t
α
、t
β
和电流矢量i
α
、i
β
分别可以合成(旋转)转矩电流系数矢量t和电流矢量i
[0045][0046][0047]
式中，|t|、|i|为矢量t、i的模；分别为矢量的幅角。
[0048]
图3给出了两相静止坐标系下，转矩电流系数矢量t、电流矢量i旋转的轨迹。由于转矩电流系数中含有大量奇偶次谐波，波形严重畸变，其轨迹呈不规则“六角星形”。转矩电流系数矢量起始位置与转子位置零位不重合，位于β轴正半轴上，两者之间存在90
°
相位差。
[0049]
三相瞬时转矩等于转矩系数矢量t与电流矢量i的矢量积。
[0050]
对查表得到的转矩电流系数矢量位置进行微分得到转矩电流系数矢量转子转速，与参考转速比较后输入转速环进行动态调整，输出给定转矩t
ref
。
[0051]
给定转矩可用电流与转矩系数表示
[0052][0053]
已知给定转矩便可求出相应的给定电流矢量幅值
[0054][0055]
如果能保证电流矢量与转矩电流系数矢量共线运行，那么即可得到能够使电机输出恒定转矩的最优电流矢量，满足如下条件：
[0056][0057]
按照式(9)注入电流矢量，dsem可运行在无转矩脉动的状态，据此设计的驱动控制系统如图4所示。系统采用id＝0的控制以获得最大转矩电流比，转速环输出作为转矩给定，
按照式(9)计算交轴参考电流i
q*
。计算所需的转矩电流系数由查表法得到，经过clark变换后进行模计算得到转矩电流系数矢量的幅值。
[0058]
交轴参考电流i
q*
，结合转矩电流系数矢量位置关系和反变换计算得到三相参考电流，通过滞环开关器实现电流跟踪，保证电机工作在最大转矩电流比状态，计算电机输出恒定转矩的电流矢量，向dsem注入最优电流矢量，使dsem能运行在转矩脉动较低的状态。
[0059]
图5给出了最优电流矢量控制下的电机三相电流与输出转矩波形。图5(a)是平均转矩为10nm的波形，转矩峰峰值为5.7nm，转矩脉动为57.6％，相比于方波电流控制减少了78.6％；图5(b)是平均转矩为20nm的波形，转矩峰峰值为5.5nm，转矩脉动为28％，相比于方波电流控制减少了79.5％。可见采用最优电流矢量控制策略大幅减小了电机转矩脉动。
[0060]
图6给出了最优电流矢量控制下的电机三相电流轨迹波形，看出最优电流矢量控制下的电流轨迹不同于方波电流控制的电流轨迹，呈现出不规则的“三叶草”状，且随着输出转矩的增加，电流轨迹的形状也会发生变化，这是因为电流矢量的幅值与转子位置以及给定转矩有关，需要不断改变才能保证输出转矩近似恒定。
[0061]
表1给出了不同工况下两种控制策略的仿真结果。可见随着输出转矩的增加，转矩脉动逐渐降低。由于存在较大的电流尖峰，且电流波形严重畸变，相比于方波电流控制，最优电流矢量控制策略在转矩电流比与电流thd方面表现有所不如，这表明要抑制转矩脉动需付出低转矩电流比和高电流thd的代价。
[0062]
表1不同工况下两种控制策略的仿真结果对比
[0063][0064]
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0065]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。